JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
1
Sistem Perbaikan Faktor Daya Pada Penyearah Diode Tiga Phasa Menggunakan Hysteresis Current Control Denny Prisandi, Heri Suryoatmojo, Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro – Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected] &
[email protected] Abstrak – Penyearah memiliki kekurangan yaitu total harmonic distortion (THD) arus input yang besar, sehingga berpengaruh terhadap faktor daya yang menjadi turun. Dengan metode hysterisis current control (HCC) dapat memperbaiki gelombang arus input yang semula terdistorsi menjadi gelombang sinusoida. Sistem yang dikembangkan menggunakan tambahan tiga saklar bidirectional yang dipasang pada tiap phasa sisi sumber. Ketiga saklar tersebut dikendalikan dengan hysteresis current control, yaitu penyalaan yang didasarkan atas perbandingan antara arus input sumber dengan referensi yang diinginkan. Saklar tersebut berfungsi menyuntikkan arus ke phasa sumber agar terbentuk gelombang sinusoida 50 Hz.
II. DASAR TEORI A. Boost Rectifier Tiga Phasa Rangkaian boost rectifier digunakan untuk menaikkan arus pada tiap phasa. Pada saat saklar di-on kan maka arus akan naik dengan cepat melaui induktor karena impedansi pada induktor yang kecil. Ketika saklar di-off kan maka arus akan turun menuju nilai arus phasa semula. Naik dan turunnya arus pada phasa akan dikontrol dengan hysteresis current control yang bertujuan untuk membentuk sinyal input sesuai dengan arus referensi.
Kata Kunci : Faktor daya, hysterisis current control (HCC), penyearah tiga phasa, total harmonic distortion (THD).
K
I. PENDAHULUAN
EBUTUHAN akan energi listrik di Indonesia dengan tegangan dc belum bisa diperoleh secara langsung dari PLN karena sejauh ini PLN hanya menghasilkan tegangan ac. Untuk mendapatkan tegangan dc diperlukan suatu rangkaian pengkonversi dari ac ke dc atau disebut penyearah (rectifier). Penyearah tersebut dapat menyebabkan faktor daya dari sumber ac menjadi rendah dan menyuntikkan harmonisa arus ke dalam sistem ac. Untuk mendapatkan sumber dc namun tidak menurunkan kualitas daya, maka dibutuhkan suatu penyearah yang dilengkapi dengan rangkaian PFC (power factor correction). Berbagai macam rangkaian power factor correction telah dikembangkan, salah satu cara untuk mendapatkan faktor daya yang tinggi adalah dengan menggunakan metode hysteresis current control (HCC). Pada artikel ini akan memperbaiki kinerja dari penyearah tiga phasa gelombang penuh dengan menggunakan metode hysteresis current control. Sistem ini menggunakan tambahan tiga saklar bidirectional yang dipasang pada tiap phasa sisi sumber. Ketiga saklar tersebut berfungsi menyuntikkan arus ke phasa sumber agar terbentuk gelombang sinusoida 50 Hz. Dengan menggunakan metode ini akan didapatkan penyerah dengan faktor daya yang tinggi dan dengan THD yang rendah.
Gambar 1. Rangkaian boost rectifier
Berdasarkan pada referensi [3] nilai induktor pada topologi rangakian jenis ini dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut: 2
2
V V 36 L (2 3 3). 3 i 3,8489 10 2. i (1) 7 f Po 2 f Po B. Hysteresis Current Control Teknik hysteresis current control adalah sistem kontrol closed loop yang menggunakan sinyal error e(t) untuk membuat pola penyalaan pada saklar untuk mengontrol arus input sumber ac. Dimana e(t) adalah selisih antara arus referensi (Iref) dan arus input sumber ac (Iact).
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
e(t ) Iref Iact
(2) Gambar 2. menunjukkan hysteresis current control secara garis besar. Arus referensi akan dikurangi dengan arus aktual,dimana arus aktual adalah arus input sumber ac. Jika selisihnya adalah bernilai positif maka rangkaian kontrol akan memberikan sinyal untuk menaikkan arus aktual. Jika hasil selisih negatif maka rangkaian kontol akan memberikan sinyal untuk menurunkan arus aktual.
