Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Tugas Akhir
STUDI DAN SIMULASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA
PADA MASUKAN PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan
menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1)
pada Departemen Teknik Elektro
Oleh :
MALUM AMBARITA
NIM : 040 422 030
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Lembar Pengesahan
STUDI DAN SIMULASI PERBAIKAN FAKTOR DAYA
PADA MASUKAN PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Oleh :
MALUM AMBARITA
NIM : 040 422 030
Disetujui Oleh,
Dosen Pembimbing
Ir. RISWAN DINZI, MT
NIP : 131 803 348
Diketahui Oleh,
Ketua Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik
Universitas Sumatera Utara
Ir. NASRUL ABDI, MT
NIP : 131 459 554
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
ABSTRAK
Dalam tugas akhir ini dibahas metode perbaikan faktor daya pada masukan
penyearah satu fasa dioda jembatan (brigde) dengan memakai filter parallel-resonant.
Bila dibandingkan dengan penyearah dioda jembatan metode konvensional, penerapan
metode filter parallel-resonant menunjukkan bahwa faktor daya masukan penyearah
dijaga tetap tinggi sedangkan nilai rating dari komponen reaktif filter dan tekanan arus
penyearah lebih kecil. Nilai komponen filter diperoleh dengan perhitungan untuk
mendapatkan hasil yang optimal dari unjuk kerja penyearah. Bentuk gelombang dan
nilai dari arus dan tegangan penyearah diperoleh dari simulasi komputer menggunakan
SIMULINK. Data yang diperoleh dari simulasi digunakan untuk menghitung parameter-
parameter unjuk kerja penyearah.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan kepada
Penulis berkat dan karuniaNya kepada penulis kesehatan, ilmu pengetahuan, kecukupan
dana dan waktu untuk menyelesaikan tugas akhir ini. Adapun judul tugas akhir ini
adalah “ Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah
Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant.
Tugas akhir ini dibuat sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan sarjana
di Departeman Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
Tugas akhir ini Penulis persembahkan kepada orang tua penulis, A. Ambarita dan
B.O Siboro (+) juga kepada Abang, Kakak dan Adikku yang telah memberikan
dukungan moral, saran dan materi yang sangat berarti.
Dengan terselesaikannya tugas akhir ini penulis, mengucapkan banyak terima
kasih kepada pihak yang telah memberikan bantuan. Adapun pihak-pihak itu adalah :
1. Bapak Ir. Nasrul Abdi MT, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro
Universitas Sumatera Utara.
2. Bapak Rahmad Fauzi ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro
Universitas Sumatera Utara
3. Bapak Ir. Riswan Dinzi MT, selaku Pembimbing Tugas Akhir atas segala
bimbingan dan motivasinya.
4. Bapak Soeharwinto ST, MT selaku dosen wali penulis.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
5. Seluruh staf pengajar khususnya konsentrasi Teknik Energi Elektrik
Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
6. Semua pegawai pada Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.
7. Rekan-rekan mahasiswa program pendidikan sarjana ekstensi di Departeman
Teknik Elektro angkatan 2004 khususnya Jhon P.M, Marudut Limbong, Sukra
Zainuddin dan Rahmad Zulfahri yang telah memberikan bantuan.
8. Semua pihak yang tidak tersebutkan yang turut membantu penyelesaian tugas
akhir ini.
Kesempurnaan tiada batas, namun penulis telah melakukan dengan setia setiap usaha
yang mungkin untuk memberikan yang terbaik dalam penyusunan tugas akhir ini.
Semoga tugas akhir ini bermanfaat.
Medan, Juni 2008
Penulis
Malum AMBARITA
NIM : 040 422 030
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
DAFTAR ISI
Abstrak ............................................................................................... i
Kata Pengantar ................................................................................... ii
Daftar Isi ............................................................................................ iv
Daftar Gambar .................................................................................... vii
Daftar Tabel ....................................................................................... ix
BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................. 1
I.1 Latar belakang ............................................................................... 1
I.2 Tujuan Penulisan ........................................................................... 1
I.3 Manfaat Penulisan ......................................................................... 3
I.4 Batasan Masalah ............................................................................ 2
I.5 Metodologi penulisan .................................................................... 3
I.6 Sistematika penulisan .................................................................... 3
BAB II
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN (BRIDGE) ...... 5
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
II.1 Umum .......................................................................................... 5
II.2 Dioda Daya .................................................................................. 6
II.2.1 Karakteristik Dioda ................................................................... 6
II.2.2 Tipe Dioda Daya ....................................................................... 8
II.3 Penyearah satu fasa dioda jembatan .............................................. 8
II.4 Beban non linier dan akibatnya pada jaringan distribusi listrik...... 11
II.5 Faktor daya sumber AC ................................................................ 12
II.6 Parameter unjuk kerja penyearah .................................................. 14
BAB III
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN DENGAN
MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT ............................. 16
III.1 Metode konvensional perbaikan faktor daya ................................ 16
III.2 Menentukan nilai komponen filter pada metode konvensional ..... 21
III.3 Contoh disain filter ..................................................................... 23
III.4 Metode filter parallel-resonant pada penyearah satu fasa
dioda jembatan ........................................................................... 25
III.5 Menentukan nilai komponen filter parallel-resonant ................... 27
III.6 Contoh disain filter ..................................................................... 29
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
BAB IV
SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK
KERJA PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN .......... 34
IV.1 SIMULINK ................................................................................ 34
IV.2 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan
metode konvensional.................................................................. 34
IV.3 Langkah-langkah simulasi metode konvensional ......................... 35
IV.4 Data hasil simulasi dengan metode konvensional ........................ 35
IV.5 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan
metode konvensional................................................................... 38
IV.6 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan
metode filter parallel-resonant ................................................... 39
IV.7 Langkah-langkah simulasi metode filter parallel-resonant .......... 40
IV.8 Data hasil simulasi dengan metode filter parallel-resonant ......... 43
IV.9 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan
metode filter parallel-resonant ................................................... 43
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................... 47
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
V.1 Kesimpulan .................................................................................. 47
V.2 Saran ............................................................................................ 47
Daftar Pustaka
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 ......................................................................................... 6
Gambar 2.2 ......................................................................................... 7
Gambar 2.3 ......................................................................................... 8
Gambar 2.4 ......................................................................................... 9
Gambar 2.5 ......................................................................................... 9
Gambar 2.6 ......................................................................................... 11
Gambar 2.7 ......................................................................................... 13
Gambar 2.8 ......................................................................................... 13
Gambar 3.1 ......................................................................................... 16
Gambar 3.2 ......................................................................................... 17
Gambar 3.3 ......................................................................................... 17
Gambar 3.4 ......................................................................................... 18
Gambar 3.5 ......................................................................................... 19
Gambar 3.6 ......................................................................................... 19
Gambar 3.7 ......................................................................................... 20
Gambar 3.8 ......................................................................................... 21
Gambar 3.9 ......................................................................................... 21
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.10 ....................................................................................... 22
Gambar 3.11 ....................................................................................... 24
Gambar 3.12 ....................................................................................... 24
Gambar 3.13 ....................................................................................... 28
Gambar 3.14 ....................................................................................... 28
Gambar 3.15 ....................................................................................... 30
Gambar 3.16 ....................................................................................... 31
Gambar 4.1 ......................................................................................... 36
Gambar 4.2 ......................................................................................... 37
Gambar 4.3 ......................................................................................... 37
Gambar 4.4 ......................................................................................... 41
Gambar 4.5 ......................................................................................... 42
Gambar 4.6 ......................................................................................... 42
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 ............................................................................................ 45
Tabel 4.2 ............................................................................................ 45
Tabel 4.3 ............................................................................................ 46
Tabel 4.4 ............................................................................................ 46
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Kebutuhan akan pengendalian, pengkondisian dan konversi daya elektrik dari
satu bentuk ke bentuk yang lain telah ada sejak lama. Hal ini terus meningkat yang
diukur dalam kapasitas daya, kecepatan proses yang tinggi dan biaya yang rendah.
