## PENYEARAH TERKENDALI SATU FASA BERUMPAN BALIK DENGAN PERUBAHAN GAIN PENGENDALI PI ( PROPORSIONAL INTEGRAL )
Adhi Kusmantoro, ST, MT [1] Ir.Agus Nuwolo, MT [2]
1,2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas PGRI Semarang Jl. Sidodadi Timur No.24 – Dr.Cipto Semarang
Email : adhiteknik@gmail.com

## ABSTRACT
Penyearah  Tak-terkendali  (penyearah)  merupakan    rangkaian  yang  mengubah  sumber tegangan  arus  bolak-balik  (AC)  menjadi  sumber  tegangan  arus  searah  (DC)  tetap.  Penyearah terkendali  (konverter)  merupakan  rangkaian  yang  mengubah  sumber  tegangan  AC  menjadi  sumber tegangan  DC  yang  dapat  dikendalikan/diatur.  Dalam  perancangan  rangkaian  penyearah  terkendali dapat dilakukan dengan umpan balik tegangan menggunakan pengendali PI (Proporsional Integral). Pemakaian pengendali proporsional integral (PI) pada penyearah terkendali satu fasa dan tiga fasa tanpa  umpan  balik  tidak  berpengaruh  terhadap  besarnya  amplitudo  tegangan  dan  arus  beban, sehingga amplitudo tegangan dan arus beban tidak dapat dikendalikan. Pemasangan beban R, beban R-L, beban R-C pada penyearah terkendali umpan balik satu fasa dan tiga fasa, amplitudo tegangan dan  arus  beban  dapat  dikendalikan  dengan  mengatur  harga  proporsional  integral.  Semakin  besar nilai  proporsional    integral  (PI)  maka  amplitudo  tegangan  dan  arus  beban  juga  bertambah  besar. Pada  penyearah  setengah  gelombang  tiga  fasa,  penggunaan  beban  R-L  mengakibatkan  perubahan tegangan  dan  arus  beban  yang  lambat  jika  dibandingkan  menggunakan  beban  R.  Penyearah terkendali  satu  fasa  dengan  beban  R-L-C  menghasilkan  amplitudo  tegangan  dan  beban  yang  tetap, sehingga  penggunaan  pengendali  proporsional  integral  kurang  begitu  berpengaruh  terhadap keluaran pada beban.
Kata Kunci : Penyearah Terkendali, Thyristor, Pengendali PI
1.  P ENDAHULUAN
Rangkaian elektronika daya merupakan  suatu  rangkaian  listrik  yang dapat  mengubah  sumber  daya  listrik  dari bentuk  gelombang  tertentu  (seperti  bentuk gelombang  sinusoida)  menjadi    sumber daya  listrik  dengan  bentuk  gelombang  lain (seperti  gelombang  nonsinusoida  atau gelombang arus searah) dengan menggunakan  piranti  semikonduktor  daya. Semikonduktor  daya  memiliki  peranan penting  dalam  rangkaian  elektronika  daya. Semikonduktor  daya  dalam  rangkaian
elektronika  daya  umumnya  dioperasikan sebagai  sakelar (switching) ,  pengubah (converting) ,  dan  pengatur (controlling) sesuai  dengan  unjuk  kerja  rangkaian elektronika  daya  yang  diinginkan.  Aplikasi rangkaian elektronika daya biasanya digunakan  pada  peralatan  konversi  daya listrik  yang  besar;  seperti  :  transmisi  daya listrik,  pengaturan  motor  listrik  secara elektronis  di  industri,  hingga  peralatan listrik keperluan sehari-hari. Sebagai contoh pengaturan lampu ( dimmer) dan Uninterutable Power Supply (UPS)
merupakan  aplikasi  rangkaian  elektronika daya yang sering dijumpai dalam pemakaian sehari-hari.Penyearah Tak- terkendali (penyearah) merupakan rangkaian yang mengubah sumber tegangan arus  bolak-balik  (AC)  menjadi  sumber tegangan arus searah (DC) tetap. Penyearah terkendali (konverter) merupakan rangkaian yang  mengubah  sumber  tegangan  AC menjadi  sumber  tegangan  DC  yang  dapat dikendalikan/diatur.  Penyearah  terkendali banyak digunakan untuk rangkaian inverter dan soft  starter. Tujuan  dari  penelitian  ini adalah untuk merancang penyearah terkendali  yang  mempunyai  kestabilan tegangan keluaran dengan perubahan beban, harmonik tegangan yang rendah dan daya  keluaran  yang  besar.Hasil  penelitian dapat  menjadi  salah  satu  informasi, evaluasi,  dan    referensi    Universitas  PGRI Semarang  dalam  merancang  penyerarah terkendali secara efektif. Dari data/ informasi  yang  berupa  tegangan,  arus,  dan harmonisa tegangan dari rancangan rangkaian pengendali thyristor dapat digunakan untuk banyak aplikasi elektronika  daya,  misalnya variabel  speed drive.

