BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Dewasa ini peralatan elektronika daya cukup berkembang dengan pesat. Hal ini terlihat dengan semakin banyaknya penggunaan peralatan elektronik baik pada rumah tangga, perkantoran maupun industri. Seperti kita ketahui bahwa peralatan tersebut membutuhkan catu daya sumber tegangan arus searah sementara catu daya yang tersedia adalah sumber tegangan arus bolak balik. Oleh karena itu, dibutuhkan alat yang dapat mengkonversi sumber tegangan arus bolak balik menjadi sumber tegangan arus searah yang dikenal juga dengan Penyearah atau Rectifier. Khusus untuk peralatan rumah tangga maupun perkantoran umumnya menggunakan penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda. Catu daya seperti ini umumnya menggunakan 4 (empat) buah dioda hubungan jembatan. Untuk mendapatkan bentuk gelombang searah yang lebih rata dengan nilai tegangan yang lebih besar maka penyearah biasanya dilengkapi dengan tapis perata yang menggunakan kapasitor. Jenis penyearah seperti ini mempunyai karakteristik beban non linier yang mengakibatkan bentuk gelombang arus bolak balik menjadi tidak lagi sinusoidal terutama bentuk gelombang arusnya. Bentuk gelombang yang non sinusoidal ini merupakan gabungan dari bentuk gelombang fundamental dan gelombang yang mengandung sejumlah komponen harmonisa. Oleh karena itu, perlu dicegah agar harmonisa yang ditimbulkan oleh penyearah sekecil mungkin di bawah
standar yang diizinkan sehingga tidak mengganggu kerja peralatan lain yang tersambung pada sumber yang sama. Namun di sisi lain juga harus dipertimbangkan bahwa pengurangan harmonisa tidak menimbulkan biaya yang besar karena hal ini berkaitan dengan pembiayaan produksi dan harga jual peralatan. Beberapa kajian yang telah dilakukan untuk mengurangi harmonisa arus pada penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda ini diantaranya adalah : A. A New Single Phase AC To DC Harmonic Reduction Converter Based On Voltage Doubler Circuit Dalam paper Aintablian dan Hill, A New Single Phase AC To DC Harmonic Reduction Converter Based On Voltage Doubler Circuit, IEEE No. 0-7803-1328-3/94.[1] dianalisa bagaimana proses mengurangi harmonisa arus dengan metode rangkaian tegangan ganda dimana antara sambungan kapasitor dan sambungan dioda dihubungkan oleh sebuah transistor yang bekerja sebagai saklar yang dioperasikan oleh rangkaian pengontrol (control circuit) seperti yang diperlihatkan pada Gambar 1.1. LM741C R Vcc R SK312A LM741C R D1 D3 C1 R SK3829 R D4 D2 C2 Gambar 1.1. Mengurangi harmonisa dengan control circuit
Dalam hal ini kerja transistor yang menghubungkan antara dioda jembatan dengan kapasitor paralel diatur oleh control circuit. Hasil dari pengujian simulasi yang dilakukan dengan program P Spice terlihat bahwa bahwa bentuk gelombang arus input sebelum dan sesudah penggunaan control circuit terlihat seperti Gambar 1.2a dan 1.2b (a) Bentuk gelombang arus sebelum Harmonisa direduksi. (0,615A). (b) Bentuk gelombang arus sesudah Harmonisa direduksi. (0,21 A). Gambar 1.2. Bentuk gelombang arus Sementara bentuk spektrum dan Total Harmonic Distortion arusnya (THDi) untuk masing masing bentuk gelombang tersebut diperlihatkan oleh Gambar 1.3a dan 1.3b.
(a) Bentuk spektrum arus sebelum (b) Bentuk spektrum arus sesudah direduksi (THD = 69,5%) direduksi (THD = 39.4%) Gambar 1.3. Bentuk spektrum arus Dari analisa diperoleh bahwa kerja penyearah dapat mengurangi THDi yang semula besarnya 69,5%, menjadi 39,4%. Sedang arusnya dapat direduksi dari 0,615A menjadi 0,21A. (besar arus yang direduksi sebesar 65,8%). B. Simple And Advanced Models or Calculating Single Dioda Rectifier Line- Side-Harmonics. Dalam Jurnal Husein A. Kezeem at all, Simple And Advanced Models or Calculating Single Dioda Rectifier Line-Side-Harmonics. World Academy of Sience Engineering and Technology, 2005 [2], besarnya harmonisa arus pada suatu penyearah satu fasa gelombang penuh dapat juga dikurangi dengan menggunakan induktor sebagai filternya. Dalam hal ini filter induktor dipasang pada sisi input dan output dari penyearah seperti pada Gambar 1.4.
