ELEKTRONIKA DAYABAB 5:

REACTIFICATION OF UTILITY INPUT USING DIODE RECTIFIERS

KELOMPOK 1ANGGOTA :1. Ziqri Umardi (1310951059)2. Ilham Julian (1310952016)3. Hatta Kartinaldi (1310951013)4. Aulia Rahman (1310951064)5. Arie Amri Marta (1310951072)6. Fahrul Hidayat Zeen (1310952011)

DOSEN PEMBIMBING :Muhammad Imran Hamid. . MT, Ph.D

JURUSAN TEKNIK ELEKTROFAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS ANDALASPADANG

BAB 5REACTIFICATION OF UTILITY INPUT USING DIODE RECTIFIERS

5-1 PENDAHULUAN

System tanaga elektronik mendapatkan tenaga dari sumbernya seperti pada gambar 5-1, gambar ini menunjukan distorsi arus yang besar, yang menggangu kualitas tenaga dari sumbernya . selanjutnya system tenaga pada sumber dapat menggangu sistm operasi elektroniknya. Hal tersebut dapat diuji pada BAB ini.

Gambar 5-1, blok diagram system tenaga elektronik

5-2 DISTORSI DAN FACTOR TENAGA

Untuk mengukur distorsi arus pada system tenaga elektrik, diperlukan definisi yang jelas. Sebagai dasarnya lambing R-L pada gambar 5-2a yang diberi sumber sinusoidal tetap. Tegangan dan arus phasor pada gambar 5-2b, dimana Ø adalah sudut yang arus lagging terhadap tegangan. Menggunakan nilai rms untuk tegangan dan besaran arus, tenaga rata-rata yang dapat diberikan sumber adalah

(5-1)

Factor tenaga (PF) dengan tenaga yang didefenisikan pada rasio rata-rata tenaga sebenarnya untuk memberikan tegangan rms dan arus rms:

(5-2)

Tegangan yang diberikan pada (5-2) arus rmsnya adalah

(5-3)

Ini menunjukan factor tenaga PF dan arus Is adalah berbanding terbalik. Arus yang mengalir, berubah dan hal tersebut menyebabkan kerugian pada resistansi. Inilah kenapa satuan factor tenaga digambarkan nilai arus rms yang minimum.

Gambar 5-2 Tegangan dan arus phasor pada contoh R-L circuit.

5-2-1 nilai rms distorsi arus dan distorsi harmonic total(THD)

Arus sinusoidal pada gambar 5-2 memiliki distorsi nol. Adapun system tenaga elektronik dengan rectifier diode yang distorsi arus berbentuk gelombang is (t) pada gambar 5-3a. nilai tegangan vs (t) diasumsikan sinusoidal. Dianalisa secara umum, penerapannya yaitu satu phasa atau tige phasa dengan analisis 1 basisi phasa.

Bentuk gelombang arus is (t) pada gambar 5-3 mengulangi perioda T1. Dengan analysis rourier dengan perulangan bentuk gelombang ini kita akan mendapatkan nilai frekuensi (=1/T1) komponen is1 (t) menunjukan titik pada gambar 5-3 a. komponen distorsi idistorsi (t) pada masukan arus berbeda dengan is (t) komponen frekuensi pokok is1(t):

(5-4)

Dimana idistorsi(t) digunakan (5-4) pada gambar (5-3b).komponen distorsi ini berisikan dari komponen pada frekuensi yang juga pada frekuensi pokok.

Diperoleh nilai rms dari is (t) pada gambar 5-3a kita akan menggunakan definisi dasar dari rms:

(5-5)

Menggunakan Eq 5-4

(5-6)

Pada perulangan bentuk gelombang. Integralan dari dua komponen harmonic (mencangkup pokok-pokoknya) pada frekuensi yang berbeda melebihi perulang perioda waktu, sama dengan nol:

(5-7)

Dengan pergantian Eq 5-6 ke Eq 5-5 dan menggunakan Eq 5-7 dan memberikan istilah ke tiga dari integral pada Eq 5-6 sama dengan nol,

(5-8)

Atau

(5-9)

Dimana nilai rms dari komponen dasar frekuensi dan komponen distorsi adalah :

(5-10)

Dan

(5-11)

Pada pokok nilai rms dan komponen distorsi pada masukan arus I s (t) indeks distorsi atau total distorsi harmonic (THD) adalah di defenisikan dalam persentase berikut:

Dengan menggunakan Persamaan. 5-9 ke dalam Persamaan. 5-12,

Nilai rms dari komponen distorsi dapat diperoleh berdasarkan harmonik

komponen (kecuali fundamental) dengan menggunakan Persamaan. 5-7:

di mana Ish adalah nilai rrns dari harmonik komponen "h".

