Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC
1
THE CONTROLLING OF SINGLE PHASE AC VOLTAGE BY SETTING THE TRIGGER VOLTAGE OF THYRISTOR A.N. Afandi, Senior Member IAEng Power System and Controlling Operation State University of Malang, East Java, Indonesia
[email protected], http://scienta.i8.com
ABSTRACT The easily and effectiveness of Controlling of AC voltage is needed to do for supplying the variable voltage on appliances that more widely in using, it is needed to AC system or DC system that supplying to every load. The objective of this research is to know the induced of the trigger voltage on a thyristor to the single phase output AC voltage, then the variation of output voltage is known as desired it. Operationally of the method on this research is changed all value of trigger with many variations value that it will result a output voltage with variation too. According to these ways and analysis it were described that the trigger is influence to the output voltage with significantly is 93,8% and more higher the trigger will generate the output voltage is more high. Key words: trigger, thyristor, resistive load PENGENDALIAN TEGANGAN AC SATU FASA DENGAN PENGATURAN TEGANGAN PEMICUAN PADA THYRISTOR ABSTRAK Pengendalian tegangan AC secara mudah dan efektif sangat perlu dilakukan, mengingat kebutuhan tegangan yang dapat diatur semakin meluas, terutama pada peralatan yang disuplai oleh tegangan yang bervariasi, baik menggunakan tegangan AC ataupun menggunakan tegangan DC. Selanjutnya, tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh tegangan pemicuan terhadap tegangan keluaran AC satu fasa, sehingga diketahui variasi tagangan keluaran yang diinginkan. Secara operasional penelitian ini dilakukan dengan mengubah nilai sudut pengatur (trigger) yang akan menghasilkan tegangan bervariasi, sehingga tegangan keluaran pada beban juga bervariasi. Berdasarkan metode tersebut, tegangan pemicuan pada thyristor mempengaruhi tegangan keluaran AC pada beban, yaitu dengan tingkat signifikansi sebesar 93,8% dan semakin besar tegangan pemicuan thyristor akan menghasilkan semakin besar pula tegangan keluaran AC. Kata-kata kunci: trigger, thyristor, beban resistif
PENDAHULUAN Peralatan listrik pada industri atau rumah tangga umumnya disuplai menggunakan tegangan AC, serta dengan tegangan yang telah ditentukan. Tetapi kadang ada beberapa peralatan yang tidak menggunakan suplai
tegangan AC, melainkan menggunakan suplai tegangan DC. Hal ini tergantung pada peralatan yang dioperasikan, oleh karena itu perlu suatu pengubahan tegangan AC menjadi tegangan DC. Selain menggunakan tegangan AC dan DC, ada peralatan yang disuplai dengan
A.N. Afandi, State University of Malang
2
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC tegangan yang tetap/konstan dan ada juga peralatan yang disuplai dengan tegangan yang bervariasi. Baik menggunakan tegangan AC atapun menggunakan tegangan DC. Pada tegangan AC umumnya pengendaliannya menggunakan transformator dengan tapchanger untuk mendapatkan variasi tegangan. Selain itu, untuk menekan biaya dan rugi daya pengendalian tegangan AC dapat dilakukan dengan cara mengatur pulsa tegangannya sehingga menghasilkan tegangan keluaran yang bervariasi. Tujuan penelitian ini adalah untuk mengetahui pengaruh tegangan pemicuan (trigger) terhadap tegangan keluaran AC satu fasa, sehingga dapat diketahui variasi tagangan keluaran yang diinginkan. Serta batasan masalahnya berupa beban resistif dengan parameter ukur berupa arus dan tegangan. Dioda Komponen semikonduktor yang sering berperan sebagai saklar dengan kapasitas yang besar pada elektronika daya adalah dioda, terutama untuk menjalankan fungsinya sebagai saklar utama penyearah, freewheeling atau lainnya. Dioda daya hampir sama dengan dioda biasa yang berkapsitas kecil, dimana disusun oleh sambungan PN. Dioda daya memiliki kemampuan hantar arus yang cukup besar dibandingkan dengan dioda biasa. Namun secara prinsip proses kerjanya sama dengan dioda pada umumnya. Pada dioda mempunyai komponen sambungan PN dua terminal, sambungan tersebut membentuk kutub Anoda-Katoda. Ketika potensial Anoda lebih positip dari Katoda, maka dioda akan berada pada kondisi bias maju, yaitu suatu kondisi yang menghasilkan arus yang besar atau mampu menghantarkan arus, dengan demikian kondisi ini berarti dioda dalam keadaan konduksi. Tetapi bila sebaliknya, akan menghasilkan arus yang kecil atau dalam kondisi dioda terbuka, kecuali mengalami breakdown atau kegagalan dioda, sehingga menghasilkan arus bocor.