2 penuh, rangkaian pembentuk arus referensi dan rangkaian hysteresis current control. penyearah 3 Phaasa gelombang penuh
Sumber 3 Fasa
Regulator Tegangan
Iact
Iref
+
Hysteresis Current Control
Beban
Idc Bi-directional Switch
Iref
Gambar 4. Diagram blok penyearah menggunakan hysteresis current control
B. Arus Referensi Gelombang arus referensi didapat dari arus DC pada output penyearah dengan menggunakan sensor arus dan kemudian dikalikan dengan gelombang sinus yang didapat dari tegangan di sisi sumber AC menggunakan sensor tegangan. Dapat ditulis sebagai berikut:
Gambar 2. Logika hysteresis current control
Gambar 3. menunjukkan Ilustrasi hysteresis current control. Arus aktual akan dikontrol agar naik dan turun mengikuti sinyal referensi sehingga terbentuk hysteresis band. Jika lebar band ini semakin kecil maka ripple yang dihasilkan akan semakin bagus namun frekuensi switching sangat tinggi. Hysteresis band harus dikontrol agar ripple yang dihasilkan sesuai standart dan frekuensi switching tidak terlalu tinggi.
Gambar 3. Ilustrasi hysteresis current control
III. PERENCANAAN SISTEM A. Konfigurasi sistem Secara garis besar sistem yang dibuat terdiri dari berbagai subsistem yang antara lain penyearah tiga phasa gelombang
Pdc Pac 3 Vacrms Iacrms
(3)
Pdc Vdcrms Idcrms
(4)
Iacrms
Vdc rms Idcrms 3 Vac rms
(5)
Dari persamaan diatas didapatkan Iacrms , maka untuk mendapatkan gelombang sinus referensi (Iref) adalah:
Vac rms Iref ( Iacrms 2 ) Vm
(6)
Iref I m sint
(7)
C. Rangkaian Hysteresis Current Control Suatu metode hysteresis current control memerlukan gelombang sinus referensi. Gelombang arus input akan dikontrol sesuai dengan gelombang referensi tersebut. Gelombang arus referensi (Iref) akan dikurangi dengan arus input (Iphasa) dan hasil selisihnya dibandingkan oleh sebuah komparator dengan ground (nol). Apabila selisih bernilai positif maka komparator akan mengeluarkan logika 1 sehingga bidirectional switch akan on dan arus input akan naik. Ketika selisih bernilai negatif maka komparator akan mengeluarkan logika 0 sehingga bidirectional switch akan off dan arus input akan kembali menuju nilai awal sebelum naik. Metode hysteresis current control hanya dapat menaikkan arus input dan tidak dapat menurunkan arus input. Ketika bidirectional switch dalam keadaan on arus tidak disalurkan ke rectifier tetapi melewati induktor menuju ground. Impedansi induktor yang kecil menyebabkan arus naik dengan cepat. Dalam keadaan off arus tidak diturunkan tetapi arus disalurkan kembali ke rectifier sehingga arus dikembalikan pada posisi semula sebelum naik.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
3
Faktor daya adalah perbandingan antara daya aktif dan daya total. Daya total terdiri dari daya aktif dan daya reaktif. Daya yang dimanfaatkan pada peralatan listrik adalah daya aktif, sehingga bila perbandingan antara daya aktif dan daya total sama akan semakin bagus. Berikut ini adalah hasil simulasi faktor daya rangkaian penyearah tiga phasa gelombang penuh. Tabel 3. Faktor daya penyearah tiga phasa gelombang penuh
Gambar 5. Rangkaian HCC dengan pengaturan hysteresis band
Frekuensi switching dapat diatur dengan cara mengatur lebar band hysteresis. Bila lebar band hysteresis diperbesar maka frekuensi switching semakin rendah sehingga pemilihan frekuensi switching dari komponen dapat disesuaikan. IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA A.
THD dan Faktor Daya Penyearah Tiga Phasa Gelombang Penuh Konvensional Pada simulasi menggunakan daya beban sebesar 7,5 kW (33,33Ω) dan tegangan sumber 220 volt. Tabel 1. THD arus input penyearah konvensional
Beban (Ohm)
IR
THD (%) IS
IT
33,33 Ω
30,7673%
30,7673%
30,7673%
I1 (A) 17,01
3,84
1,93
1,53
I13 (A)
Pout (W)
Sin (VA)
PF
33,33 Ω
7500
7162,5
0,955
B.
