SINGUDA ENSIKOM VOL. 7 NO. 2/Mei 2014 copyright DTE FT USU

SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
ANALISIS PENYEARAH TIGA FASA TERKONTROL PENUH
DENGAN SIMULASI MATLAB
Donal Siagian, Riswan Dinzi
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: [email protected]
Abstrak
Di dunia industri banyak dijumpai beban-beban dc seperti seperti berbagai jenis motor dc, traksion dan
sumber tegangan terkontrol sehingga diperlukan suatu sumber tegangan dc untuk mensuplai beban tersebut. Sumber
tegangan dcdiperoleh dari suatu penyearah.Penyearah yang sering digunakan adalah penyearah tiga fasa terkontrol
penuh. Perubahan sudut picu, besar tegangan masukan, besar dan sifat beban sangat mempengaruhi keluaran
penyearah. Sifat beban induktif akan sangat mempengaruhi konduksi penyearah yang kemudian mempengaruhi
keluaran penyearah. Untuk mengetahui dan menganalisa pengaruh perubahan sudut picu, besar tegangan masukan,
besar dan sifat beban terhadap keluaran penyearah dilakukan simulasi dengan menggunakan program Matlab untuk
dua sifat beban yaitu beban resistif dan resistif induktif. Hasil simulasi berupa bentuk gelombang arus dan tegangan.
Pada sudut picu sampai 600 untuk beban resistif dan resistif induktif keluaran penyearah ini tidak dipengaruhi oleh
sifat beban. Pada sudut picu lebih besar dari 600 untuk beban resistif induktif keluaran penyearah dipengaruhi oleh
sifat beban untuk nilai induktif yang sangat tinggi yaitu sampai 8 Henry arus beban bersifat kontiniu dan untuk nilai
induktif yang kecil yaitu sampai 0,015 Henry arus beban bersifat diskontiniu.
Kata kunci : Penyearah tiga fasa terkontrol penuh, Beban Resistif dan Beban Induktif.
1. Pendahuluan
Pada dunia industri banyak dijumpai bebanbeban dc seperti motor dc.Untuk mensuplai
beban dc tersebut diperlukan sumber tegangan
dc.Sumber tegangan dc ini diperoleh dari suatu
penyearah. Dalam tulisan ini akan membahas
penyearah tiga fasa terkontrol penuh.
Penyearah tiga fasa sering dijumpai secara
luas untuk aplikasi pada bidang industri
misalnya dalam proses elektrokimia, berbagai
jenis motor drive, traksion dan sumber tegangan
terkontrol [1].Dalam pemakaiannya yang perlu
diperhatikan adalah keluaran dari penyearah ini
sesuai dengan kebutuhan sumber tegangan dc
yang diperlukan.Perubahan sudut picu dan
tegangan masukan sangat mempengaruhi
keluaran penyearah.sifat
beban
juga
mempengaruhi keluaran penyearah. Sifat beban
induktif akan sangat mempengaruhi konduksi
penyearah yang kemudian mempengaruhi
keluaran penyearah. Dalam tulisan ini akan
mensimulasikan dan menganalisa pengaruh sifat
beban induktif terhadap keluaran penyearah.
Beban yang digunakan dalam simulasi ini
adalah beban resistif (R) dan bebanresistif
induktif(RL). menggunakan program Matlab.
Hasil simulasi berupa bentuk
gelombang tegangan dan arus keluaran dari
penyearah.
2. Sumber Tegangan Tiga Fasa
Hampir semua listrik yang digunakan oleh
industri, dibangkitkan, ditransmisikan dan
didistribusikan dalam sistem tiga fasa. Sistem ini
memiliki besar arus dan tegangan yang sama
tetapi mempunyai perbedaan sudut 120 0 antara
fasanya. Sistem ini disebut sistem seimbang tiga
fasa.
Apabila sumber mensuplai beban seimbang
maka arus pada masing-masing penghantar akan
memiliki besar yang sama danberbeda sudut
sebesar 120 0 satu sama lain. Arus-arus ini
desebut arus seimbang.
Gambar 1 (a) Rangkaian sistem tiga fasa urutan abc
(b) Diagram fasor sebuah sistem seimbang
[2]
Sistem pada Gambar 1 (a) disebut sistem
urutan abc, dimana fasa b tertinggal 120 0
terhadap fasa a, dan fasa c tertinggal 120 0
terhadap fasa b. Hanya satu kemungkinan urutan
lagi selain urutan abc, yaitu urutan acb.
copyright DTE FT USU
2014
68
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
Beban pada Gambar 1 (a) dihubungkan dengan
carahubungan wye (Y). Dalam hubungan tipe Y
ini tegangannya adalah tegangan fasa netral dan
arus yang mengalir pada tiap fasa beban adalah
arus fasa netral.