Teknologi elektronika daya memungkinkan hal ini untuk dicapai. Salah satu bentuk
konversi daya elektrik adalah pengubahan tegangan bolak-balik (AC) menjadi tegangan
searah (DC) menggunakan penyearah (rectifier) satu fasa dioda jembatan.
Kinerja penyearah dinyatakan dalam parameter-parameter unjuk kerja. Unjuk
kerja penyearah satu fasa dengan metode konvensional biasanya rendah, tapi dapat
diperbaiki dengan menambahkan filter kapasitif-induktif yang terhubung paralel
(parallel-resonant) pada sisi masukan penyearah. Nilai dari komponen filter LC
ditentukan dengan perhitungan untuk mendapatkan unjuk kerja yang optimal dari
penyearah.
Uji coba dengan simulasi komputer pada beberapa jenis pembebanan dilakukan
untuk mendapatkan bentuk gelombang dan nilai dari arus dan tegangan untuk
menunjukkan perbaikan unjuk kerja penyearah.
I.2 Tujuan Penulisan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Adapun manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Untuk menentukan sifat dan karakterisrik pada keadaan tunak (steady state) dari
penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu
fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant.
2. Untuk menentukan nilai komponen filter yang sesuai agar diperoleh hasil yang
optimal dari parameter-parameter unjuk kerja penyearah.
3. Untuk membuat simulasi komputer dengan SIMULINK dari penyearah satu fasa
dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda jembatan
dengan memakai filter parallel-resonant pada beberapa variasi nilai beban .
I.3 Manfaat Penulisan
Adapun manfaat penulisan Tugas Akhir ini adalah :
1. Diharapkan tulisan ini bermanfaat bagi penulis, serta orang yang berminat
membaca tulisan ini.
2. Juga bermanfaat bagi masyarakat khususnya industri yang membahas hal yang
sama
I.4 Batasan Masalah
Tulisan ini hanya membahas permasalahan yang mencakup tentang :
1. Bagaimana sifat dan karakterisrik pada keadaan tunak (steady state) dari
penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu
fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
2. Bagaimana menentukan nilai komponen filter yang sesuai agar diperoleh hasil
yang optimal dari parameter-parameter unjuk kerja penyearah.
3. Bagaimana membuat simulasi komputer dengan SIMULINK dari penyearah satu
fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyerah satu fasa dioda
jembatan dengan memakai filter parallel-resonant pada beberapa variasi nilai
beban.
I.5 Metodologi Penulisan
Studi dan simulasi perbaikan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan
dengan memakai filter parallel-resonant ini dilakukan Penulis dengan memakai
berbagai cara agar dapat ditunjukkan parameter perbaikan unjuk kerja penyearah.
Adapun cara yang dilakukan adalah :
1. Melakukan suatu studi literatur (kepustakaan) melalui sejumlah artikel dan
buku – buku yang berhubungan dengan topik yang dibahas.
2. Konsultasi dengan Dosen Pembimbing.
3. Membuat simulasi komputer dengan SIMULINK untuk mendapatkan nilai-nilai
dan bentuk gelombang dari arus, tegangan dan daya sebagai pengganti
percobaan laboratorium
I.6 Sistematika Penulisan
Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :
BAB I : PENDAHULUAN
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang, tujuan
penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metodologi penulisan dan
sistematika penulisan.
BAB II : PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
Bab ini menjelaskan tentang dioda, penyearah satu fasa dioda jembatan secara
umum, parameter-parameter unjuk kerja dari penyearah.
BAB III : PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN DENGAN
MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Bab ini menjelaskan tentang penyearah satu fasa dioda jembatan dengan metode
konvensional dan dengan metode filter parallel-resonant serta menentukan nilai
komponen filter yang digunakan untuk metode konvensional dan metode filter parallel-
resonant.
BAB IV. SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK KERJA
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN.
Bab ini berisi tentang gambar rangkaian simulasi komputer dengan SIMULINK untuk
penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional dan penyearah satu fasa dioda
jembatan dengan memakai filter parallel-resonant. Dari simulasi ini diperoleh bentuk
gelombang dan nilai arus dan tegangan untuk perhitungan parameter-parameter unjuk
kerja penyearah.
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Bab ini berisi kesimpulan dan saran tugas akhir ini.
BAB II
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN (BRIDGE)
II.1 Umum
Sebuah penyearah (Rectifier) mengacu pada proses pengubahan sinyal bolak-
balik (AC) menjadi sinyal searah (DC) menggunakan dioda daya. Tujuan dari suatu
penyearahan adalah menghasilkan suatu keluaran yang mendekati searah (DC) atau
menghasilkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang mengandung komponen DC
dengan spesifikasi tertentu. Berdasarkan jumlah dioda yang digunakan, ada tiga jenis
penyearah satu fasa dioda, yaitu :
1. Penyearah satu fasa dioda setengah gelombang
2. Penyearah satu fasa dioda gelombang penuh dengan transformator tap tengah
(center-tapped)
3. Penyearah satu fasa dioda gelombang penuh jembatan
Dari ketiga jenis penyearah satu fasa dioda, yang umum digunakan adalah
penyearah satu fasa dioda jembatan (bridge). Hal ini disebabkan karena penyearah satu
fasa setengah gelombang mengandung persentase riak yang besar, efisiensi yang rendah
dan faktor penggunaan transformator yang rendah. Keuntungan lain pemakaian
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
penyearah satu fasa dioda gelombang penuh jembatan dibandingkan dengan penyearah
satu fasa gelombang penuh dengan transformator tap tengah adalah berkurangnya
tegangan puncak balik (peak inverse voltage) tiap dioda dan meningkatnya faktor
penggunaan transformator pencatu penyearah.
