Tugas Akhir RE 1549
PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSEWIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Himawan Sutamto 2203.109.615 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Ir. Sidarjanto
JURUSAN TEKNiK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA 2006
TUGAS AKHIR RE 1549
PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSE WIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Himawan Sutamto 2203.109.615 Dosen Pembimbing : Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Ir. Sidarjanto
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember SURABAYA 2006
PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM (PULSE WIDTH MODULATION) TIGA FASA MENGGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF
TUGAS AKHIR
Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro Pada Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Menyetujui
Dosen Pembimbing II
Dosen Pembimbing I
Ir. Sidarjanto NIP. 130 532 009
Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng NIP. 131 918 688
SURABAYA JULI, 2006
ii
ABSTRAK Faktor kerja sering menjadi suatu masalah di dalam industri dengan kapasitas daya tinggi, karena faktor kerja yang rendah bisa mengakibatkan naiknya daya reaktif. Penyearah konvensional dengan SCR mempunyai faktor kerja yang rendah, tetapi mempunyai kemampuan daya tinggi. Dengan penyearah menggunakan Insulatedgate Bipolar Transistor (IGBT) dan dikontrol dengan PWM, penyearah mempunyai faktor kerja lebih baik namun mempunyai kemampuan daya terbatas. Tugas Akhir ini membahas penyearah SCR enam pulsa yang dikontrol dengan PWM. Dengan metode ini dapat meningkatkan faktor kerja dari 0.95 menjadi 0.994 jika dibandingkan dengan penyearah konvensional. Kata kunci : rectifier, silicon-controlled rectifier(SCR)
ABSTRACT Power factor becomes a problem in the industry with high power capacities, because low power factor can raise of power reactive. Conventional rectifiers with SCR have low power factor, but having high Power rating. New rectifier using the Insulated-Gate Bipolar Transistor ( IGBT) and controlled by PWM present a good power factor, but the power rating is limited. This final project present a rectifier use SCR six pulse which is controlled by PWM. This method improves the power factor from 0.95 to 0.994 compared to the conventional rectifier. Key words: rectifier, silicon-controlled rectifier(SCR)
iii
KATA PENGANTAR Alhamdulillahirobbil’alamin, segala puji bagi Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya, sehingga kami dapat menyelesaikan laporan tugas akhir yang berjudul : PERBAIKAN FAKTOR KERJA PADA PENYEARAH SCR PWM ( PULSE WIDTH MODULATION ) TIGA FASA MENGUNAKAN METODE PEMADAMAN AKTIF Tugas akhir ini disusun guna memenuhi persyaratan dalam menyelesaikan studi khususnya pada program studi Teknik Sistem Tenaga, jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Surabaya, Juni 2006 Penulis
iv
DAFTAR ISI Judul Lembar Pengesahan Abstrak Kata Pengantar Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel
i ii iii iv vi vii ix
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Tujuan Penelitian 1.3 Tinjauan Pustaka 1.4 Perumusan Masalah 1.5 Metodologi Penelitian 1.6 Sistematika Penulisan 1.7 Relevasi
1 1 2 2 3 3 4
BAB II. TEORI PENUNJANG 2.1. Konverter 2.1.1 konverter penuh tiga fasa 2.2. Daya 2.2.1. Pada System Tegangan dan Arus Tanpa Harmonisa 2.2.1.1. Sistem Satu Fasa 2.2.1.2. Sistem Tiga Fasa Seimbang 2.2.1.3. Faktor Kerja 2.2.2. Pada System Tegangan dan Arus Dengan Harmonisa 2.3. Peningkatan Faktor Kerja 2.3.1. Pulse Width Modulation (PWM) 2.4. DC Chopper 2.4.1. Prinsip Operasi Step-Down 2.4.2. Step-Down Chopper dengan Beban RL 2.4.3. Prinsip Operasi Step-Up 2.5. Regulator dengan Pengaturan Switching 2.5.1. Buck Regulator
5 5 5 9 9 9 11 12 14 17 18 20 21 23 26 29 30
v
BAB III. PRINSIP KERJA DAN PERANCANGAN RANGKAIAN 3.1. Metode Pemadaman SCR 3.1.1. Forced Commutation 3.1.2. Pemadaman aktif 3.2. Prinsip Kerja Rangkaian 3.3. Kontrol Sistem 3.31. Tipe Pengontrol 3.3.2 Penentuan Parameter Kontrol 3.4. Pembangkit PWM 3.5. Pemodelan Sistem dengan MATLAB 3.6. Rancangan dan Perhitungan Rangkaian 3.7. Menentukan Nilai Induktor dan Kapasitor 3.8. Fungsi Modulasi
35 35 35 35 36 39 39 40 42 43 45 47 50
BAB IV. SIMULASI DAN ANALISA 4.1. Nilai-Nilai Yang Dipakai Untuk Simulasi 4.2. Simulasi Sistem Tanpa Pemadaman Aktif 4.3. Pemadaman Aktif 4.4. Kontrol PI (proporsional integral) 4.5. Simulasi Penyearah Dengan Pemadaman Aktif 4.5.1. Perubahan Beban Sistem 4.5.2 Total Harminic Distortion (THD) 4.5.3. Faktor Kerja (pf) 4.6. Perbandingan Performen
53 53 54 61 61 62 64 65 70 72
BAB V. PENUTUP 5.1. Kesimpulan 5.2. Saran
75 75 75
DAFTAR PUSTAKA Lampiran Biografi Penulis
77 78 84
vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Gambar 2.2 Gambar 2.3. Gambar 2.4.
