BAB II DASAR TEORI 2.1 Sumber Tegangan Tiga Fasa - Analisis Penyearah Tiga Fase Terkontrol Penuh dengan Simulasi Matlab

BAB II DASAR TEORI

2.1 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 [2].

Apabila sumber mensuplai beban seimbang maka arus pada masing-masing

penghantar akan memiliki besar yang sama dan berbeda sudut sebesar 120 0 satu sama

lain. Arus-arus ini desebut arus seimbang.

Van

Gambar 2.1(a) Rangkaian sistem tiga fasa urutan abcdan (b) Diagram fasor sebuah sistem seimbang [2]

Sistem pada gambar 2.1 (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. Beban pada gambar 2.1 (a)

dihubungkan dengan cara hubungan wye (Y). Dalam hubungan tipe Y ini tegangannya

adalah tegangan fasa netral dan arus yang mengalir pada tiap fasa beban adalah arus

Vbn

Gambar 2.2 Diagram fasor tegangan fasa urutan abc [2] Tegangan antara fasa ke fasa dapat dihitung seebagai berikut :

……….(2.1)

………...(2.2)

………...(2.3)

Untuk sistem seimbang, masing-masing tegangan fasa mempunyai besar

magnitude yang sama, maka

= = = ………..(2.4)

Dimana adalah harga efektif dari nilai magnitude tegangan fasa.

Jadi,

...(2.5)

………...(2.6)

………(2.7)

Dengan menggunakan persamaan (2.1), (2.2) dan (2.3) maka persamaan (2.5),

(2.6), dan (2.7) menjadi

………...(2.8)

………(2.9)

Dari hasil di atas terlihat bahwa saluran tersebut membentuk suatu sistem tiga

fasa yang seimbang dengan magnitudenya adalah kali magnitude dari tegangan

fasa.

Daya yang digunakan pada masing-masing fasa pada beban adalah:

………(2.11) Dimana :

arus

Cos = factor daya

untuk sistem yang seimbang, daya totalnya adalah:

………...(2.12) Dimana :

tegangan fasa ke netral

tegangan fasa ke fasa

2.2 Beban

Dalam sistem tenaga listrik dikenal tigajenissifatbeban yaitu beban resistif,

induktif dan kapasitifdan masing-masing beban memiliki sifat dan karakteristik yang

berbeda-beda. Berikut akan dibahas beban resistif dan induktif.

2.2.1 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 ………...(2.13)

Dengan :

P = daya aktif yang diserap beban (Watt)

V = tegangan yang mencatu beban (Volt)

I = arus yang mengalir pada beban (Ampere)

Gambar 2.3 Grafik arus dan tegangan pada beban resistif

V I

2.2.2 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 dapat

mengakibatkan 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……….(2.14)

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

Gambar 2.5 Grafik Arus dan Tegangan Pada Beban Induktif

V

I

φ

Untuk menghitung besarnya rektansi induktif (XL), dapat digunakan rumus

………(2.15)

Dengan :

XL = reaktansi induktif

F = frekuensi (Hz)

L = induktansi (Henry)

2.3 Komponen Elektronika Daya

Ada beberapa komponen penyusun rangkaian elektronika daya diantaranya

dioda dan thyristor.Penyearah dapat dibangun dari beberapa komponen elektronika daya

seperti dioda dan thyristor.

2.3.1 Dioda

Dioda adalah komponen semikonduktor yang terdiri dari dua lapisan yaitu

lapisan P dan N yang mana hanya mengalirkan arus dalam satu arah saja dan mampu

menahan tegangan balik sampai harga ratingnya tanpa mengalirkan arus. Dioda

mempunyai dua terminal yaitu anoda (A) dan katoda (K) seperti terlihat dalam

gambar 2.7

P N

Anoda

Katoda

Dua kondisi yang perlu diperhatikan pada pengoperasian diode yaitu :

1. Kondisi bias maju,

Tegangan anoda lebih besar dari tegangan katoda

Arus akan mengalir dari anoda ke katoda

Resistansi dioda relatif kecil sekali

Tegangan anoda- katoda volt

2. Kondisi bias balik,

Tegangan anoda lebih kecil dari tegangan katoda

Tidak ada aliran arus balik (arus besarnya adalah 0), akan tetapi bila masih ada

arus yang mengalir, arus tersebut merupakan arus bocor yang kecil sekali (dalam

orde milliampere).