Gambar 1.4. Rangkaian simulasi penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda Dengan mengatur besar harga induktor baik disisi input dan output dari penyearah yang dilakukan dengan program simulasi terlihat bahwa perubahan harga induktor mempengaruhi besar harmonisa yang dibangkitkan oleh penyearah. Semakin besar nilai induktor yang dipasang akan menghasilkan THDi yang semakin kecil. Hal ini ditunjukkan oleh Tabel 1.1. Tabel 1.1. Besar THD hasil Simulasi dengan harga L yang berbeda-beda Ls Ldc 2 mh 4 mh 6 mh 8mH 10 mh 2 mh 55,466 49,001 44,072 41,270 46,999 4 mh 49,005 42,956 38,461 36,109 35,630 6 mh 43,866 38,900 35,915 32,562 33,061 8 mh 39,738 35,780 32,553 31,478 30,593 10 mh 36,301 33,016 30,494 28,768 26,927
C. The Study of Single Phase Diode Rectifiers with High Power Factor and Low Total Harmonic Distortion. Dalam tesis Pranavi Chowdari Tella, The Study of Single Phase Diode Rectifiers with High Power Factor and Low Total Harmonic Distortion, University of Missouri, Columbia, 2008, (Master of Sience Thesis).[3], dianalisa beberapa metode yang dapat mengurangi harmonisa yang dihasilkan oleh penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda. Untuk melihat perubahan yang dihasilkan maka pertama simulasi dilakukan pada penyearah yang menggunakan kapasitor perata seperti Gambar 1.5. dimana diperoleh THDi = 169%. Sumber tegangan input yang digunakan mempunyai harga efektif sebesar 115 Volt dengan frekuensi 60 Hz. Penyearah melayani beban Ro = 48,4Ω dengan data dioda penyearah seperti terlihat pada Gambar 1.5. Gambar 1.5. Penyearah dengan kapasitor perata Untuk mengurangi THDi yang dihasilkan penyearah diatas maka dipasanglah filter Lr = 100mH dan Cr =78uF hubungan paralel di sisi input penyearah seperti Gambar 1.6 dan menghasilkan THDi yang cukup besar yakni sebesar 43,6 %.
Gambar 1.6. Penyearah dengan filter L-C Paralel Oleh karena itu dicoba metode lain yakni dengan mengubah posisi filter LC paralel menjadi filter LC seri seperti Gambar 1.7. Simulasinya menghasilkan THDi yang semakin kecil yakni sebesar 10%. Gambar 1.7. Penyearah dengan filter L-C seri
Untuk mendapatkan nilai THDi yang lebih kecil lagi dapat dilakukan dengan menambahkan kapasitor C=400uF yang dihubungkan paralel Gambar 1.8. yang dikenal dengan wave shapping methode. Dan hasilnya THDi yang diperoleh cukup kecil yakni sebesar 2,62%. Gambar 1.8. Penyearah dengan filter passive wave shapping methode D. Single Phase Active Power Filter Using FFT with Harmonic Phase Delay Compensation Dalam Jurnal Bo Han, Single Phase Active Power Filter Using FFT with Harmonic Phase Delay Compensation, Department of Electrical Engineering Myongji University,Yongin, Korea.[4], untuk mengurangi harmonisa pada penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda dapat juga dilakukan dengan menggunakan filter daya aktif seperti yang diperlihatkan Gambar 1.9.
Gambar 1.9. Prinsip dari Fiter daya aktif Dari uraian diatas dapat dilihat bahwa sudah ada beberapa penelitian yang dilakukan untuk mengurangi harmonisa dari penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda dengan cara yang berbeda-beda. Dalam tesis ini akan dianalisa penggunaan filter induktor pada sisi input penyearah dapat mengurangi THDi yang dihasilkan penyearah. Hal ini dilatar belakangi oleh kajian [2], yang memperhitungkan filter induktor pada sisi input dan output penyearah. Sementara itu dalam tesis ini akan dianalisa bahwa hanya dengan menempatkan filter induktor pada sisi input penyearah dapat mengurangi harmonisa dimana analisanya dilakukan dengan program simulasi yang menggunakan software MATLAB/Simulink. 1.2. Rumusan Masalah Seperti yang telah diuraikan diatas bahwa penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda menghasilkan harmonisa yang cukup besar karena bentuk
gelombang arusnya tidak lagi sinusoidal murni. Oleh karena itu harmonisa yang dihasilkan perlu direduksi dan salah satu cara diantaranya adalah dengan filter induktor yang dipasang seri pada sisi input penyearah. 1.3. Batasan Masalah Mengingat banyaknya variabel yang dapat digunakan untuk mengurangi harmonisa ini maka penulis perlu membuat batasan masalah yang akan diteliti, yakni: a. Penyearah dihubungkan langsung ke titik sumber tegangan sehingga tidak menggunakan transformator sebagai penurun tegangan. b. Beban penyearah yang digunakan adalah beban resistif (R) murni. c. Filter yang dipasang adalah induktor murni dan dipasang seri pada sisi input penyearah. d. Gelombang harmonisa yang dianalisa adalah gelombang harmonisa arus dan hanya pada input penyearah. 1.4. Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengurangi harmonisa arus pada sisi input penyearah satu fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan yang menggunakan filter induktor. 1.5. Manfaat Penelitian Seperti kita ketahui bahwa dewasa ini beban dengan peralatan elektronik adalah penyumbang terbesar harmonisa pada sistem tenaga listrik terutama beban satu fasa. Ini disebabkan karena beban satu fasa merupakan beban yang terbanyak terpasang di jaringan. Untuk jaringan yang banyak melayani beban maka sangat sulit
untuk mengurangi harmonisa yang ada disamping biayanya cukup besar. Oleh karena itu tesis ini bermanfaat untuk: a. Mengurangi harmonisa yang dihasilkan oleh masing masing penyearah. b. Biaya yang dibutuhkan cukup kecil bila dibandingkan dengan pengurangan harmonisa untuk keseluruhan sistem.