Thyristor Thyristor merupakan komponen semikonduktor yang disusun oleh sambungan PNPN dengan tiga sambungan PN. Pada kondisi tegangan Anoda lebih positip dibandingan Katoda, maka kondisi ini merupakan kondisi forward bias, namun masih belum mampu menghantarkan arus. Untuk menghantarkan arus listrik, maka harus dikondisikan menjadi konduksi antara Anoda dan Katoda dengan jalan memberi tegangan trigger. Tegangan trigger ini harus melebihi tegangan holding gate (G) yang diharuskan, sehingga mampu membuat tryristor konduksi. Snuber Snuber merupakan rangkaian untuk melindungi thyristor (SCR) dari lonjakan arus atau kenaikan tegangan secara mendadak. Proteksi ini bertujuan agar tidak terjadi kerusakan pada thyristor apabila terjadi perubahan beban. Biasanya snuber terdiri atas komponen R, L dan C yang disusun secara seri dan paralel terhadap thyristor, sehingga tegangan atau arus yang akan menyebabkan kerusakan dapat dicegah atau dikecilkan. Penyearah Penyearah merupakan rangkaian yang disusun oleh satu atau beberapa dioda, yaitu penyearah ini merupakan proses perubahan yang menghasilkan tegangan keluaran DC dengan mengandung harmonisa yang masih harus dihilangkan, serta pada saat yang sama arus dan tegangan dapat ditentukan sebagai keluaran atau masukan pada suatu beban. Untuk mengetahui unjuk kerja penyearah dapat ditentukan dengan beberapa parameter, yaitu: Daya: Pdc = Vdc . Idc (1) (2) Pac = Vac . Iac P Efisiensi: η = dc (3) Pac T
Tegangan: Vdc =
1 V(t).dt T ∫0
(4) 2
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC
1 2 V (t).dt T V Faktor ripple: FF = rms Vdc Vac =
(5) (6)
Secara umum penyearahan dapat dilakukan dengan gelombang penuh atau setengah gelombang. Bila menggunakan penyearah gelombang penuh, maka pulsa positif dan negatif akan disearahkan. Namun bila menggunakan penyearah setengah gelombang, maka pulsa yang akan dikendalikan hanya potitif/negatif saja. Pengatur Tegangan Pengendalian tegangan pada dasarnya dapat dilakukan dengan mengatur besarnya sinyal sumber, sehingga keluarannya dapat berubah-ubah sesuai dengan yang diinginkan. Secara prinsip pengaturan ini dapat dilakukan dengan menggunakan SCR. SCR 1 R1 C
L
SCR2 R2
Gambar 1. Pengendalian tegangan Secara prinsip pengendalian tegangan merupakan kondisi on/off pada SCR, sehingga tegangan keluaran yang dihasilkan dapat bervariasi. Bila lama kondisi SCR nyala (n) dan lama kondisi padam (m), maka pada tegangan keluaran dapat ditentukan variasinya. n Vout = .Vs (7) n+m
3
Work Bench Program dan Design Optimization on Computer Program. Selanjutnya konsep secara menyeluruh mencakup: a. Sumber tegangan, yaitu dimaksudkan untuk menentukan nilai sumber tegangan yang akan digunakan, termasuk juga batas minimal dan maksimal sebagai tegangan masukan atau keluaran yang diinginkan setelah dilakukan pengaturan, serta digunakan untuk pemilihan sumber. b. Penyearah, yaitu dimaksudkan untuk memperoleh tegangan DC yang akan digunaan sebagai pensuplai alat pengendali. Karena tegangan ini