## 2. T INJAUAN P USTAKA
Penyearah thyristor dengan sudut fasa terkendali  merupakan  penyearah  yang
sederhana,  lebih  murah,  dan  efisiensi penyearah  ini  diatas  95%.  Thyristor  dapat dikendalikan sudut fasanya dengan memberikan  sinyal  kendali  atau  sinyal pemicu pada gerbangnya. Aplikasi penyearah  terkendali  banyak  digunakan  di industri  khususnya  pada variable  speed drives motor  induksi  dengan  daya  rendah sampai dengan daya yang tinggi. Penyearah terkendali  dapat  dikelompokkan  dalam  dua jenis  tergantung  pada  sumber  tegangan masukannya,  yaitu    penyearah  terkendali satu fasa dan penyearah terkendali tiga fasa. Selain  itu  konverter  penyearah  terkendali dapat digolongkan lagi, yaitu semikonverter, konverter setengah gelombang,  konverter  gelombang  penuh, dan dual konverter. Semikonverter merupakan  konverter  satu  kuadran  dan hanya memiliki satu polaritas tegangan dan arus  keluaran.  Konverter  gelombang  penuh merupakan  konverter  dua  kuadran  yang dapat mempunyai tegangan keluaran positif maupun  negatif.  Sedangkan  arus  keluaran konverter gelombang penuh hanya berharga positif.  Dual  konverter  akan  bekerja  pada empat  kuadran  dan  dapat  menghasilkan tegangan  maupun  arus  keluaran  yang berharga  positif  maupun  negatif  (Rashid, Power Electronics).
Gambar 2.1 Konverter thyristor setengah
gelombang
Jika m V adalah tegangan masukan maksimum,  maka  tegangan  keluaran  rata- rata  dan  rms  dapat  diturunkan  sebagai berikut :
                  t V dt t V V m m dc cos 2 . sin 2 1 ) cos 1 ( 2     m dc V V (2.1) 2 / 1 2 2 . sin 2 1             dt t V V m rms 2 / 1 2 ). 2 cos 1 ( 4              dt t V m 2 / 1 2 2 sin 1 2        
           m rms V V (2.2)
Gambar 2.2 Rangkaian semikonverter satu fasa
Konverter  gelombang  penuh  satu  fasa banyak digunakan di industri dengan rating daya  sampai  dengan  15  kW.  Konverter jenis  ini  sangat  tergantung  pada  sudut penyalaan  , sehingga tegangan keluaraan rata-rata  dapat  berharga  positif  maupun negatif  dan  beroperasi  pada  dua  kuadran Tegangan  keluaran  rata-rata  konverter gelombang penuh satu fasa dapat ditentukan  sebagai  berikut  (Mohan,  Power Electronics):
                  t V dt t V V m m dc cos 2 2 . sin 2 2   cos 2 2 m dc V V  (2.3)
2 / 1 2 2 . sin 2 2               dt t V V m rms 2 / 1 2 ) . 2 cos 1 ( 2  
             dt t V m
S m rms V V V   2 (2.4)
Gambar 2.3 Konverter gelombang penuh satu fasa
Gambar 2.4 Rangkaian konverter dual satu fasa
Konverter dual satu  fasa banyak digunakan pada  variabel  speed  drive  motor  induksi.
Sudut 2 1 ,   adalah  sudut  penyalaan konverter  1  dan  2.  Jika  konverter  yang
pertama  bekerja  sebagai  penyearah  maka konverter  yang kedua akan bekerja sebagai inverter. Kedua konverter akan
menghasilkan  tegangan  keluaran  rata-rata yang  sama.Tegangan  keluaran  rata-rata konverter  dual  satu  fasa  ditentukan  dengan persamaan  sebagai  berikut  (Rashid,  Power Electronics):
1 1 cos 2   m dc V V  (2.5)
2 2 cos 2   m dc V V  (2.6)
2 1 dc dc V V   atau ) cos( cos cos 1 1 2        