Istilah jembatan mengacu pada kesamaan bentuk hubungan dioda yang
digunakan pada rangkaian dasar jembatan. Kualitas penyearah satu fasa dioda jembatan
diukur dengan parameter-parameter penyearahan.
II.2 Dioda Daya
Dioda daya adalah komponen penting dalam rangkaian penyearah. Pada suatu
penyearah, sebuah dioda berperan sebagai suatu saklar. Agar mudah, dioda biasanya
dianggap ideal, artinya jatuh tegangan maju (forward voltage drop) dan waktu
pemulihan mundur (reverse recovery time) diabaikan.
II.2.1 Karakteristik Dioda
Sebuah dioda daya adalah mirip dengan dioda sinyal yang terdiri komponen
sambungan-pn (pn-junction) dua terminal. Dibandingkan dioda sinyal, dioda daya
memiliki daya yang besar, kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih besar
dibandingkan dengan dioda sinyal. Simbol dioda dan penampang sebagian dari sebuah
sambungan-pn ditunjukkan pada Gambar 2.1.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
p n
v v
katodaanoda anoda katoda
-+ -+
ii
(a) Sambungan-pn (b) Simbol dioda
Gambar 2.1 Sambungan-pn dan simbol dioda
Bila potensial anoda lebih positip terhadap katoda maka dioda terbias maju dan
terkonduksi. Dalam kondisi ini dioda memiliki jatuh tegangan maju yang kecil dimana
besarnya tergantung proses manufakturnya dan temperatur sambungan. Ketika potensial
katoda lebih positip terhadap anoda, dioda dikatakan terbias mundur. Pada kondisi ini,
sebuah arus mundur kecil (disebut juga arus bocor) dalam rentang mikro atau mili
ampere mengalir dan arus bocor ini akan bertambah secara perlahan sesuai dengan
peningkatan tegangan zener atau tegangan avalanche tercapai. Gambar 2.2
menunjukkan karakteristik dioda secara ideal dan praktek.
Dari karakteristik tersebut :
ID = Arus yang melalui dioda
VD = Tegangan dioda dengan anoda positip terhadap katoda
IS = Arus bocor (saturasi balik), biasanya bernilai 10-6 sampai 10-15 Ampere.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
ArusBocor mundur
o-VBR
o
VD
ID
i i
v v
(a) Karakteristik Praktek (b) Karakteristik Ideal
Gambar 2.2 Karakteristik v-i dioda
II.2.2 Tipe Dioda Daya
Beberapa tipe dioda daya berdasarkan teknik pembuatannya adalah :
1. Dioda standar atau dioda serbaguna
Sebuah dioda serbaguna mencakup tingkat arus mulai kurang dari satu ampere
sampai beberapa ribu ampere, dengan tingkat tegangan antara 50 volt sampai
sekitar 5 kV.
2. Dioda pemulihan cepat
Dioda ini mencakup tingkat arus mulai kurang dari satu ampere sampai ratusan
ampere dengan tingkat tegangan mulai 50 volt sampai 3 kV.
3. Dioda Schottky
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Sebuah dioda Schottky memiliki tegangan jatuh maju yang relatif kecil. Tingkat arus
dioda ini bervariasi dari 1 sampai 300 ampere dengan tegangan maksimum biasanya
hanya 100 volt. Beberapa gambar dioda ditunjukkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 Beberapa contoh dioda
II.3 Penyearah satu fasa dioda jembatan
Keunggulan utama dari penyearah satu fasa dioda jembatan dibandingkan
dengan jenis penyearah yang lain adalah turunnya tegangan puncak balik (peak inverse
voltage) dari tiap dioda dan meningkatnya faktor utilisasi dari transformator catu.
Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Vp Vs
D4 D2
D3D1
Vo
+io
-
A
B
is
Cf
Beban
Gambar 2.4 Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
2π
ωt
ωt
2π
π
π0
0
Vm
Vs
Vo
Vm
Gambar 2.5 Bentuk gelombang tegangan masukan (bagian atas),
bentuk gelombang tegangan keluaran (bagian bawah).
Cara kerja rangkaian adalah sebagai berikut.
Bila terminal A sekunder transformator positip terhadap terminal B, arus mulai
mengalir dari terminal A, lewat dioda-1, beban tahanan, dioda-2 dan menuju terminal B.
Sebaliknya bila terminal B sekunder transformator positip terhadap terminal A, arus
mengalir dari terminal B, lewat dioda-3, beban tahanan, dioda-4 dan menuju terminal A.
Jadi pada setiap setengah siklus, rangkaian menyediakan jalan untuk aliran arus pada
arah alternatif melalui catu, tapi pada arah yang sama melalui beban. Bentuk gelombang
tegangan masukan dan keluaran penyearah satu fasa dioda jembatan untuk beban resistif
ditunjukkan pada Gambar 2.5.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Suatu kapasitor Cf ditempatkan pada sisi keluaran penyearah pada Gambar 2.4.
Misalkan kapasitor awalnya tidak bermuatan dan kemudian rangkaian dienergi
(energized) pada ωt = 0 dan dioda terbias maju pada saat sumber positip. Bersamaan
dengan dioda yang konduksi (on), tegangan keluaran sama dengan tegangan sumber dan
kapasitor dimuati (charges). Kapasitor dimuati sampai bernilai Vm pada saat tegangan
masukan mencapai nilai puncak positip pada ωt = π/2. Pada saat tegangan sumber mulai
turun setelah ωt = π/2, kapasitor melepas muatan (discharges) ke beban. Pada saat
bersamaan tegangan sumber menjadi lebih kecil dari tegangan keluaran, membuat dioda
terbias mundur dan mengisolasi beban dari sumber. Bersamaan dengan dioda off,
tegangan keluaran meluruh (decaying) secara eksponensial dengan konstanta waktu RC
dari kapasitor.
Jadi dengan menempatkan kapasitor pada sisi keluaran penyearah, tegangan
keluaran penyearah tidak pernah bernilai nol sehingga mengurangi riak tegangan
keluaran penyearah. Bentuk gelombang keluaran menjadi seperti Gambar 2.6
2ππ0
Vo
Vm
ωπ
∆vo
π/2
Gambar 2.6 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan filter kapasitor.