• Contoh 5-1 Arus is gelombang persegi diperlihatkan pada Gambar. 5-4a. Hitung dan

rencanakan komponen frekuensi fundamental dan komponen distorsinya. Apa

% THD berkaitan dengan bentuk gelombang ini?

Solusinya Dari analisis Fourier, (t) dapat dinyatakan sebagai

Komponen frekuensi fundamental dan komponen distorsi direncanakan pada Gambar.

5-4b dan 5-4c.

Gambar 5-4 Contoh 5-1.

5-4

Karena nilai rms Is dari gelombang persegi sama dengan I , nilai rms dari

Komponen distorsi dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan. 5-9 dalam Pers. 5-15

Oleh karena itu, dengan menggunakan definisi THD,

5-2-2 The Displacement Power Factor (DPF) dan ·Power Factor (PF)

Selanjutnya, kita akan memperhitungkan faktor daya (PF) di mana daya ditarik oleh suatu muatan dengan distorsi arus gelombang seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5-3a. Seperti sebelumnya, dapat diasumsikan bahwa utilitas yang disediakan-garis frekuensi tegangan vs(t)

sinusoidal, dengan nilai rms Vs dan frekuensi f1 (ω12 π ) . Berdasarkan Persamaan. 5-7, yang

menyatakan bahwa hasil dari istilah cross-frequency memiliki rata-rata nol, rata-rata daya P ditarik oleh muatan pada gambar. 5-3a hanya untuk komponen fundamental frekuensi arus:

Oleh karena itu, berbeda dengan persamaan. 5-1 untuk muatan linier, dalam muatan menarik arus terdistorsi, mirip dengan Persamaan. 5-1

Dimana Φ1 merupakan sudut dimana frekuensi-fundamental arus komponen vs (t) tertinggal dari tegangan, seperti yang diperlihatkan pada gambar. 5-3a.

Pada tahap ini, istilah lain disebut Displacement Power Factor (DPF) perlu diperkenalkan, dimana

karena itu, dengan menggunakan DPF dalam Pers. 5-17,

Dengan adanya distorsi dalam arus, yang dimaksud dan karena itu definisi faktor daya,di mana daya sesungguhnya rata-rata P diambil, masih sama pada persamaan 5-2, itu adalah, perbandingan daya sesungguhnya dengan hasil tegangan rms dan arus rms :

5-5

Subtitusi persamaan. 5-19 untuk P ke Persamaan. 5-20,

Pada muatan linier yang menarik arus sinusoidal, perbandingan arus ( Is1 I I s) pada persamaan 5-21 adalah kesatuan, maka PF = DPF . Persamaan 5-21 menunjukkan : distorsi tinggi gelombang arus mengakibatkan faktor daya yang rendah, bahkan jika DPF tinggi. Dengan menggunakan persamaan 5-13, perbandingan ( Is1 I I s) pada persamaan 5-21 dapat dinyatakan dalam istilah distorsi harmonik total sebagaimana

Karena itu, pada persamaan 5-21,

Pengaruh THD pada faktor daya ditunjukkan pada Gambar. 5-5 dengan membuat grafik ( PF = DPF ) dan THD Hal ini menunjukkan bahkan bahwa jika DPF adalah kesatuan, total distorsi harmonik pada 100 persen (yang mungkin dalam sistem elektronik listrik kecuali

tindakan perbaikan yang diambil) dapat mengurangi faktor daya kurang lebih 0,7 (atau 1

√ 2 =

0,707 tepatnya )

Gambar 5-5 hubungan antara PF/DPF dan THD

5-6

5-2-3 efek gangguan distorsi harmonic dan factor daya rendah

Ada beberapa efek gangguan dari distorsi tinggi di gelombang arus dan factor daya rendah sebagai hasil yang seharusnya. Ada sebagai berikut:

Rugi –rugi Daya di perlengkapan keperluan seperti distribusi dan saluran transmisi, transformer dan penambahan generator, kemungkinan batas memuat berlebih kepadanya.

Arus harmonic dapat member muatan lebih pada kapasitor shunt yang digunakan untuk keperluan bantuan tegangan dan mungkin karena kondisi resonansi antara reaktansi kapasitif dari kapasitor itu dan reaktansi induktif pada distribusi dan saluran transmisi.