## 3. M ETODE P ENELITIAN
Gambar 3.1 Algoritma penelitian
Pendekatan yang digunakan dalam pelaksanaan  penelitian  ini  menggunakan pendekatan kuantitatif. Kebutuhan
masyarakat industri akan pemakaian penyerarah terkendali untuk mengendalikan mesin  –  mesin  di  industri  dengan  kualitas yang  baik  pada  saat  sekarang  sangat dibutuhkan,  karena  sangat  mempengaruhi proses  produksi.  Populasi  dalam  penelitian ini  adalah  rangkaian  penyearah  terkendali satu fasa dan penyearah terkendali tiga fasa. Pengambilan  sampel  dilakukan  dengan membuat  model  simulasi  menggunakan Power Simulator (PSim 9.2) dan
implementasi rangkaian berdasarkan rancangan model. Sampel diperoleh dengan mengambil  data  baik  pada  masukan maupun  pada  beban.  Instrumen  yang digunakan  dalam  penelitian  ini  adalah variabel  atau  besaran  listrik  yang  meliputi tegangan  beban,  arus  beban,  daya  beban, dan harmonisa tegangan. Teknik pengumpulan data atau pengambilan datadilakukan dengan melakukan pengujian model  simulasi  menggunakan  beban  yang berbeda.  Beban  yang  digunakan  berupa beban resitif (R), induktif  (L), dan kapasitif (C) dan pemasangannya secara seri maupun paralel.  Model  rangkaian  menggunakan sumber satu fasa dan tiga fasa

## 4. H ASIL DAN P EMBAHASAN

## A. Tanpa Umpan Balik
Gambar 4.1 Rangkaian penyearah terkendali tanpa umpan balik.
Gambar 4.2 Bentuk gelombang keluaran pada pengaturan PI = 91.
Gambar 4.3 Bentuk gelombang keluaran pada pengaturan PI = 31.
Dengan  pengaturan  harga  proporsional integral (PI) pada penyearah terkendali satu fasa  tanpa  umpan  balik  tidak  berpengaruh terhadap  amplitudo  tegangan  dan  arus
beban.  Pengaruhnya  hanya  pada  bentuk gelombang tegangan dan arus beban.