Besarnya ΔVo dihitung dengan pers. (2.1) yaitu,
ΔVo = ripple % x Vm (pers.2.1)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
II.4 Beban non linier dan akibatnya pada jaringan distribusi listrik
Penyearah dioda frekuensi jala-jala (line frequency) mengubah tegangan
masukan bolak-balik menjadi tegangan keluaran searah. Bentuk gelombang arus jala-
jala tergantung pada jenis beban yang dicatu penyearah. Beban penyearah satu fasa
umumnya adalah peralatan elektronik seperti televisi, peralatan kantor, battery charger,
electronic ballasts sampai pemakaian di industri untuk tingkatan daya rendah.
Secara umum beban adalah bersifat non linier, sehingga akan menghasilkan
bentuk gelombang arus jala-jala yang tidak sinusoidal, sedangkan beban membutuhkan
suatu catu tegangan dengan kandungan riak (ripple) yang rendah. Bentuk gelombang
yang tajam (narrow) dari arus jala-jala akan mengurangi unjuk kerja dari penyearah.
Beberapa akibatnya adalah kandungan harmonisa yang tinggi, faktor daya yang rendah,
pemanasan berlebihan pada peralatan, rugi-rugi bertambah, dan distorsi tegangan jala-
jala melalui impedansi jala-jala. Adanya distorsi tegangan jala-jala akan mempengaruhi
beban lain yang terhubung ke jaringan distribusi listrik.
II.5 Faktor daya sumber AC
Memperbaiki bentuk gelombang dari arus jala-jala dibutuhkan untuk
mengurangi harmonisa arus jala-jala, dengan demikian akan memperbaiki faktor daya
masukan penyearah. Ada beberapa cara untuk memperbaiki faktor daya penyearah satu
fasa dioda jembatan, yaitu metode pasif dan metode aktif. Metode aktif adalah memakai
saklar aktif (yang diatur dengan pengendali luar) bersamaan dengan komponen reaktif
untuk meningkatkan keefektipan bentuk gelombang arus jala-jala dan menghasilkan
tegangan keluaran yang dapat dikendalikan. Metode pasif adalah penambahan elemen
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
pasif (kapasitor dan induktor) pada rangkaian dioda penyearah jembatan untuk
memperbaiki bentuk gelombang arus jala-jala tanpa dapat mengatur nilai tegangan
keluaran penyearah.
Faktor daya, PF, diartikan sebagai perbandingan antara daya aktif (active power)
P dengan daya semu (apparent power) S.
PF = SP =
VAWatt (pers.2.2)
Arus dan tegangan pada masukan penyearah diharapkan sefasa untuk mendapatkan
faktor daya satu (unity power factor). Induktor dengan nilai tertentu yang dipasang pada
masukan penyearah diperlukan untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan
penyearah, namun induktor ini akan menyebabkan arus tertinggal (lagging) terhadap
tegangan. Induktor akan menyebabkan daya reaktif tertinggal (lagging VAR) seperti
ditunjukkan pada Gambar 2.7(a). Semakin besar daya reaktif tertinggal akan
menyebabkan sudut ΦL semakin besar sehingga VA masukan penyearah juga bertambah
besar. Dari pers. 2.2 diatas semakin besar VA masukan penyearah maka faktor daya
masukan penyearah akan semakin kecil.
VA
VWatt
ΦL
ΦC
VAR VAR
Watt
VA
VI
I
(a) (b)
Gambar 2.7 Vektor diagram (a) VAR tertinggal dan (b) VAR mendahului
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Untuk memperkecil VA maka daya reaktif tertinggal harus dikurangi dengan memasang
kapasitor pada masukan penyearah. Suatu kapasitor akan menyebabkan daya reaktif
mendahului (leading VAR) seperti pada Gambar 2.7(b). Semakin besar sudut ΦC maka
semakin besar pula daya reaktif mendahului. Jadi, pada masukan penyearah dengan
memasang induktor akan memperbaiki bentuk gelombang arus masukan dan
pemasangan kapasitor akan mengurangi daya reaktif tertinggal sebagai akibat
pemasangan induktor tersebut seperti tampak pada Gambar 2.8 berikut.
VARCapasitive
VA1
VA2
VAR1
VAR2 Φ1
Φ2
Gambar 2.8 Vektor diagram untuk perbaikan faktor daya.
Dari Gambar 2.8 tampak bahwa VA1 akan lebih kecil dari VA2 karena VAR1 sudah
berkurang sebesar VAR capasitive menjadi VAR2 setelah pemasangan kapasitor.
Dengan demikian akan memperbesar faktor daya (PF) masukan penyearah.
II.6 Parameter Unjuk Kerja Penyearah
Meskipun tegangan keluaran penyearah pada Gambar 2.5 adalah searah (DC),
bentuknya tidak kontinu (karena tegangan keluaran pernah bernilai nol) dan efisiensi
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
penyearahan yang rendah. Kualitas pemrosesan daya penyearah memerlukan arus
masukan, arus keluaran dan tegangan keluran. Parameter-parameter unjuk kerja suatu
penyerah dihitung sebagai berikut:
Nilai rata-rata tegangan keluaran, VDC
Nilai rata-rata arus keluaran, IDC
Keluaran daya DC, PDC = VDC IDC (pers. 2.3)
Nilai rms tegangan keluaran, Vrms
Nilai rms arus keluaran, Irms
Daya keluaran AC, PAC = Vrms Irms (pers.2.4)
Efisiensi sebuah penyearah, η = AC
DC
PP
(pers.2.5)
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran adalah :
VAC = 22DCrms VV − (pers.2.6)
Faktor bentuk (Form Factor, FF) yang mengukur bentuk tegangan keluaran.
FF = DC
rms
VV
(pers.2.7)
Faktor riak (Ripple Factor, RF) yang mengukur kandungan riak.
RF = DC
AC
VV
(pers.2.8)
Faktor penggunaan transformator, (Transformer Utilization Factor, TUF)
TUF = ss
DC
IVP
(pers.2.9)
Dengan VsIs adalah nilai rms dari tegangan dan arus transformator.
Faktor daya (Power factor, PF) masukan penyearah dihitung dengan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
PF = ϕCosIVIV
SS
SS 1 (pers.2.10)
dengan VS adalah nilai efektif tegangan masukan
IS1 adalah nilai efektif komponen dasar arus saluran
IS adalah nilai efektif arus saluran non sinusoidal
Cos φ adalah sudut pergeseran antara arus dan tegangan
BAB III
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
DENGAN MEMAKAI FILTER PARALLEL-RESONANT
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
III.1 Metode konvensional perbaikan faktor daya
Penyearah pada Gambar 2.4 mengandung arus yang non sinusoidal karena beban
penyearah yang non linier. Tegangan hasil penyearahan mengandung riak yang besar.
Untuk mencapai kandungan riak yang rendah dapat dilakukan dengan penambahan
kapasitor Cf pada sisi keluaran penyearah yang bernilai besar, seperti tampak pada
Gambar 3.1.
