PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSEWIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF

Tugas Akhir RE 1549 PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSEWIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Himawan Sutamto 2203.109.615 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Ir. Sidarjanto JURUSAN TEKNiK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA 2006

TUGAS AKHIR RE 1549 PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSE WIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Himawan Sutamto 2203.109.615 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Ir. Sidarjanto JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA 2006

PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSE WIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF TUGAS AKHIR Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro Pada Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Menyetujui Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng NIP. 131 918 688 Ir. Sidarjanto NIP. 130 532 009 S U R A B A Y A JULI, 2006 ii

ABSTRAK Faktor kerja sering menjadi suatu masalah di dalam industri dengan kapasitas daya tinggi, karena faktor kerja yang rendah bisa mengakibatkan naiknya daya reaktif. Penyearah konvensional dengan SCR mempunyai faktor kerja yang rendah, tetapi mempunyai kemampuan daya tinggi. Dengan penyearah menggunakan Insulatedgate Bipolar Transistor (IGBT) dan dikontrol dengan PWM, penyearah mempunyai faktor kerja lebih baik namun mempunyai kemampuan daya terbatas. Tugas Akhir ini membahas penyearah SCR enam pulsa yang dikontrol dengan PWM. Dengan metode ini dapat meningkatkan faktor kerja dari 0.95 menjadi 0.994 jika dibandingkan dengan penyearah konvensional. Kata kunci : rectifier, silicon-controlled rectifier(scr) ABSTRACT Power factor becomes a problem in the industry with high power capacities, because low power factor can raise of power reactive. Conventional rectifiers with SCR have low power factor, but having high Power rating. New rectifier using the Insulated-Gate Bipolar Transistor ( IGBT) and controlled by PWM present a good power factor, but the power rating is limited. This final project present a rectifier use SCR six pulse which is controlled by PWM. This method improves the power factor from 0.95 to 0.994 compared to the conventional rectifier. Key words: rectifier, silicon-controlled rectifier(scr) iii

KATA PENGANTAR Alhamdulillahirobbil alamin, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-nya, sehingga kami dapat menyelesaikan laporan tugas akhir yang berjudul : PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM ( PULSE WIDTH MODULATION ) TIGA FASA MENGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan studi khususnya pada program studi Teknik Sistem Tenaga, jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Surabaya, Juni 2006 Penulis iv

DAFTAR ISI Judul Lembar Pengesahan Abstrak Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel i ii iii iv vi vii ix BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Tujuan Penelitian 1 1.3 Tinjauan Pustaka 2 1.4 Perumusan Masalah 2 1.5 Metodologi Penelitian 3 1.6 Sistematika Penulisan 3 1.7 Relevasi 4 BAB II. TEORI PENUNJANG 5 2.1. Konverter 5 2.1.1 konverter penuh tiga fasa 5 2.2. Daya 9 2.2.1. Pada System Tegangan dan Arus Tanpa Harmonisa 9 2.2.1.1. Sistem Satu Fasa 9 2.2.1.2. Sistem Tiga Fasa Seimbang 11 2.2.1.3. Faktor Kerja 12 2.2.2. Pada System Tegangan dan Arus Dengan Harmonisa 14 2.3. Peningkatan Faktor Kerja 17 2.3.1. Pulse Width Modulation (PWM) 18 2.4. DC Chopper 20 2.4.1. Prinsip Operasi Step-Down 21 2.4.2. Step-Down Chopper dengan Beban RL 23 2.4.3. Prinsip Operasi Step-Up 26 2.5. Regulator dengan Pengaturan Switching 29 2.5.1. Buck Regulator 30 v

BAB III. PRINSIP KERJA DAN PERANCANGAN RANGKAIAN 35 3.1. Metode Pemadaman SCR 35 3.1.1. Forced Commutation 35 3.1.2. Pemadaman aktif 35 3.2. Prinsip Kerja Rangkaian 36 3.3. Kontrol Sistem 39 3.31. Tipe Pengontrol 39 3.3.2 Penentuan Parameter Kontrol 40 3.4. Pembangkit PWM 42 3.5. Pemodelan Sistem dengan MATLAB 43 3.6. Rancangan dan Perhitungan Rangkaian 45 3.7. Menentukan Nilai Induktor dan Kapasitor 47 3.8. Fungsi Modulasi 50 BAB IV. SIMULASI DAN ANALISA 53 4.1. Nilai-Nilai Yang Dipakai Untuk Simulasi 53 4.2. Simulasi Sistem Tanpa Pemadaman Aktif 54 4.3. Pemadaman Aktif 61 4.4. Kontrol PI (proporsional integral) 61 4.5. Simulasi Penyearah Dengan Pemadaman Aktif 62 4.5.1. Perubahan Beban Sistem 64 4.5.2 Total Harminic Distortion (THD) 65 4.5.3. Faktor Kerja (pf) 70 4.6. Perbandingan Performen 72 BAB V. PENUTUP 75 5.1. Kesimpulan 75 5.2. Saran 75 DAFTAR PUSTAKA 77 Lampiran 78 Biografi Penulis 84 vi