Selain sumber tegangan tiga fasa dalam
sistem tenaga listrik juga ada tiga jenis
sifatbeban yaitu beban resistif, induktif dan
kapasitifdan masing-masing beban memiliki
sifat dan karakteristik
yang berbeda-beda.
Berikut akan dibahas beban resistif dan induktif.
a. Beban Resistif (R)
Beban resistif (R) yaitu beban yang terdiri
dari komponen tahanan (ohm) saja (resistance),
seperti elemen pemanas (heating element) dan
lampu pijar. Beban jenis ini hanya
mengkonsumsi beban aktif saja dan mempunyai
faktor daya sama dengan satu. Tegangan dan
arus sefasa. Persamaan daya sebagai berikut :
P =V. I ……..…….…………………(1)
Dengan
P = daya aktif yang diserap beban (Watt)
V = tegangan yang mencatu beban (Volt)
I = arus yang mengalir pada beban (Ampere)
b. Beban induktif (L)
Beban induktif (L) yaitu beban yang terdiri
dari kumparat kawat yang dililitkan pada suatu
inti, seperti coil, transformator, dan solenoida.
Beban ini dapatmengakibatkan pergeseran fasa
(phase shift)
pada arus sehingga bersifat
lagging. Hal ini disebabkan oleh energi yang
tersimpan berupa medan
magnetis akan
mengakibatkan fasa arus bergeser menjadi
tertinggal terhadap tegangan. Beban jenis ini
menyerap daya aktif dan daya reaktif.
Persamaan daya aktif untuk beban induktif
adalah sebagai berikut:
P = V I cos φ .……………………….(2)
Dengan :
P = daya aktif yang diserap beban (watt)
V = tegangan yang mencatu beban (volt)
I = arus yang mengalir pada beban (A)
φ = sudut antara arus dan tegangan
Thyristor
merupakan
komponen
semikonduktor yang berfungsi seperti dioda
namun dilengkapi dengan suatu elektrode
pengontrol (gate) yang berfungsi untuk
menerima sinyal trigger
pengatur
saat
konduktif.Thyristor tersusun dalam lapisan
PNPN. Salah satu jenis thyristor yang sering
digunakan adalah SCR (Silicon Controller
Rectifier ) yaitu jenis thyristor yang hanya dapat
menghantarkan arus dalam satu arah saja.Simbol
thyristor ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2 Simbol thyristor [3]
Thyristor merupakan komponen penyusun
rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah tiga
fasa terkontrol penuh beban R terdiri dari 6 buah
thyristor yang terpasang dalam tiga lengan,
dimana masing-masing lengan terdiri dari 2
thyristor, seperti ditunjukkan pada Gambar 3
dan menurut fungsinya setiap lengan dibagi
menjadi dua, lengan bagian atas dan lengan
bawah.
Lengan
atas
berfungsi
untuk
mengalirkan arus dalam arah maju dan bagian
bawah mengalirkan arus dalam arah balik.
Gambar 3 Rangkaian penyearah tiga fasa
terkontrol penuh beban R [4].
Bentuk-bentuk tegangan output dan input
dapat dilihat pada Gambar 4. Dari gambar
terlihat ada enam phasor yang berbeda pada
gelombang input. Setiap phasor memiliki
perbedaan sudut
penghantar 600 .Sudut
penyalaan pulsa mempunyai batas antara 600
sampai 1800 . Sudut penyalaan minim adalah 600
dan dianggap sebagai sudut penyalaan α = 0
pada 600 [4]. Dengan sudut penyalaan α = 00
dapat dijelaskan sebagai berikut, :
a. Pada saat fasor (A-B) aktif pada interval
0 <α< ⁄3SCR1 dan SCR6konduksi secara
bersamaan selama 600 ini berarti bahwa
tegangan SCR1lebih positif daripada tegangan
SCR3 dan SCR5, sedangkan SCR6 tegangannya
lebih negatif dibandingkan tegangan SCR2 dan
SCR4.
b.Berikutnya phasor (A-C) yang aktif pada
interval ⁄3<α< 2 ⁄3 ini menyatakan bahwa
SCR1dan SCR2 konduksi secara bersamaan juga
selama 600. Secara berurutan pasangan thyristor
copyright DTE FT USU
2014
69
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
yang
aktif
dapat
dinyatakan
sebagai
berikut,SCR1- SCR6, SCR2- SCR3, SCR3 –SCR4,
SCR4- SCR5, SCR5 - SCR6, dst.
Gambar 4 Bentuk gelombang tegangan suplai
dengan tegangan beban pada sudut
penyalaan yang berbeda [4].