sangat diperlukan untuk mengendalikan tegangan keluaran yang diinginkan. c. Absorbsi ripple, yaitu untuk menghilangkan pengaruh tegangan atau arus ripple yang mungkin timbul akibat masih adanya pengaruh tegangan AC pada tegangan keluaran, agar pengaturan tegangannya dapat dilakukan dengan tepat dan tidak mengalami gangguan internal. d. Penstabil, yaitu untuk menstabilkan tegangan masukan yang akan diatur, sehingga tegangan yang ingin diatur tersebut tidak mengalami perubahan. Dengan demikian tegangan keluaran yang dihasilkan sesuai dengan yang diinginkan tanpa distorsi. e. Trigger, yaitu untuk menyesuaikan pengendalian agar sesuai dengan yang diinginkan. Sehingga pengaturan tegangan dapat dilakukan dengan mudah dan sesuai dengan keluaran yang diinginkan atau SCR mampu terkondisikan dalam on/of. f. Pengatur tegangan, yaitu untuk mengatur tegangan AC yang terkendali, tegangan masukan akan diatur berdasarkan pengendalian yang diberikan trigger.
METODE PENELITIAN Penelitian ini dikaji dengan menggunakan software, yaitu dimaksudkan untuk melihat karakteristik yang diinginkan melalui simulasi menggunakan Electronic 3
4
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC
Sumber AC Konstan
Penstabil
Absorbsi Ripple
Penyearah
Pengatur Tegangan
Trigger
Reduksi Gangguan
Tegangan Variabel Beban
Gambar 2. Diagram blok pengendalian g. Reduksi, yaitu untuk mengurangi pengaruh gangguan dan pergeseran keluaran bila sumber atau beban yang digunakan tidak sesuai dengan desain, atau dengan sumber dan beban lain yang memiliki karakteristik berbeda, sehingga terjadi distorsi. h. Tegangan variabel, yaitu tegangan keluaran hasil pengaturanyang akan digunakan untuk mensuplai beban.
Dengan memperhatikan Tabel 1 dan Tabel 2, nilai setting adalah nilai penetapan yang diinginkan pada saat pengujian, sedangkan nilai measured adalah nilai hasil pengujian, sedangkan untuk nilai computed adalah nilai yang dihitung berdasarkan data hasil pengujian. Hubungan Sudut Pemicuan dengan Tegangan dan Arus Pada Thyristor Tabel 3 berikut ini menunjukan hubungan sudut pemicuan dengan tegangan dan arus pada thyristor. Tabel 3. Hubungan sudut pemicuan dengan tegangan dan arus pada thyristor No
alfa (o) 0 30 60 90 120 150 180
1 2 3 4 5 6 7
Vscr (V) 99.81 97.52 87.63 71.89 51.65 51.65 0.57
Iscr (A) 141.42 138.59 124.45 101.82 73.54 26.87 0.78
Hasil pengukuran diperoleh variasi tegangan keluaran untuk setiap nilai tegangan picu (trigger) dengan sudut pemicuan sebagaimana pada Tabel 1. Tabel 1. Hasil tegangan (picuan 0-90) Variabel scr
alfa (o) V scr (V) I scr (I)
beban
V b (V) I b (A) P b (W)
Sudut picu
Remark
0
30
60
90
99.81
97.52
87.63
71.89
0.98
setting
215.37 192.63 156.85 measured 0.94
0.87
0.73
measured
192.08 176.72 151.38 106.58 computed
Tabel 2. Hasil tegangan (picuan 150-180) Variabel scr
beban
Sudut pice 150
Remark
alfa (o)
120
180
V scr (V)
51.65
18.89 0.57
I scr (I)
73.54
26.87 0.78 measured
V b (V)
113.61 44.91 2.17 measured
setting
I b (A)
0.56
0.21
0
measured