Keperluan gelombang tegangan akan juga menjadi distorsi, mempengaruhi dengan kurang baik beban linear yang lain, jika beban bagian yang signifikan dipenuhi oleh keperluan daya dengan arti arus distorsi.

5-2-3-1 petunjuk harmonic

Dalam rangka mencegah keburukan di kualitas daya, rekomendasi petunjuk (dalam rupa IEEE-519) telah disugesti oleh IEEE (IEEE (Institute of Electrical and ElectronicsEngineers). Petunjuk tempat bertanggung jawab memelihara kualitas daya di konsumen dan keperluan pengikut :1) pada daya konsumen, seperti penggunaan system elektronik daya, pada limit distorsi di memindahkan arus dan 2) di keperluan untuk meminjam keperluan tegangan yaitu sinusoidal dengan sedikit dari sejumlah distrosi spesifik.

Batas pada distorsi arus dengan IEEE-519 ditunjukkan pada table 5-1, dimana limit arus harmonic, seperti rasio fundamental komponen, yang spesifik untutk variasi frekuensi harmonic. Juga, batas pada THD adalah spesifik. Ada limit yang dipilih untuk mencegah distorsi pada gelombang tegangan untuk keperluan persediaan.

Oleh karena itu, batas pada distorsi di table 5-1 ditentukan oleh kekakuan keperluan persediaan , yang mana ditunjukkan oleh gambar 5-6a dengan sumber tegangan V, di seri dengan impedansi internal Z. sebuah sumber teganagn ideal memiliki impedansi internal nol. Di kenyataan, sumber tegangan pada akhir distribusi saluran tegangan panjang, contohnya akan memiliki impedansi internal yang besar.

Untuk menentukan kekakuan di sumber, short circuit arus I, ditambahkan dengan hipotesis penempatan short circuit pada terminal sumber, ditunjukkan pada gambar 5-6b. pada kekakuan sumber harus ditambahkan di relasi arus beban. Bagaimana juga, kekakuan ditentukan oleh rasio yang ditentukan dengan ratio dipanggil dengan short circuit ratio (SCR).

Dimana I, adalah komponen fundamental frekuensi beban arus. Table 5-1 ditunjukkan itu sekecil tario short circuit cocok untuk bataas bawah pada izin distorsi di arus . untuk short circuit ratio kurang dari 20, total distorsi harmonic di arus haris sedikit dari 5 persent. Daya elektronik system itu bertemu batas, dapat juga bertemu lebih daribatas kekakuan sumber.

Itu seharusnya divatat di IEEE-519 yang tidak dimaksud petunjuk harmonic untuk individual satuan perlengkapan tapi juga untuk agregat beban (seperti industrial proses) terlihat dari pelayanan masuk, yang mana juga point of common coupling (PCC) dengan petunjuk yang sepesifik bentuk individu dengan perlengkapan seperti pemutar motor. Ada standar harmonic yang lain seperti IEC-1000, yang mana digunakan untuk individual bentuk perlengkapan.

5-3 KLASIFIKASI DEPAN DAN BELAKANG SYSTEM DAYA ELEKTRONIK.

Interaksi keperluan sumber dan daya elektronik system ditentukan oleh depan dan belakang (dalam unit pdaya proses), yang mana konversi saluran frekuensi AC menjadi DC. Ada depan dan belakang yang dapat dengan luas diklasifikasikan seperti:

Jembatan diode pengkoreksi( ditunjukkan digambar 5-7a) yang mana daya aliran hanya di satu arah.

Switch mode konversi ( ditunjukkan pada gamabar 5-7b) yang mana daya aliran dapa terbalik dan saluran arus adalah sinusoidal pada satuan factor daya.

Tiristor konversi (ditunjukan pada gambar 5-7c) di mana daya aliran dapat menjadi dua arah.

Semua ada depan dan belakang yang dapat didisain kepada penampilan dengan single phase ( satu pasa ) atau tiga fasa keperluan sistem. Di diskusi bawah, deksripsi singkat tentang penampilan diode ditunjukkan pada gambar 5-7a disajikan, tambahan dari hasil analisa yang diperoleh dari computer simulasi. Penampilan digunakan switch mode konversi pada gambar 5-7b dan tiristor konversi pada gambar 5-7v dakan didiskusikan pada terakhir buku.

5-4 DIODA JEMBATAN RECTIFIER DEPAN BELAKANG.

Kebanyakan daya elektronik sistem menggunakan diode jembatan rectifier, seperti ditunjukkan pada gambar 5-7a, bahkan melalui mereka yang menggambar arus dengan distorsi gelombang tinggi dan daya dilaluinya dapat mengalir hanya pada satu arah. Di switch mode daya sumber dc itu , jembatan diode rectifiers dilengkapai oleh factor daya koreksi rangkaian , untuk berteu bata arus harmonic.