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Penyeaarah Jembatan Tiga Fasa 6 Gambar 2.2 Hubungan arus pada rangkaian ac 14 Gambar 2.3. Hubungan Daya Pada Rangkaian ac 14 Gambar 2.4. Tatahedron yang menyatakan hubungan antara S S,P S1 Q S1 dan D S 16 Gambar 2.5. Bentuk gelombang tegangan dan arus dengan Kontrol PWM 18 Gambar 2.6. Pembangkit sinyal gate dengan kontrol PWM 19 Gambar 2.7. Chopper Step-Down dengan beben resistif 21 Gambar 2.8. Chopper Step-Down dengan beben RL 23 Gambar 2.9. Rangkaian ekivalen Chopper Step-Down dan Bentuk Gelombang dengan beben RL 24 Gambar 2.10. Chopper Step-Up 26 Gambar 2.11. Penyusunan Tranfer Energi 27 Gambar 2.12. Elemen-elemen regulator dengan pengaruran switching 29 Gambar 2.13. Rangkaian buck dengan arus kontinyu i L 31 Gambar 3.1. Urutan aliran arus pada konverter 36 Gambar 3.2. Ilustrasi Switch PWM SCR 37 Gambar 3.3. Proses switching SCR pada konverter dengan metode pemadaman aktif 38 Gambar 3.4. Respon sistem untuk menentukan parameter pengontrol metode Ziegler-Nichols 41 Gambar 3.5. Elemen menu pada software MATLAB 6.5 42 Gambar 3.6 Rangkaian PWM 43 Gambar 3.7. Rangkaian kontrol dengan PWM 43 Gambar 3.8. Pemodelan Rangkaian dengan MATLAB 44 Gambar 3.9. Rangkaian Equivalen dari Penyearah SCR PWM 45 Gambar 3.10. Bentuk gelombang tegangan masukan 47 Gambar 3.11. a. Penyearah SCR PWM tiga fasa dengan pemadaman Aktif 48 b. Penyearah gelombang penuh dengan filter 48 Gambar 3.12. Filter Tegangan Keluaran 49 Gambar 4.1. Rangkaian ideal konverter 53 Gambar 4.2. Rangkaian konverter tanpa pemadaman aktif 54 Gambar 4.3. Tegangan dan Arus input pada saat Cos α 0 O,45 O 55 Gambar 4.4. a.spektrum Frekunsi Tegangan input pada semua penyulutan 56 b. Spektrum Frekunsi Arus input saat Cos α 0 O,45 O 56 vii

Gambar 4.5. Nilai rms Tegangan dan Arus input 58 Gambar 4.6. Factor Kerja pada penyearah 60 Gambar 4.7. Rangkaian Kontrol 61 Gambar 4.8. Rangkaian Kontrol PI 62 Gambar 4.9. Rangkaian Penyearah SCR PWM tiga fasa dengan pemadaman aktif 48 Gambar 4.10. Arus dan Tegangan Output 64 Gambar 4.11. a. Gelombang Segitiga dengan Gelombang dc kontrol PI 65 b. Gelombang persegi keluaran PWM 65 Gambar 4.12. Tegangan dan Arus input 65 Gambar 4.13. Tegangan dan Arus input (V a1,i a1 ) 66 Gambar 4.14. Nilai rms Tegangan dan Arus input 67 Gambar 4.15. Tegangan dan Spektrum Frekuensi Tegangan input 68 Gambar 4.16. Arus dan Spektrum Frekuensi Arus input 69 Gambar 4.17. Gelombang Arus dan Tegangan pada penyearah SCR PWM tiga fasa 70 Gambar 4.18. Factor kerja pada penyearah yang memggunakan proses pemadaman aktif 71 Gambar 4.19. THD I terhadap perubahan beban 72 Gambar 4.20. Faktor Kerja (pf) terhadap perubahan beban 73 viii

DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel tuning Ziegler-nichols 41 Tabel 4.1. Hasil simulasi sistem tanpa pemadaman aktif 60 Tabel 4.2. Performance THD Penyearah SCR PWM tiga fasa 67 Tabel 4.3. THD Tegangan input sistem dengan pemadaman aktif 68 Tabel 4.4. THD Arus input sistem dengan pemadaman aktif 69 Table 4.5. Performance pf tiap-tiap pembebanan 71 Tabel 4.6. Performance rangkaian dengan pemadaman aktif 71 Tabel 4.7. Perbandingan performance Rangkaian 73 ix