Ditinjau dari besar sudut penyalaannya ada dua
sifat penghantar yaitu,
1. Untuk interval 0 ≤ α ≤ ⁄3(arus keluaran
kontiniu)
Tegangan beban rata-rata,
kontiniu dan tegangan keluaran turun sampai 0
pada α = 2.
Gambar 5 Rangkaian Penyearah tiga fasa
terkontrol penuh beban RL[4].
Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh
beban RL, SCR konduksi selama 1200 tidak
tergantung dari nilai α tidak seperti rangkaian
enam pulsa setengah gelombang yang mana
thyristor konduksi selama 3seperti ditunjukkan
pada Gambar 6.
= 6 2 √2E ∫
sin ( + ⁄3 )
√
=
E cos α …………..……………………(3)
Nilai rms tegangan beban
⁄
⁄
6
×2
2
=
+
√
=E 1+
=
cos 2
sin (
√
3
)
⁄
….………………(4)
2. Untuk interval π⁄3≤
keluaran diskontiniu)
Tegangan beban rata-rata
= 6 2 √2
(
+
≤ 2 π⁄3 (arus
α
Gambar 6 Bentuk gelobang keluaran tegangan
dan arus penyearah tiga fasa
terkontrol penuh beban RL [4].
Tegangan rata-rata beban,
=
⁄3 )
(1 + cos( + ⁄3)) ……………….(5)
=
Nilai rms Tegangan beban
=
6
×2
2
⁄
− + sin 2
)
+
√
(
3
)
cos ……………………….…(7)
⁄
(
3
)
⁄
=
( ⁄
6 √2
2
+
……..(6)
Dimana Eadalah harga rms tegangan line.
Sedangkan prinsip kerja penyearah tiga fasa
terkontrol penuh beban RL sama dengan
penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban
R,rangkaian penyearah tiga fasa beban RL
ditunjukkan pada Gambar 5, hanya pada beban
karakteristik keluarannya tertentu pada sudut
penyalaan yang lebih tinggi. Arus beban selalu
Tegangan keluaran rata-rata menjadi nol
pada = ⁄2 dan menjadi negatifpadainterval
⁄2 ≤ ≤ . Pada sudut tunda
> ⁄2
rangkaian
ini
akanbertindak
sebagai
inverter.Nilai rms tegangan beban,
=
6
2(
2
=
Dimana
copyright DTE FT USU
2014
( ⁄
⁄
)
)
1+
+
√
3
(
)
⁄
cos 2
……….………(8)
adalah adalah harga rms tegangan line
70
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
3.
Metode Penelitian
Penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban
resistif dan resistif induktif disimulasikan
dengan menggunakan Program Matlab dengan
diagram alir seperti pada Gambar 7. Hasil
simulasi berupa bentuk gelombang arus dan
tegangan pada beban.
Gambar 8 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 600
Gambar 9 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 600
Gambar 7 Diagram Alir Pemogram
4.
Hasil dan Analisis
Analisa yang dilakukan berdasarkan hasil
simulasi dengan menggunakan program matlab
yaitu bentuk gelombangarus dan tegangan pada
beban. Ada dua kondisi beban pada pembahsan
ini yaitu beban resistif murni (R )dan beban
resistif induktif (RL)
Untuk beban resistif simulasi dilakukan
dengan 3 variasi sudut picu yaitu 600, 750, 900.
Dari simulasi yang dilalukan diperoleh bentuk
bentuk gelombang tegangan seperti pada
Gambar 8, 10 dan 12 dan gelombang arus pada
Gambar 9, 11 dan 13.
Gambar 10 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 750
Gambar 11 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 750
copyright DTE FT USU
2014
71
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
Gambar 13 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 900
Pada sudut picu 600 arus pada beban
bersifat kontiniu namun pada sudut picu 750 dan
900 arus pada beban bersiat diskontiniu. Dari
hasil simulasi terlihat bahwa semakin besar
sudut picu maka semakin kecil bentuk
gelombang tegangan dan arus pada beban.Dan
hasil perhitungan juga menunjukkan bahwa
untuk sudut picu yang semakin besar nilai
tegangan keluaran nya semakin kecil. Berikut
perhitungan tegangan pada beban,
a. untuk sudut picu 600
Tegangan keluaran rata-rata,
adalah
Gambar 14 dan 16 dan gelombang arus seperti
pada Gambar 15 dan 17.