Vp Vs
D4 D2
D3D1
Vo
+io
-
A
B
is
Cf
Beban
Gambar 3.1 Rangkaian penyearah satu fasa dioda jembatan
dengan memakai filter kapasitor Cf
Dengan memakai kapasitor Cf bernilai besar, interval konduksi dari dioda
penyearah menjadi pendek tetapi arus jala-jala mengandung bentuk gelombang yang
tajam (narrow). Misalkan pada Gambar 3.1 diatas nilai VS = 230 Volt dan beban 200
Watt dengan nilai filter Cf = 470 μF maka bentuk gelombang arus jala-jala (masukan)
tampak pada Gambar 3.2 sedangkan bentuk gelombang tegangan keluaran tampak
seperti pada Gambar 3.3.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.2 Bentuk gelombang arus masukan dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 470 μF dari Gambar 3.1.
Gambar 3.3 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 470 μF dari Gambar 3.1.
Cara mudah untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan, tanpa
komponen tambahan adalah dengan menggunakan kapasitor Cf bernilai yang lebih
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
rendah pada sisi keluaran. Bila hal ini dilakukan, riak tegangan keluaran bertambah dan
interval konduksi dioda penyearah bertambah. Misalkan pada Gambar 3.1 diatas nilai
VS = 230 Volt dan beban 200 Watt dengan memakai filter kapasitor yang bernilai lebih
kecil, yaitu Cf = 68 μF maka bentuk gelombang arus masukan tampak pada Gambar 3.4
sedangkan bentuk gelombang tegangan keluaran tampak pada Gambar 3.5.
Gambar 3.4 Bentuk gelombang arus masukan dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 68 μF dari Gambar 3.1.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.5 Bentuk gelombang tegangan keluaran dengan VS = 230 Volt,
beban 200 Watt dan Cf = 68 μF dari Gambar 3.1.
Metode sederhana untuk memperbaiki bentuk gelombang arus masukan adalah
dengan menambahkan suatu induktor pada sisi keluaran penyearah seperti pada Gambar
3.6. Metode ini disebut dengan metode konvensional.
D4 D2
D3D1
RL VL
ILIs
Cf
LfIo
Vs
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.6 Penyearah dioda jembatan dengan induktor pada sisi keluaran.
Misalkan pada Gambar 3.6 diatas, untuk nilai VS = 230 Volt, beban resistansi
R = 500 Ω, filter Cf = 470 μF dan filter Lf = 1000 mH. Bentuk gelombang arus dan
tegangan masukan tampak pada Gambar 3.7.
Gambar 3.7 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk Gambar 3.6 dengan
VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 μF dan Lf = 1000 mH.
Filter induktor juga dapat ditempatkan pada sisi masukan penyearah pada
Gambar 3.8. Metode ini disebut dengan metode standar. Dengan cara ini untuk nilai
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
VS = 230 Volt, beban resistansi R = 500 Ω, filter Cf = 470 μF dan filter Lf = 130 mH,
bentuk gelombang arus dan tegangan masukan tampak pada Gambar 3.9.
Vs
D4 D2
D3D1
RL VL
ILIs
Cf
Lf Io
Gambar 3.8 Penyearah dioda jembatan dengan induktor pada sisi masukan.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.9 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk Gambar 3.8 dengan
VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 μF dan Lf = 130 mH
Jadi, dengan memakai filter induktansi Lf yang nilainya besar (dengan metode
konvensional maupun metode standar), arus induktor akan kontinu namun gelombang
arus masukan sistem Is akan berbentuk persegi (square shape) seperti pada Gambar 3.7.
Dengan metode konvensional maupun standar untuk VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf =
470 μF dan Lf = 1000 mH cukup memberikan faktor daya masukan yang baik pada
penyearah satu fasa dioda jembatan yakni sebesar 0,906 namun metode ini memakai
nilai komponen fiter yang besar.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Bila filter induktansi Lf bernilai rendah arus masukan sistem Is akan beroperasi
pada mode diskontinu karena arus masukan akan bernilai nol sebelum ωt = π. Untuk
nilai Lf yang sangat rendah, bentuk gelombang arus masukan sangat tajam dan berada
hampir di tengah dari bentuk gelombang setengah siklus tegangan seperti tampak pada
Gambar 3.10.
Gambar 3.10 Bentuk gelombang arus masukan penyearah dengan nilai filter Lf yang
rendah untuk metode konvensional (bagian atas) dan metode standar (bagian bawah)
Arus masukan Is mengandung komponen harmonisa ketiga dengan besaran yang patut
dipertimbangkan, karena hal ini adalah penyebab utama rendahnya faktor daya masukan
penyearah. Dari hasil simulasi untuk VS = 230 V, R = 500 ohm, Cf = 470 μF dan Lf =
68 mH faktor daya maksimum yang dapat dicapai adalah sebesar 0,735. Jadi dengan
memakai filter induktor bernilai rendah akan menyebabkan rendahnya faktor
daya masukan dari penyearah.
Tentu saja dibutuhkan filter untuk menghilangkan komponen harmonisa ketiga
dari arus masukan Is untuk memperbaiki faktor daya masukan. Dengan kata lain, suatu
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
filter induktor dengan ukuran besar dibutuhkan untuk memperbaiki faktor daya
masukan penyearah. Namun demikian, filter induktor dengan ukuran besar
mempunyai dampak negatif sehubungan dengan bertambahnya pengaturan pada
tegangan keluaran dan kurang ekonomisnya sistem.
Untuk Gambar 3.6 dan Gambar 3.8 diatas, nilai arus rata-rata beban adalah :
IDC = L
L
RV pers.(3.1)
Keluaran penyearah satu fasa dioda jembatan hanya mengandung komponen harmonisa
genap (even harmonics) dan yang dominan adalah harmonisa orde ke-2 yang
frekuensinya bernilai 2f (120 Hz).
III.2 Menentukan nilai komponen filter pada metode konvensional
Ada beberapa asumsi yang dipakai dalam menentukan komponen filter masukan
dengan metode pada Gambar 3.6 di atas, antara lain :
1. Sumber AC Vs dianggap ideal
2. Rugi-rugi induktor Lf, rangkaian jembatan dan kapasitor Cf dianggap tidak ada.
3. Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya.
Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan Ei, tegangan keluaran VL dan daya keluaran
Po dinyatakan dalam per unit (pu).
Hubungan antara tegangan keluaran VL, nilai induktor Lf dan daya keluaran Pr
ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.11 berikut.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.11 Hubungan antara filter Lf, daya beban Pr dan tegangan beban VL untuk
metode konvensional
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban VL untuk
metode penyearah pada Gambar 3.6 adalah seperti Gambar 3.12 berikut.