P b (W)
62.72
8.82
0
computed
160 140 120 100 80 60 40 20 0
0
30
60
90
120
150
180
alfa (o)
141.42 138.59 124.45 101.82 measured 220
V scr (V), I scr (A)
HASIL DAN PEMBAHASAN
V scr
I scr
Grafik 1. Hubungan sudut pemicuan dengan tegangan dan arus pada thyristor Dengan memperhatikan Tabel 3 dan Grafik 1, maka dapat dipahami bahwa sudut pemicuan pada thyristor mempunyai pengaruh terhadap tegangan dan arus keluaran. Dimana pengaruhnya adalah semakin besar sudut pemicuan akan menghasilkan arus atau tegangan yang semakin kecil. Hal ini dapat dimengerti karena karakteristik thyristor sangat bergantung pada cepat/lama suatu pemicuan 4
5
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC yang diberikan, ketika sumber mulai diterapkan padanya. Sumber yang diberikan pada thyristor akan menyebabkan mengalirnya arus atau timbul tegangan setelah thyristor tersebut dipicu dan akan padam apabila titik balik (cut off) tercapai. Dengan demikian arus akan mengalir setelah thyristor dipicu sebesar α (alfa) hingga tidak mengalir pada titik baliknya, yaitu 1800. Selama thyristor tidak dipicu, maka kondisi thyristor berada pada keadaan padam/off. Tabel 4. Model summary tegangan thyristor Model R R Square Adjusted R Square 1 .968 .938 .925 a Predictors: (Constant), alfa
Tabel 5. ANOVA tegangan thyristor Model
Sum of Squares 1 Regression 8608.633 Residual 571.370 Total 9180.003 a Predictors: (Constant), alfa b Dependent Variable: Vscr
Df
Mean F Square 1 8608.633 75.333 5 114.274 6
Tabel 6. Coefficients tegangan thyristor Unstandardized t Coefficients Model B Std. Error (Constant) 113.740 7.284 15.615 Alfa -.584 .067 -8.679 a Dependent Variable: V scr
Dengan memperhatikan hasil yang ada pada Tabel 4, Tabel 5, dan pada Tabel 6, maka tingkat pengaruh sudut pemicuan (alfa) terhadap tegangan (Vscr) dapat diketahui, yaitu berdasarkan analisis regresi diperoleh suatu persamaan Vscr = - 0,584 x (alfa) + 113,740, dengan koefisien determinasi (Rsquare) sebesar 0,938. Selanjutnya dengan nilai tabel F untuk taraf kesalahan 5%, maka diperoleh Fhitung > Ftabel (75,3 > 18,7), yang berarti terdapat hubungan antara sudut pemicuan terhadap tegangan, yaitu dengan tingkat signifikansi pengaruhnya 93,8%. Tabel 7. Model Summary arus thyristor Model R R Square Adjusted R Square 1 .968 .937 .925 a Predictors: (Constant), alfa
Tabel 8. ANOVA arus thyristor Model
Sum of Squares 1 Regression 17313.997 Residual 1161.545 Total 18475.542 a Predictors: (Constant), alfa b Dependent Variable: I scr
df
Mean F Square 1 17313.997 74.530 5 232.309 6
Tabel 9. Coefficients arus thyristor Unstandardized t Coefficients Model B Std. Error 1 (Constant) 161.382 10.385 15.539 Alfa -.829 .096 -8.633 a Dependent Variable: I scr