THD dan Faktor Daya Penyearah Tiga Phasa Gelombang Penuh dengan Hysteresis Current Control Data dibawah ini adalah THD dan faktor daya penyearah tiga phasa gelombang penuh menggunakan hysteresis current control dengan lebar hysteresis band minimum. Spesifikasi desain yang akan disimulasikan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut: Tegangan input (Line to netral) : 220 Volt Tegangan output (Vout) : 500 Volt Daya output (Pout) : 7500 Watt Induktor (L) : 5 mH Tabel 4. THD dengan lebar hysteresis band minimum
Tabel 2. Arus harmonisa penyearah konvensional
Arus harmonisa I5 (A) I7 (A) I11 (A)
Beban (Ohm)
Beban R Po (watt) (Ω) 33,33
Irms(A)
1,10
7500
L (mH)
C (µF)
Phasa R
5
100
6,84
THD (%) Phasa Phasa S T
6,65
6,80
Tabel 5. Arus harmonisa penyearah menggunakan HCC
12,58 I1 (A)
Arus harmonisa I5 (A) I7 (A) I11 (A)
16,11
0,65
0,32
0,11
I13 (A) 0,11
Irms(A) 11,45
Gambar 6. Gelombang arus input penyearah konvensional
Gambar 8. Spectrum harmonic arus input penyearah menggunakan HCC lebar hysteresis band minimum Tabel 6. Faktor daya dengan lebar hysteresis band minimum
Gambar 7. Spectrum harmonic arus input penyearah konvensional
Beban (Ω) 33,33
Phasa R
Faktor Daya Phasa S
Phasa T
0,997
0,997
0,997
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
4
Gambar 9. Arus input menggunakan HCC dengan hysteresis band minimum
Gambar 12. Arus input menggunakan HCC dengan pengaturan lebar hysteresis band
Gambar 10. Frekuensi switching dengan hysteresis band minimum
Data dibawah ini adalah THD dan faktor daya penyearah tiga phasa gelombang penuh menggunakan hysteresis current control dengan lebar hysteresis band yang diatur.
Gambar 13. Frekuensi switching dengan pengaturan lebar hysteresis band Tabel 8. Faktor daya dengan pengaturan hysteresis band
Beban (watt)
Tabel 7. THD dengan pengaturan lebar hysteresi band
Beban (watt)
7500
Lebar band (A)
IR
THD (%) IS
IT
0,5
0,997
0,997
0,997
1
0,996
0,996
0,996
1,5
0,995
0,995
0,995
IR
THD (%) IS
IT
Fs (kHz)
0,5
7,52
7,58
7,59
49
1
8,64
8,56
8,61
24
2
0,994
0,994
0,994
1,5
9,56
9,69
9,63
16
2,5
0,993
0,993
0,993
2
10,62
10,65
10,66
12
2,5
18,20
18,08
17,93
9
Lebar band (A)
Gambar 11. Spectrum harmonic arus input penyearah menggunakan HCC dengan pengaturan lebar hysteresis band
7500
C.
Pengujian Penyearah Tiga Phasa Gelombang Penuh dengan HCC Terhadap Perubahan Beban