Gambar 3.12 Hubungan faktor daya dan tegangan beban VL dengan metode
Konvensional
Dari grafik pada Gambar 3.11 dan Gambar 3.12 tampak bahwa nilai filter Li pada faktor
daya masukan maksimum untuk beban 1.0 pu adalah 0.1 pu.
Nilai komponen filter Cf ditentukan dengan rumus :
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Cf = %)(22
100 2,
ripplexxxxVxI
pL
o
ω pers.(3.2)
Pada pers.3.2 diatas, nilai Io2, VL, dan ω dinyatakan dalam per unit.
Nilai VLp pada pers. (3.2) diatas ditentukan dari Gambar 3.12.
Sedangkan nilai Io,2 adalah arus riak untuk frekuensi 2f (120 Hz) yang besarnya adalah :
Io,2 = 2Z
VV om ∆− pers.(3.3)
Nilai ΔVo diperoleh dari pers.(2.1) sedangkan nilai Z2 adalah impedansi untuk
harmonisa orde ke-2 yang besarnya :
Z2 = 22 )2( LR ω+ (pers.3.4)
III.3 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode
konvensional.
Ei = 1.0 pu
Pr = 1.0 pu
VL = 1.0 pu
Beban penyearah adalah 5000 W ≡ 1.0 pu, dengan tegangan masuk E i = 208 V rms ≡
1.0 pu dan riak tegangan beban 5% dan frekuensi tegangan masuk 60 Hz.
Dari nilai diatas :
1 pu arus = VP =
2085000 = 24,04 Amp
1 pu impedansi = IV =
04,24208 = 8,65 Ω
1 pu ωt = 2πf = 377 rad/detik
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
1 pu induktansi = 377
65,8 = 23 mH
1 pu kapasitansi = 37765,8
1x
= 306,65 μF
Dengan memperhatikan Gambar 3.12 tampak bahwa faktor daya maksimum pada
tegangan beban 1,1 pu. Dari Gambar 3.11 untuk daya 1,0 pu pada tegangan beban 1,1
pu diperoleh nilai induktansi 0,1 pu.
Sehingga nilai filter induktansi sebenarnya adalah :
Lf = 0,1 x 23 mH
= 2,3 mH
Masih dari Gambar 3.12, untuk faktor daya maksimum maka tegangan keluaran VL
(DC) adalah sekitar 1,12 pu.
Maka nilai tegangan VL = 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Untuk riak tegangan keluaran 5% maka ΔVo dihitung dengan pers. (2.1)
ΔVo = 0,05 x 2 x 208
= 14,7 Volt
Nilai impedansi Z2 dihitung dengan pers.(3.4)
Z2 = 22 )2( LR ω+
= 232 )103,23772(65,8 −+ xxx
= 8,822 Ω
Maka nilai Io,2 sesuai pers.(3.3)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Io,2 = 2Z
VV om ∆−
= 822,8
7,142082 −x
= 31,67 Amp ≡ 1,317 pu
Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2)
Cf = %)(22
100 2,
ripplexxxxVxI
Lp
o
ω
51212,12317,1100
xxxxx
= 8,31 pu
Maka nilai Cf sebenarnya = 8,31x306,65
= 2549,48 μF
III.4 Metode filter parallel-resonant pada penyearah satu fasa dioda jembatan
Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai filter parallel-resonant
ditunjukkan pada Gambar 3.13 berikut. Metode filter parallel-resonant pada penyearah
satu fasa dioda jembatan membantu mengurangi kelemahan-kelemahan pada metode
konvensional maupun metode standar. Misalkan pada Gambar 3.13, untuk nilai VS =
230 Volt, beban resistansi RL = 500 ohm, filter Cf = 470 μF dan filter Lr = 240 mH
serta Cr = 4.7 μF bentuk gelombang arus masukan penyearah adalah seperti pada
Gambar 3.12.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Vs
D4 D2
D3D1
RL VL
ILIs
Cf
Lr
Cr
Io
Gambar 3.13 Penyearah satu fasa dioda jembatan dengan filter parallel-resonant
Gambar 3.14 Bentuk gelombang arus masukan (bagian atas) dan tegangan masukan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
(bagian bawah) dari penyearah pada Gambar 3.13
Metode ini menghasilkan bentuk gelombang arus masukan dengan kualitas lebih
baik dibandingkan dengan dua cara pada Gambar 3.6 maupun Gambar 3.8 diatas.
Dengan cara ini akan dapat memperbaiki bentuk gelombang arus masukan seperti
tampak pada Gambar 3.14, sekaligus memperbaiki faktor daya masukan,
mengurangi tekanan arus penyearah dan menurunkan rating komponen filter.
Dengan adanya filter parallel-resonant L-C pada nilai yang sesuai, maka filter
akan menghasilkan suatu impedansi yang infinite terhadap komponen harmonisa ketiga
dari arus masukan.
III.5 Menentukan nilai komponen filter parallel-resonant
Komponen harmonisa ke-3 dari impedansi ekivalen pada filter parallel-resonant
diberikan dengan :
3XLr = 3CrX
atau Cr = rL29
1ω
(pers.3.5)
Impedansi total dari rangkaian, ZTOT adalah :
CrLrTOT ZZZ111
+= (pers.3.6)
Dimana untuk harmonisa orde ke-2 dengan frekuensi 2f (120 Hz) maka nilai impedansi
L dan C adalah :
ZLr = 2ωLr (pers.3.7)
ZCr = rCω2
1 (pers.3.8)
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Ada beberapa asumsi yang dipakai pada analisa filter masukan dengan metode pada
Gambar 3.13 di atas, antara lain :
1. Sumber AC Vs dianggap ideal
2. Rugi-rugi dari induktor Li, rangkaian jembatan dan kapasitor Cf dianggap tidak
ada.
3. Beban dimodelkan dengan tahanan yang bervariabel nilainya.
Dalam perhitungan, nilai tegangan masukan Vs, tegangan keluaran VL dan daya
keluaran Po dinyatakan dalam per unit (pu).
Hubungan antara tegangan keluaran VL, nilai induktor Lr dan daya keluaran Pr untuk
penyearah pada Gambar 3.13 ditunjukkan dengan grafik pada Gambar 3.15 berikut.
Gambar 3.15 Hubungan faktor daya dan tegangan beban VL dengan memakai filter
parallel-resonant
Hubungan antara faktor daya masukan penyearah dengan tegangan beban VL untuk
metode penyearah pada Gambar 3.13 adalah seperti Gambar 3.16 berikut.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 3.16 Hubungan antara faktor daya dan tegangan beban VL dengan memakai
filter parallel-resonant
III.6 Contoh disain filter
Berikut ini adalah contoh perhitungan nilai komponen filter dengan metode filter
parallel resonant.