2.3.2 Thyristor

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 [4]. Gambar 2.8 memperlihatkan lapisan semikonduktor SCR yang mempunyai

A

Gambar 2.8 Simbol thyristor [4]

2.3.3 Cara kerja dan Karateristik Thyristor

Karakteristik dari tegangan arus dari thyristor pada arah balik ( reverse ) akan

sama dengan dioda biasa. Tetapi pada arah maju ( forward ) thyristor mempunyai

karakteristik tersendiri (gambar 2.9). Apabila thyristor diberikan tegangan suplai sesuai

kemampuannya akantetapi tanpa diberi trigger pada gatenya maka karakteristik

forwardnya mempunyai bentuk yang sama dengan karakteristik reversenya, yang berarti

thiristor mempunyai harga tahanan yang sangat tinggi dan thyristor masih dalam

keadaan off. Pada keadaan ini thyristor menahan arus yang melaluinya meskipun masih

ada arus yang mengalir, arus tersebut merupakan arus bocor yang besarnya hanya dalam

milli ampere dan arus ini disebut “forward leakage current”.

+

Pada kondisi ini tegangan antara anoda dan katoda akan sama dengan tegangan

suplai kaarena arus bocornya kecil, Dan diusahakan agar peak dari tegangan suplai tidak

melebihi dari “forward breakdown” dari thyristor. Apabila kondisi pada ini gate dari

SCR diberikan pulsa trigger maka karakteristik thyristor berubah dari keadaan off ke

keadaan ondan seperti keadaan forward dari dioda biasa. Terjadinya perubahan ini

melalui suatu harga arus tertentu yang masih kecil, dimana tengangan anoda dan katoda

cepat menurun.Arus ini adalah “holding current”. Pada saat thiristor dalam keadaan on

maka arus anoda (arus beban ) tidak dapat dipengaruhi oleh adanya pulsa trigger lagi.

Baru pada saat arus anoda kecil dimana pada saat itu tegangan antara anoda dan katoda

lebih kecil daripada tegangan yang diperlukan untuk mempertahankan holding current

maka thiristor kembali ke keadaan off dimana tidak ada arus konduksi yang mengalir.

Keadaan off ini akan terus berlangsung sampai pulsa trigger selanjutnya diberikan pada

gate sehingga thiristor menjadi on kembali.

2.3.4 Penyalaan ( turn on ) Thyristor

Jika sebuah pulsa trigger diberikan pada gate thyristor maka thyristor tersebut

akan terkonduksi, selang waktu yang diperlukan untuk berkonduksi setelah pulsa

diberikan disebut waktu pengisian ( turn on time = ton ). Waktu penyalaan ini ada dua

tahap yaitu waktu pertambahan (delay time = td ) dan waktu peningkatan (rise time = tr)

td = selang waktu antara saat pemberian arus gate mencapai 10% ( 0,1 IG ) dan

pada keadaan thyiristor on.

tr = selang waktu yang diperlukan arus anoda untuk naik dari 10% ( 0,1 IT )

sampai 90% ( 0,9 IT ) dari arus yang lewat thyristor pada saat keadaan on.

Waktu penyalaan adalah selang waktu yang diperlukan antara ssat pemberian

pulsa pada gate mulai dari 10% (0,1 IT ) sampai mencapai 90% ( 0,9 IT ) dari arus

thyiristor pada keadaan on [4].

Gambar 2.10 Karakteristik penyalaan [4] 2.3.5 Pemadaman ( turn off) Thyristor

Pada rangkaian yang menggunakan sumber tegangan bolak-balik thyristor akan

padam dengan sendirinya dengan tegangan sampai titik nol yaitu setiap ½ periode.