Diode rectifiers saluran frekuensi ac menjadi dc melaluo dc bus kapasitor , tanpa banyak control berlebih pada saluran bus teganga dc. Untuk analisis interaksi antara keperluan dan daya elektronik sistem, switch mode konversi dan beban di representasikan dengan ekivalen resistanvi R melalui bus dc kapasitor. Di asumsikan diode ideal.

5-4-1.Penyearah((Dioda) menggunakan satu phasa

Pada level daya sekitar beberapa Kw,seperti pada suatu kawasan daerah,sistem Daya elektronik disuplai oleh sumber satu phasa.Sistem satu phasa biasanya digunakan pada rangkaian penyearah penuh,seperti yang terlihat pada gambar 5-8,dimana L adalah jumlah dari induktansi internal untuk keperluan penyuplaian dan induktansi eksternal.

L tersebut sengaja ditambahkan ke rangkaian dan diserikan dengan R ,hal ini berguna untuk meminimalisir rugi-rugi daya(AC).

Gambar 5-8.Rangkaian dioda penyearah secara menyeluruh

Seperti yang terlihat digambar 5-9,dimana awalnya pada siklus setengah lingkaran positif terdapat masukan tegangan Vs,sedang kapasitor sudah dihubungkan ke tegangan DC Vd.Ketika nilai Vd melebihi tegangan input,maka semua dioda akan mengalami bias mundur sehingga arus masukan adalah nol.

Daya yang masuk ke Hambatan equivalen disuplai oleh energi yang tersimpan didalam kapasitor selama t1.

Setelah t1,arus masukan Is=Idr(mengalami kenaikan),mengalir melewati Dioda D1 dan D2.

Setelah t2,tegangan masukan menjadi lebih kecil dari tegangandi kapasitor dan arus masukan mengalami penurunan hingga akhirnya bernilai nol pada t3.

Setelah t3 sampai setengah siklus berikutnya ,arus masukan yang bersisa hanya bernilai nol,dan daya yang disuplai ke Req masih deiberikan oleh energi yang tersimpan dalam kapasitor.

Gambar 5-9.Bentuk gelombag arus dan tegangan pada rangkaian menyeluruh dioda penyearah

Ketika selama setengah siklus negative dari tegangan masukan,arus masukan mengalir melewati dioda D3 dan D4.Arus yang telah disearahan (Idr)tetap mengalir kearah yang sama selama sikus setengah positif .Bagaimanapun Is= -Idr seperti pada gambar 5-9.

Gambar 5-10 menunjukan bentuk gelombang yang diperoleh menggunakan simulas Pspice untuk 2 nilai induktansi ac,dengan arus TMD berturut-turut 86% dan 62%.

PadaKenyataannya Idr mengalir dengan arah yang sama baik selama setengah siklus positif maupun negative pada proses penyearah.Pada rangkaian di gambar 5-8,semua bentuk gelombang diulang dari satu siklus ke yang lain.

Oleh karena itu,nilai rata-rata dari arus kapasitor pada siklus satu line frekuesi harus nol dengan keadaan tegangan dc berada dalam kondisi siap.

Sebagai konsekuensinya,arus rata-rata yang melewati Req sama dengan arus yang melewati penyearah DC dimana Id=Idr.

5-4-1-1 Pengaruh Ls dan Cd pada bentuk gelombang dan THD

Seperti gambar 5-9 dan 5-10,Daya yang didapat dari suplai digambarkan dalam bentuk pulsa arus setiap siklus setengah lingkaran,lebar dari kaki pulsa ini tergantung pada lama arus yang lewat,menurunkan niai maksimum dan total harmonic distorsi(THD).

Lebar pulsa ini dapat menunjukkan pertambahan induktansi Ac (Ls).Parameter lain yang dikontrol adalah nilai dari capasitor Dc.Pada kondisi minimum,ini cukup bisa membawa gelombang arus di Idrdan di Id(yang pada prakteknya adalah arus masukan dc ,dengan gelombang pulsa dari konverter pada mode switch)dan untuk menjagapuncak puncak gelombang di dalam tegangan dc agar cocok dengan nilainya,contohnya kurang dari 5% dari nilai rata-rata bus dc,asumsikan ini merupakan keadaan paksaan,lebih kecil dari nilai Cd,kecil dari THD dan besar dari gelombang di tegangan bus Dc.