Gambar 14 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 750
Arus (A)
Gambar 12 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 900
Gambar 15 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 750
√
=
220 x cos 600= 148,552 Volt
Dan nilai rms tegangan keluaran,
adalah
=220 1 +
√
⁄
cos 2 60
= 168,48 Volt
0
b. untuk sudut picu 75
Tegangan keluaran rata-rata,
adalah
Tegangan keluaran rata-rata,
adalah
=
√
220 ( 1 + cos ( 750 +
⁄3 ) ) = 87,019 V
Nilai rms tegangan keluaran,
= 220
−
+ sin 2
c. untuk sudut picu 900
Tegangan keluaran rata-rata,
=
√
220 ( 1 + cos ( 900 +
Nilai rms tegangan keluaran,
6
+ 75
adalah
Gambar 16 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 900
⁄
=112,2 V
adalah
⁄3 ) )= 39,80 Volt
adalah
90 1
= 220
−
+ sin 2 + 90
3 2 4
3
= 63,77Volt
⁄
Selanjutnya simulasi dilakukan pada beban
RL untuk melihat pengaruh nilai induktansi
terhadap keluaran penyearah yaitu untuk nilai
induktansi yang besar (sampai 8 Henry) dan
untuk nilai induktansi yang kecil (sampai 0,015
Henry).
Untuk besar induktansi sampai 8 Henry
simulasi dilakukan untuk 2 variasi sudut picu
yaitu 750 dan 900 dengan hasil simulasi berupa
bentuk gelombang tegangan seperti pada
Gambar 17 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 900
Pada sudut picu 750 dan 900 terlihat bahwa
arus pada beban bersifat kontiniu hal ini
disebabkan karena nilai induktansi 8 Henry
sangat berpengaruh terhadap keluaran penyearah
karena induktansi ini akan menyebabkan arus
pada beban tetap mengalir meskipun SCR telah
dalam posisi off (sudah tidak menerima pulsa
trigger lagi). Untuk sudut picu yang semakin
besar maka tegangan pada sisi keluaran akan
copyright DTE FT USU
2014
72
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
semakin kecil. Hal ini dapat ditunjukkan melalui
hasil perhitungan berikut ini, :
a. untuk sudut picu 750
Tegangan keluaran rata-rata,
adalah
=
√
220 x cos 750= 76.89 Volt
Dan nilai rms tegangan keluaran,
=220 1 +
⁄
√
cos 2 75
= 117,20 Volt
0
b. untuk sudut picu 90
Tegangan keluaran rata-rata,
=
√
adalah
Gambar 20 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 900
0
220 x cos 90 = 0 Volt
Nilai rms tegangan keluaran,
= 220 1 +
√
⁄
cos 2 90
= 91,50 Volt.
Arus (A)
Sedangkan nilai
induktansi
sampai
0,015Henry simulasi dilakukan untuk 2 variasi
sudut picu yaitu 750 dan 900 dengan hasil
simulasi berupa bentuk gelombang tegangan
seperti pada Gambar 18 dan 20 dan gelombang
arus seperti pada Gambar 19 dan 21.
Gambar 21 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 900
Gambar 18 Bentuk gelombang tegangan pada
beban sudut picu 750
Besar induktansi yang digunakan dalam
simulasi ini adalah 0,015 Henry dengan beban
resistif 27 ohm.Pada sudut picu 750 dan 900
terlihat bahwa arus pada beban bersifat
diskontiniu hal ini disebabkan karena nilai
induktansi 0,015 Henry tidak cukup besar untuk
memaksa SCR tetap on saat SCR sudah tidak
menerima pulsa trigger lagi.
5.
Gambar 19 Bentuk gelombang arus pada beban
sudut picu 750
Kesimpulan
Dari analisis bentuk gelombang tegangan
dan arus pada beban maka dapat diambil
kesimpulan sebagai berikut,
1. Bentuk gelombang tegangan keluaran dan
arus beban penyearah tiga fasa terkontrol
penuh baik untukbeban R maupun beban RL
bergantung dari besarnya nilai tegangan
masukan , sudut triger dan sifat beban.
2. Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh
untuk beban R dan RL dengan sudut picu
600 bentuk gelombang tegangan keluaran dan
arus bebannya tidak dipengaruhi oleh sifat
beban.
3. Pada penyearah tiga fasa terkontrol penuh
beban R untuk sudut trigger lebih besar dari
600 arus beban bersifat diskontiniu , namun
pada beban RL arus beban bersifat kontiniu
tergantung pada besar induktansi bebannya.
copyright DTE FT USU
2014
73
SINGUDA ENSIKOM
6.
VOL. 7 NO. 2/Mei 2014
Daftar Pustaka
[1] Muhammad H. Rashid, Power Electronic
Handbook.Prentice-Hall InternationalInc,
1988.
[2] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan
Elektronika Daya, Gramedia Pustaka
Utama, Jakarta, 1995.
[3] Muhammad H. Rashid, Elektronika
Daya,Rangkaian, Devais, dan Aplikasinya,
Prentice-Hall InternationalInc, 1988.
[4] P.C Sen, Power Electronic, TataMcGrawhill publishing company limited,
1995.
copyright DTE FT USU
2014
74