Gambar 14. Arus phasa dengan beban tiga kali beban awal
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6
5 Jika kurang atau lebih dari range tersebut, desain sistem tidak akan berjalan dengan baik. D.
Perbandingan Penyearah Konvensional dengan Penyearah Menggunakan Hysteresis Current Control Tabel dibawah ini adalah perbandingan parameterparameter antara penyearah konvensional dan penyearah menggunakan hysteresis current control Tabel 10. Perbandingan penyearah konvensional dengan penyerarah menggunakan hysteresis current control
Gambar 15. Arus phasa dengan beban empat kali beban awal
Parameter Faktor daya THD Iac_max Iac_rms Vdc_rms Idc_rms
Penyerah Konvensional 0,955 30,76% 18,21 A 12,58 A 513,63 V 15,41 A
Penyearah dengan HCC 0,998 6,72% 16,12 A 11,46 A 492,78 V 14,81A
Gambar 16. Arus phasa dengan beban setengah dari beban awal
Pada gambar 14 adalah arus phasa dengan daya beban tiga kali dari daya beban awal. Pada t = 0,05s daya naik menjadi dua kali, dan t = 0,1s daya naik menjadi tiga kali daya awal sehingga THD juga naik namun masih dalam batas toleransi. Pada gambar 15 adalah arus phasa dengan daya beban empat kali dari daya beban awal. Pada t = 0,15 daya naik menjadi empat kali, THD menjadi besar dan memerlukan nilai induktor yang lebih kecil karena kenaikan arus yang cepat. Pada gambar 16 adalah arus phasa dengan daya beban setengah kali dari daya beban awal. Pada t = 0,05 daya turun menjadi setengah , THD juga naik dari 4% menjadi 5%. Pada gambar 15 adalah arus phasa dengan daya beban sepertiga dari daya beban awal. Pada t = 0,15 daya turun menjadi sepertiga, THD naik dari 6% menjadi 13% dan memerlukan nilai induktor yang lebih besar karena arus yang mengalir lebih kecil.
Gambar 17. Perbandingan tegangan output penyearah konvensional (biru) dengan penyearah menggunakan HCC (merah)
Tabel 9. Batas kemampuan desain
Range Daya (watt)
Faktor Daya
THD (%)
3750
0,987
13,8 %
Gambar 18. Perbandingan arus input penyearahkonvensional (biru) dengan penyearah menggunakan HCC (merah)
7500
0,998
6,72 %
15000
0,999
3,46 %
V. KESIMPULAN
22500
0,995
4,43 %
30000
0,814
44,78%
Dari hasil analisa yang telah dilakukan, beberapa hal yang dapat disimpulkan adalah : 1. Hasil simulasi penyearah konvensional dicatu dengan tegangan 220V/380V, dengan beban 7,5 kW (33,33 Ω) diperoleh faktor daya rata-rata sebesar 0,95 dan (total harmonic distortion) THD sebesar 30,76%.
Dari data pada tabel 9. dapat disimpulkan bahwa desain yang dibuat untuk daya 7500 watt dapat bekerja dengan baik dengan range antara 7500 watt sampai dengan 22.500 watt.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-6 2. Hysteresis current control (HCC) memperbaiki arus input dengan cara memasukkan arus menggunakan saklar bidirectional kedalam saluran fasa melalui induktor, sehingga arus tersimpan pada induktor dan disalurkan ke beban saat discharge dalam bentuk tegangan. 3. Dengan mengatur lebar band hysterisis maka frekuensi switching dapat disesuaikan dengan pemilihan kemampuan komponen. 4. Hasil simulasi penyearah menggunakan hysteresis current control diperoleh faktor daya mencapai 0,99, total harmonic distortion (THD) sebesar 6,7% dan sudah sesuai dengan standard IEC 61000 – 2 – 3. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Jurusan Teknik Elektro – Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS). DAFTAR PUSTAKA [1] Muhammad H Rashid , ― Power Electronics Handbook‖, Academic Press, 2001 [2] Ali I maswood, Fangrui Liu, ―A Unity Power Factor Front-End Rectifier With Hysteresis Current Control‖ IEEE Trans. Power Electron., vol.21, no.1, March. 2006. [3] E. L. M. Mehl and I. Barbi, ― An Improved High Power Factor And Low-Cost Three-Phase Rectier‖, IEEE Trans. Ind. Appl., vol.33, no.2, pp. 485—492, Mar./Apr. 1997. [4] A. I. Maswood, A. K. Yusop, and M. A. Rahman, ― A Novel Suppressed-Link Rectier-Inverter Topology With Unity Power Factor‖, IEEE Trans. Power Electron., vol.17, no.5, pp. 692—700, Oct. 2002. [5] F. Liu and A. I. Maswood, ― A Novel Near-Unity Power Factor AC Drive‖, in Proc. 2003 IEEE Int. Conf. Power Electronics and Drive Systems (PEDS), Singapore, pp. 1090—1094.
6