Ei = 1.0 pu
Pr = 1.0 pu
VL = 1.0 pu
Beban penyearah adalah 5000 W ≡ 1.0 pu, dengan tegangan masuk V s = 208 V rms ≡
1.0 pu dan riak tegangan beban 5% dan frekuensi tegangan masuk 60 Hz.
Dari nilai diatas :
1 pu arus = VP =
2085000 = 24,04 Amp
1 pu impedansi = IV =
04,24208 = 8,65 Ω
1 pu ωt = 2πf = 377 rad/detik
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
1 pu induktansi = 377
65,8 = 23 mH
1 pu kapasitansi = 37765,8
1x
= 306,65 μF
Dengan memperhatikan Gambar 3.16 tampak bahwa faktor daya maksimum pada
tegangan beban 1,1 pu. Dari Gambar 3.15 untuk daya 1,0 pu pada tegangan beban 1,1
pu diperoleh nilai induktansi Lr sebesar 0,31 pu.
Jadi nilai filter induktansi sebenarnya, Lr = 0,31 x 8,65
= 7,13 mH
Sedangkan nilai filter Cr ditentukan dengan pers. 3.6 yaitu :
Cr = rL29
1ω
= 31,019
12 xx
= 0,3584 pu
Nilai Cr sebenarnya = 0,3584 x 306,65
= 109,9 μF
Dari Gambar 3.16 tampak bahwa nilai tegangan beban VL pada faktor daya maksimum
adalah 1,12 pu. Jadi nilai tegangan beban sebenarnya adalah :
VL = 1,12 x 208
= 232,96 Volt
Nilai ZLr diperoleh dari pers.(3.7) yaitu :
ZLr = 2ωLr = 2 x 377 x 7,13 x 10-3
= 5,376 Ω
Sementara ZCr dari pers.(3.8) menghasilkan :
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
rCr CZ ω211
=
= 6109,10937721
−xxx
ZCr = 12,067 Ω
Maka ZTOT sesuai pers.(3.6)
CrLrTOT ZZZ111
+=
= 067,121
376,51
+
ZTOT = 3,72 Ω
Arus riak orde ke-2 keluaran penyearah dihitung dengan persamaan berikut ini :
Io,2 = LTOT
oL
RZVV
+∆−
(pers.3.9)
memberikan Io,2 = 65,872,3
7,1496,232+−
= 17,64 Amp ≡ 04,2464,17
≡ 0,734 pu
Nilai filter Cf dihitung dengan pers.(3.2) untuk riak tegangan keluaran 5%.
Cf = %)(22
100 2,
ripplexxxxVxI
Lp
o
ω
= 51212,12
734,0100xxxx
x
≡ 4,634 pu
Maka nilai Cf sebenarnya = 4,634x306,65
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Cf = 1421 μF
BAB IV
SIMULASI DAN PERHITUNGAN PARAMETER UNJUK KERJA
PENYEARAH SATU FASA DIODA JEMBATAN
IV.1 SIMULINK
SIMULINK (SIMUlation and LINK) adalah bagian dari program MATLAB dari
MATHWORKS INC. SIMULINK adalah suatu sistem interaktif untuk mensimulasikan
sistem dinamik. Program ini dapat memodelkan suatu sistem dengan menggambarkan
blok diagram atau rangkaian pada layar komputer dan mensimulasikan dinamikanya.
SIMULINK dapat bekerja dengan sistem yang bersifat linier, non linier, continuous -
time, descrete-time, multirate dan sistem hibrida.
IV.2 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan metode
konvensional
Gambar lengkap simulasi dengan SIMULINK untuk penyearah satu fasa dioda
jembatan dengan metode konvensional untuk beban 1,0 pu ditunjukkan pada Gambar
4.1. Nilai komponen filter dibuat sesuai dengan hasil yang diperoleh pada BAB III
yaitu: Resistansi beban R = 8,65 Ω
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Induktansi Lf = 2,3 mH
Kapasitansi Cf = 2549,48 μF
Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan ditunjukkan pada Gambar 4.2 dan
bentuk gelombang arus dan tegangan keluaran penyearah ditunjukkan pada Gambar 4.3.
IV.3 Langkah-langkah simulasi metode konvensional
1. Buat rangkaian percobaan dalam SIMULINK seperti Gambar 4.1.
2. Tentukan nilai tegangan sumber, komponen filter Lf dan Cf serta beban R
sebagai berikut :
• Tegangan sumber = 208 Volt, Frekuensi 60 Hz
• Beban R = 8,65 Ω ≡ 1,0 pu
• Nilai Lf = 2,3 mH
• Nilai Cf = 2549,48 μF
3. Tentukan waktu simulasi selama 0,1 detik.
4. Start simulasi
5. Tampilkan scope bentuk gelombang arus dan tegangan masukan dan keluaran
hasil penyearah.
6. Catat nilai arus, tegangan, VA meter, Watt meter dan Vars meter.
7. Tukar nilai beban R menjadi 4,325 Ω ≡ 0,5 pu, 12,975 Ω ≡ 1,5 pu dan
17,3 Ω ≡ 2,0 pu.
8. Ulangi langkah 3 sampai 6 untuk tiap nilai R pada langkah 7.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
IV.4 Data hasil simulasi dengan metode konvensional
Data hasil simulasi untuk tiap nilai R yang berbeda selengkapnya terdapat pada
Tabel 4.1.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 4.2 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) masukan penyearah
satu fasa dioda jembatan metode konvensional dengan beban 1,0 pu.
Gambar 4.3 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) keluaran penyearah
satu fasa dioda jembatan metode konvensional dengan beban 1,0 pu.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
IV.5 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode
konvensional
Dari data pada Tabel 4.1 dihitung unjuk kerja penyearah satu fasa dioda
jembatan metode konvensional. Perhitungan dilakukan untuk data beban 1,0 pu.
Keluaran daya DC, PDC dihitung dengan pers.(2.3)
PDC = VDC(out) IDC(out) = 27,12 x 234,46
= 6358,55 Watt
Keluaran daya AC, PAC dihitung dengan pers.(2.4)
PAC = VRMS(out) IRMS(out) = 235 x 27,17
= 6384,95 Watt
Efisiensi penyearah dihitung dengan pers.(2.5)
η = AC
DC
PP
= %10064596362 x
= 98,49 %
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan
pers.(2.6).
VAC = 22DCRMS VV − = 22 46.234235 −
= 15,921 Volt
Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7)
FF = DC
RMS
VV
= 46,234
235
= 1,002
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8)
RF = DC
AC
VV
= 46,234
921,15
= 0,0679 atau 6,79 %
Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9)
TUF = SS
DC
IVP
= 56,39208
6362x
= 0,773
Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2)
PF = in
in
SP
= 82286459
= 0,785
Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional selengkapnya
terdapat pada Tabel 4.3.