Dengan demikian berdasarkan Tabel 7, Tabel 8, dan Tabel 9, diketahui pengaruh sudut pemicuan (alfa) terhadap arus (Iscr) dapat dinyatakan melalui analisis regresi dengan persamaan hubungan Iscr = - 0,829 x (alfa) + 161,382, dan koefisien determinasi (Rsquare) sebesar 0,937. Selanjutnya dengan nilai tabel F untuk taraf kesalahan 5%, maka diperoleh Fhitung > Ftabel (74,530 > 18,7), yang berarti terdapat hubungan antara sudut pemicuan thyristor terhadap arus, yaitu dengan tingkat signifikansi pengaruhnya 93,7%. Hubungan Tegangan Pemicuan dengan Beban Tabel 10 berikut ini menunjukan hubungan tegangan pemicuan thyristor dengan tegangan, arus dan daya pada beban. Tabel 10. Hubungan tegangan pemicuan thyristor dengan tegangan, arus dan daya pada beban No SCR V scr (V) 1 0.57 2 51.65 3 51.65 4 71.89 5 87.63 6 97.52 7 99.81
Beban Vb Ib Pb (V) (mA) (W) 2.17 0 0 44.91 210 8.82 113.61 560 62.72 156.85 730 106.58 192.63 870 151.38 215.37 940 176.72 220 980 192.08
5
6
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC Tabel 12. ANOVA tegangan beban Model Sum of Squares 1 Regression 39757.360 Residual 3943.124 Total 43700.484 a Predictors: (Constant), Vscr
Vb (V), Ib (mA), Pb (W)
1200 1000 800
df F 1 50.414 5 6
b Dependent Variable: Vb
600
Tabel 13. Coefficients untuk tegangan beban
400 200 0 0.57
51.65
51.65
71.89
87.63
97.52
99.81
Vscr (V)
Vb
Ib
Pb
Grafik 2. Hubungan tegangan pemicuan thyristor dengan tegangan, arus dan daya pada beban Dengan memperhatikan Tabel 10 dan Grafik 2., maka dapat dipahami bahwa tegangan pemicuan pada thyristor mempunyai pengaruh terhadap tegangan, arus dan daya pada beban. Dimana pengaruhnya adalah semakin besar tegangan pemicuan pada thyristor akan menghasilkan arus, tegangan dan daya pada beban yang semakin besar. Hal ini dapat dimengerti karena semakin besar tegangan pemicu thyristor, maka akan semakin banyak pulsa atau tegangan rata-rata yang disuplai ke beban, dengan demikian tegangan beban akan semakin besar apabila thyristor dipicu dengan cepat pada saat tegangan suplai diterapkan ke beban. Selanjutnya dengan semakin besarnya tegangan beban, maka arus yang diserap oleh beban juga semakin besar, hal ini mengakibatkan beban bekerja dengan daya yang besar pula, karena mendapat suplai tegangan yang semakin besar. Jadi antara tegangan pemicu thyristor dan beban terdapat kaitan dalam kasus pengendalian tegangan ini. Tabel 11 Model Summary tegangan beban Model R R Square Adjusted R Square 1 .954 .910 .892 a Predictors: (Constant), Vscr
Unstandard t ized Coefficients Model B Std. Error 1 (Constant) -18.187 24.054 -.756 Vscr 2.329 .328 7.100 a Dependent Variable: Vb
Dengan memperhatikan hasil yang ada pada Tabel 11, Tabel 12 dan Tabel 13, maka tingkat pengaruh tegangan pemicuan thyristor terhadap tegangan beban dapat diketahui, yaitu berdasarkan analisis regresi diperoleh suatu persamaan Vb = 2,329 x (Vscr) – 18,187, dengan koefisien determinasi (Rsquare) sebesar 0,910. Selanjutnya dengan nilai tabel F untuk taraf kesalahan 5%, maka diperoleh Fhitung > Ftabel (50,414 > 18,7), yang berarti terdapat hubungan antara tegangan pemicuan terhadap tegangan beban, yaitu dengan tingkat signifikansi pengaruhnya 91%. Tabel 14. Model Summary arus beban Model R R Square Adjusted R Square 1 .951 .904 .885 a Predictors: (Constant), Vscr
