proposal thesis - Universitas Sumatera Utara

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
Universitas Sumatera Utara
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. 0-7803-13283/94.[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.
Vcc
R
LM741C
R
SK312A
LM741C
D1
R
R
D3
C1
R
SK3829
D4
D2
C2
Gambar 1.1. Mengurangi harmonisa dengan control circuit
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
(a) Bentuk spektrum arus sebelum
direduksi (THD = 69,5%)
(b) Bentuk spektrum arus sesudah
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 LineSide-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.
Universitas Sumatera Utara
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
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
Ls
Universitas Sumatera Utara
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 %.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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
Universitas Sumatera Utara
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.
Universitas Sumatera Utara