IV.6 Simulasi dengan SIMULINK penyearah satu fasa dioda jembatan metode
filter parallel-resonant.
Gambar lengkap simulasi dengan SIMULINK untuk penyearah satu fasa dioda
jembatan dengan metode filter parallel-resonant untuk beban 1,0 pu ditunjukkan pada
Gambar 4.4. Nilai komponen filter dibuat sesuai dengan hasil yang diperoleh pada BAB
III yaitu:
Resistansi beban R = 8,65 Ω
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Induktansi Lr = 7,13 mH
Kapasitansi Cr = 109,9 μF
Kapasitnasi Cf = 1421 μF
Sedangkan bentuk gelombang arus dan tegangan masukan penyearah ditunjukkan pada
Gambar 4.5 dan bentuk gelombang arus dan tegangan keluaran penyearah ditunjukkan
pada Gambar 4.6.
IV.7 Langkah-langkah simulasi metode filter parallel-resonant
1. Buat rangkaian percobaan dalam SIMULINK seperti Gambar 4.4.
2. Tentukan nilai tegangan sumber, komponen filter parallel-resonant (Lr dan Cr)
dan filter Cf serta beban R sebagai berikut :
• Tegangan sumber = 208 Volt ; frekuensi 60 Hz
• Beban R = 8,65 Ω ≡ 1,0 pu
• Nilai Lr = 7,13 mH
• Nilai Cr = 109,9 μF
• Nilai Cf = 1421 μF
3. Tentukan waktu simulasi selama 0,1 detik.
4. Start simulasi
5. Tampilkan scope bentuk gelombang arus dan tegangan masukan dan keluaran
hasil penyearah.
6. Catat nilai arus, tegangan, VA meter, Watt meter dan Vars meter.
7. Tukar nilai beban R menjadi 4,325 Ω ≡ 0,5 pu, 12,975 Ω ≡ 1,5 pu dan
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
17,3 Ω ≡ 2,0 pu.
8. Ulangi langkah 3 sampai 6 untuk tiap nilai R pada langkah 7.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Gambar 4.5 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) masukan penyearah
satu fasa metode filter parallel-resonant dengan beban 1,0 pu.
Gambar 4.6 Bentuk gelombang arus (kuning) dan tegangan (ungu) keluaran penyearah
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
satu fasa metode filter parallel-resonant dengan beban 1,0 pu.
IV.8 Data hasil simulasi dengan metode filter parallel-resonant
Data hasil simulasi untuk tiap nilai R yang berbeda selengkapnya terdapat pada
Tabel 4.2.
IV.9 Perhitungan unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode
filter parallel-resonant.
Dari data pada Tabel 4.2 dihitung unjuk kerja penyearah satu fasa dioda
jembatan metode konvensional. Perhitungan dilakukan untuk data beban 1,0 pu.
Keluaran daya DC, PDC dihitung dengan pers.(2.3)
PDC = VDC(out) IDC(out) = 232,7 x 26,9
= 6259,63 Watt
Keluaran daya AC, PAC dihitung dengan pers.(2.4)
PAC = VRMS(out) IRMS(out) = 233,1 x 26,95
= 6282,04 Watt
Efisiensi penyearah dihitung dengan pers.(2.5)
η = AC
DC
PP
= %10062816260 x
= 99,66 %
Nilai efektif (rms) komponen AC tegangan keluaran dihitung dengan
pers.(2.6).
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
VAC = 22DCRMS VV − = 22 7,2321,233 −
= 13,65 Volt
Faktor Bentuk, FF dihitung dengan pers.(2.7)
FF = DC
RMS
VV
= 7,2321,233
= 1,001
Faktor riak, RF dihitung dengan pers.(2.8)
RF = DC
AC
VV
= 7,232
65,13
= 0,0586 atau 5,86 %
Faktor kegunaan Transformator, TUF dihitung dengan pers.(2.9)
TUF = SS
DC
IVP
= 8,31208
6260x
= 0,9464
Faktor daya masukan penyearah, PF dihitung dengan pers.(2.2)
PF = in
in
SP
= 66156340
= 0,958
Unjuk kerja penyearah satu fasa dioda jembatan metode filter parallel-resonant
selengkapnya terdapat pada Tabel 4.4.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
V.1 Kesimpulan
1. Dengan metode filter parallel-resonant, nilai arus masukan penyearah lebih
kecil dibandingkan dengan metode konvensional.
2. Nilai komponen reaktif filter lebih kecil pada metode filter parallel-resonant
dibandingkan pada metode konvensional.
3. Faktor daya pada masukan penyearah satu fasa dioda jembatan dengan memakai
filter parallel-resonant lebih besar (>0,84) dibandingkan dengan faktor daya
masukan penyearah satu fasa dioda jembatan metode konvensional (< 0,79).
4. Kandungan riak (ripple) tegangan keluaran penyearah dengan metode filter
parallel-resonant lebih kecil (2,89%<RF<10,53%) dibandingkan dengan metode
konvensional (4,0% <RF< 10,56%).
V.2 Saran
1. Untuk mendapatkan hasil studi yang lebih baik, disarankan analisa keadaan
peralihan (transient) dari penyearah.
2. Percobaan laboratorium sebaiknya dilakukan untuk perbandingan dengan hasil
simulasi dengan SIMULINK.
Malum Ambarita : Studi Dan Simulasi Perbaikan Faktor Daya Pada Masukan Penyearah Satu Fasa Dioda Jembatan Dengan Memakai Filter Parallel-Resonant, 2008. USU Repository © 2009
Daftar Pustaka
1. A. R. Prasad, P. D. Ziogas, and S. Manias,” A Novel Passive Waveshaping
Method for Single-Phase Diode Rectifiers “, IEEE Trans. on Industrial
Electronic, Vol. 37, no. 6, pp.521-530, Dec. 1990.
2. B. L. Theraja, A. K. Theraja, A Text Book Of Electrical Technology, Vol. I, New
Delhi : S.CHAND & COMPANY LTD, 1994.
3. Daniel. W. Hart, Introduction To Power Electronics, Upper Saddle Rivers, NJ :
Prentice-Hall, Inc., 1997.
4. M. H. Rashid, Power Electronics : Circuits, Devices, and Applications, Upper
Saddle Rivers, NJ : Prentice-Hall, Inc., 3rd ed., 2004.
5. SIMULINK Release 14 Source, MATHWORK INC, 2005.
6. V. Grigore, “ Topological Issues in Single-Phase Power Factor Correction ”,
D.Sc Dissertation, Helsinki University of Technology, Nov. 2001.