Tabel 15. ANOVA arus beban Model Sum of Squares 1 Regression 779839.412 Residual 82503.445 Total 862342.857 a Predictors: (Constant), Vscr b Dependent Variable: Ib
df F 1 47.261 5 6
Tabel 16. Coefficients arus beban Unstandardized t Coefficients Model B Std. Error 1 (Constant) -65.931 110.029 -.599 Vscr 10.313 1.500 6.875 a Dependent Variable: Ib
Pada Tabel 14, Tabel 15, dan Tabel 16, menunjukan tingkat pengaruh tegangan pemicuan thyristor terhadap arus beban, yaitu 6
Published: TEKNIK Journal, August 2008, SRIWIJAYA POLYTECHNIC berdasarkan analisis regresi diperoleh suatu persamaan Ib = 10,313 x (Vscr) – 65,931 dengan koefisien determinasi (Rsquare) sebesar 0,904. Selanjutnya dengan mempertimbangkan nilai tabel F untuk taraf kesalahan 5%, maka diperoleh Fhitung > Ftabel (47,26 > 18,7), yang berarti terdapat hubungan antara tegangan pemicuan terhadap tegangan beban, yaitu dengan tingkat signifikansi pengaruhnya 90,4%. Tabel 17. Model Summary daya beban Model R R Square Adjusted R Square 1 .918 .843 .811 a Predictors: (Constant), Vscr
Tabel 18. ANOVA untuk beban Model Sum of Squares 1 Regression 30965.304 Residual 5785.760 Total 36751.064 a Predictors: (Constant), Vscr b Dependent Variable: Pb
Df F 1 26.760 5 6
Tabel 19. Coefficients daya beban Unstandardized t Coefficients Model B Std. Error 1 (Constant) -35.503 29.137 -1.218 Vscr 2.055 .397 5.173 a Dependent Variable: Pb
Selanjunya untuk menentukan kaitan tegangan pemicuan thyristor terhadap daya beban, maka dengan memperhatikan Tabel 17, Tabel 18, dan Tabel 19, menunjukan tingkat pengaruh tegangan pemicuan thyristor terhadap daya beban, yaitu berdasarkan analisis regresi diperoleh suatu persamaan Pb = 2,055 x (Vscr) – 35,503 dengan koefisien determinasi (Rsquare) sebesar 0,843. Dengan nilai tabel F untuk taraf kesalahan 5%, maka diperoleh Fhitung > Ftabel (26,760 > 18,7), yang berarti terdapat hubungan antara tegangan pemicuan terhadap daya beban, yaitu dengan tingkat signifikansi pengaruhnya 84,3%.
•
•
7
Bahwa tegangan pemicuan pada thyristor mempengaruhi tegangan keluaran AC pada beban, yaitu dengan tingkat signifikansi sebesar 93,8% Bahwa semakin besar tegangan pemicuan pada thyristor, maka akan semakin besar pula tegangan keluaran AC pada beban.
SARAN Untuk memperluas pengkajian, maka dapat dilakukan analisis dan penelitian menggunakan jenis dan variasi beban yang lain, ataupun dengan beban dinamik yang bervariasi terhadap gejala transien.
DAFTAR PUSTAKA Dewan. 1975. Power Semiconductor Drives. John Wiley & Sons. New York Heuman. 1986. Basic Principles of Power Electronics. Springer vErlag. New York Hnatek, E.R. 1981. Design of Solid State Power Supplies. Van Nostrand Reihold. New York. Rashid, Muhammad harunur. 1988. Power Electronic. Prentice Hall. New Jersey. Wood, P. 1981. Switching Power Converter. Van Nostrand Reihold. New York.
KESIMPULAN Dengan memperhatikan hasil data dan analisis statistik menggunakan SPSS, maka dapat disimpulkan: 7