Penyeaarah Jembatan Tiga Fasa 6 Hubungan arus pada rangkaian ac 14 Hubungan Daya Pada Rangkaian ac 14 Tatahedron yang menyatakan hubungan antara S S ,P S1 Q S1 dan D S 16 Gambar 2.5. Bentuk gelombang tegangan dan arus dengan Kontrol PWM 18 Gambar 2.6. Pembangkit sinyal gate dengan kontrol PWM 19 Gambar 2.7. Chopper Step-Down dengan beben resistif 21 Gambar 2.8. Chopper Step-Down dengan beben RL 23 Gambar 2.9. Rangkaian ekivalen Chopper Step-Down dan Bentuk Gelombang dengan beben RL 24 Gambar 2.10. Chopper Step-Up 26 Gambar 2.11. Penyusunan Tranfer Energi 27 Gambar 2.12. Elemen-elemen regulator dengan pengaruran switching 29 31 Gambar 2.13. Rangkaian buck dengan arus kontinyu i L Gambar 3.1. Urutan aliran arus pada konverter 36 Gambar 3.2. Ilustrasi Switch PWM SCR 37 Gambar 3.3. Proses switching SCR pada konverter dengan metode pemadaman aktif 38 Gambar 3.4. Respon sistem untuk menentukan parameter pengontrol metode Ziegler-Nichols 41 Gambar 3.5. Elemen menu pada software MATLAB 6.5 42 Gambar 3.6 Rangkaian PWM 43 Gambar 3.7. Rangkaian kontrol dengan PWM 43 Gambar 3.8. Pemodelan Rangkaian dengan MATLAB 44 Gambar 3.9. Rangkaian Equivalen dari Penyearah SCR PWM 45 Gambar 3.10. Bentuk gelombang tegangan masukan 47 Gambar 3.11. a. Penyearah SCR PWM tiga fasa dengan pemadaman Aktif 48 b. Penyearah gelombang penuh dengan filter 48 Gambar 3.12. Filter Tegangan Keluaran 49 Gambar 4.1. Rangkaian ideal konverter 53 Gambar 4.2. Rangkaian konverter tanpa pemadaman aktif 54 55 Gambar 4.3. Tegangan dan Arus input pada saat Cos α 0O,45O Gambar 4.4. a.Spektrum Frekunsi Tegangan input pada semua penyulutan 56 56 b. Spektrum Frekunsi Arus input saat Cos α 0O,45O vii
Gambar 4.5. Gambar 4.6. Gambar 4.7. Gambar 4.8. Gambar 4.9.
Nilai rms Tegangan dan Arus input 58 Factor Kerja pada penyearah 60 Rangkaian Kontrol 61 Rangkaian Kontrol PI 62 Rangkaian Penyearah SCR PWM tiga fasa dengan pemadaman aktif 48 Gambar 4.10. Arus dan Tegangan Output 64 Gambar 4.11. a. Gelombang Segitiga dengan Gelombang dc kontrol PI 65 b. Gelombang persegi keluaran PWM 65 Gambar 4.12. Tegangan dan Arus input 65 66 Gambar 4.13. Tegangan dan Arus input (V a1 ,I a1 ) Gambar 4.14. Nilai rms Tegangan dan Arus input 67 Gambar 4.15. Tegangan dan Spektrum Frekuensi Tegangan input 68 Gambar 4.16. Arus dan Spektrum Frekuensi Arus input 69 Gambar 4.17. Gelombang Arus dan Tegangan pada penyearah SCR PWM tiga fasa 70 Gambar 4.18. Factor kerja pada penyearah yang memggunakan proses pemadaman aktif 71 72 Gambar 4.19. THD I terhadap perubahan beban Gambar 4.20. Faktor Kerja (pf) terhadap perubahan beban 73
viii
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel 4.1. Tabel 4.2. Tabel 4.3. Tabel 4.4. Table 4.5. Tabel 4.6. Tabel 4.7.
Tabel tuning Ziegler-nichols Hasil simulasi sistem tanpa pemadaman aktif Performance THD Penyearah SCR PWM tiga fasa THD Tegangan input sistem dengan pemadaman aktif THD Arus input sistem dengan pemadaman aktif Performance pf tiap-tiap pembebanan Performance rangkaian dengan pemadaman aktif Perbandingan performance Rangkaian
ix
41 60 67 68 69 71 71 73