2.4 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh

Rangkaian penyearah adalah suatu rangkaian yang mengubah tegangan

bolak-balik (ac) menjadi tegangan searah (dc).Terdapat beberapa jenis rangkaian penyearah

dan masing-masing penyearah memberikan hasil keluaran yang berbeda-beda. Pada

tugas akhir ini dibahas penyearah tiga fasa terkontrol penuh yang menggunakan

thyristor sebagai komponen penyusunnya yang dibebani dengan beban resistif ( R )dan

2.4.1 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh Beban Resistif (R)

Diagram rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh dengan beban R dapat

dilihat pada (Gambar 2.11). Rangkaian ini terdiri dari 6 buah thyristor yang terpasang

dalam tiga lengan, dimana masing-masing lengan terdiri dari 2 thyristor, 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.

Tegangan sumber adalah tegangan bolak-balik tiga fasa yang seimbang. Ada

beberapa kondisi yang perlu diperhatikan dalam memberikan pulsa trigger pada

thyristor karena pada waktu bersamaan ada dua thyristor yang di trigger.

SCR 1 SCR 3

Gambar 2.11 Rangkaian penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R [5].

Kondisi thyristor (SCR) pada saat konduksi adalah sebagai berikut

SCR1 on bila V_an> V_bn dan V_an> V_cn

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 [5].

Gambar 2.12 Bentuk gelombang tegangan suplai dengan tegangan beban pada sudut penyalaan yang berbeda [5].

Dengan sudut penyalaan α = 00

dapat dijelaskan sebagai berikut.

Pada saat fasor (A-B) aktif pada interval 0 < α < SCR1dan 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. Berikutnya phasor (A-C) yang aktif pada interval <

α< ini menyatakan bahwa SCR1dan SCR2 konduksi secara bersamaan juga selama

600. Secara berurutan pasangan thyristor yang aktif dapat dinyatakan sebagai

berikut,SCR1- SCR6, SCR2- SCR3, SCR3 –SCR4, SCR4- SCR5, SCR5- SCR6, dst.

1. Pada interval 0 < α < arus keluarannya bersifat kontiniu.

2. Pada interval < α < arus keluarannya bersifat diskontiniu.

sehingga hubungan antara tegangan keluaran sebagai fungsi sudut penyalaan diberikan

sebagai sebagai berikut , :

Tegangan beban rata-rata, untuk interval 0 ≤ α ≤ (arus keluaran kontiniu)

E

E cos α ………..(2.16)

Tegangan beban rata-rata, untuk interval ≤ α ≤ (arus keluaran diskontiniu)

……….………...(2.17)

Nilai rms tegangan beban untuk interval 0 ≤ α ≤ (arus keluaran kontiniu)

= E ………(2.18)

Nilai rms Tegangan beban untuk interval ≤ α ≤ (arus keluaran diskontiniu)

………(2.19)

2.4.2 Penyearah Tiga Fasa Terkontrol Penuh Beban Resistif Induktif (RL)

Prinsip kerja penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL sama dengan

penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban R, hanya pada beban karakteristik

keluarannya tertentu pada sudut penyalaan yang lebih tinggi. Arus beban selalu kontiniu

dan tegangan keluaran turun sampai 0 pada α = . Ini dapat dijelaskan dengan

bantuan diagram rangkaian, persamaan tegangan dan diagram rangkaian arus. Diagram

rangkaian ditunjukkan pada (Gambar 2.13) berikut ini,

SCR 1 SCR 3

Gambar 2.13 Rangkaian Penyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL [5]. 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 seperti ditunjukkan pada (Gambar

Gambar 2.14 Bentuk gelobang keluaran tegangan dan aruspenyearah tiga fasa terkontrol penuh beban RL [5].

Tegangan rata-rata beban,

……….(2.20)

Tegangan keluaran rata-rata menjadi nol pada dan menjadi

negatifpadainterval . Pada sudut tunda rangkaian ini

akanbertindak sebagai inverter.

Arus beban rata-rata

………..(2.21)

Arus rata-rata dari SCR dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :

Nilai rms tegangan beban,

= ………..(2.23)

Arus rms SCRdapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :

………...(2.24)