## B. Dengan Umpan Balik.
Gambar 4.4 Rangkaian penyearah terkendali setengah gelombang.
Gambar 4.5 Bentuk gelombang keluaran penyearah setengah gelombang
Gambar 4.6 Rangkaian penyearah terkendali
gelombang penuh beban R-L-C.
Dalam  perancangan  penyearah  terkendali satu  fasa  dengan  umpan  balik,  maka tegangan  keluaran  pada  beban  memberikan sinyal  umpan  balik  yang  dibandingkan dengan tegangan masukan melalui komparator  Op-Amp.  Selisih  sinyal  ini akan digunakan sebagai sinyal pemicu pada thyristor.Beban  R-L-C  pada  rangkaian gambar  4.6  dapat  diganti  dengan  beban  R, beban  R-L,  dan  beban  R-C.  Penggunaan beban resitif memperlihatkan bahwa amplitudo  tegangan  beban  akan  berkurang pada  saat  menggunakan  nilai  proporsional integral  yang  rendah,  sehingga  semakin rendah harga parameter proporsional integral  maka  amplitudo  tegangannya  akan semakin  kecil.  Beban  R-L  yang  digunakan dalam  penyearah  terkendali  satu  fasa dengan  kapasitas  6  ohm  dan  0.01  mH, sedangkan  beban  R-C  dengan  kapasitas  4 ohm  dan  800  F.  Beban  R-L-C  seri  yang digunakan  dalam  penyearah  terkendali gambar  4.6  dengan  kapasitas  4  ohm,  0,01 mH, dan 0,8 µF.
Gambar 4.7 Bentuk gelombang tegangan dan arus pada pengaturan PI = 100 beban R .
Gambar 4.8 Bentuk gelombang tegangan dan arus pada pengaturan PI = 15beban RL.
Gambar 4.9 Bentuk gelombang tegangan dan arus pada pengaturan PI = 12 beban RC.
Jika  kapasitas  beban  R-C  pada  rangkaian penyearah terkendali gelombang penuh satu fasa  berubah  menjadi  400  ohm  dan  0,8µF, makasemakin  besar  nilai  proporsional integral akan menyebabkan respon keluaran semakin cepat mencapai amplitudo tegangan beban yang diinginkan.
Gambar 4.10 Bentuk gelombang tegangan beban pada pengaturan PI = 58 beban RC.
Gambar 4.11 Bentuk gelombang tegangan dan arus pada pengaturan PI = 17 beban RLC.

## C. Penyearah Terkendali Terhubung Seri
Dalam  perancangan  pada  gambar  4.12 digunakan  dua  buah  penyearah  terkendali dengan  beban  R-L  terhubung  secara  seri dan  kapasitas  beban  yang  digunakan masing–masing 50 ohm dan 0,006 H. Hasil pengujian memperlihatkan kedua
konvertermenghasilkan amplitudo tegangan yang sama besar dan saling berlawanan.
Gambar 4.12 Rangkaian dual konverter satu fasa beban RLC.
Gambar 4.13 Bentuk gelombang tegangan keluaran beban RL.
Tabel 4.1 Hasil pengujian penyearah terkendali
Gambar 4.14 Bentuk gelombang tegangan keluaran beban RC.
Gambar 4.15 Bentuk gelombangtegangan
keluaran beban RLC.

## 5. K ESIMPULAN
1. Pemakaian  pengendali  proporsional integral (PI) pada penyearah
terkendali  satu  fasa  tanpa  umpan balik  tidak  berpengaruh  terhadap besarnya amplitudo tegangan dan arus beban,  sehingga  amplitudo  tegangan dan arus beban tidak dapat dikendalikan.
2. Pemasangan  beban  R,  beban  R-L, beban R-C pada penyearah terkendali umpan  balik  satu  fasa,  amplitudo tegangan  dan  arus  beban  dapat dikendalikan  dengan  mengatur  harga proporsional  integral.  Semakin  besar nilai  proporsional    integral  (PI)  maka amplitudo  tegangan  dan  arus  beban juga bertambah besar. 3. Penyearah terkendali satu fasa dengan beban R-L-C menghasilkan amplitudo  tegangan  dan  beban  yang tetap, sehingga penggunaan pengendali proporsional integral kurang  begitu  berpengaruh  terhadap keluaran pada beban.
4. Pada  penyearah  setengah  gelombang satu  fasa  dengan  umpan  balik, pengaturan harga proporsional integral  tidak  berpengaruh  terhadap besarnya amplitudo tegangan beban.

## D AFTAR P USTAKA
Hart,  DW.(1997), Introduction  to  Power Electronics ,  Indiana:  Prentice-Hall International, Inc.
IEEE Transactions on Power Electronics.
IEEE Transactions on Industry Applications. IEEE Transactions on Industrial
Electronics.
Kassakian (1991), Schlecht, and Verghese, Principles of Power
Electronics , Addison Wesley.
Mohan  (2003),  Undeland,  Robbins, Power
Electronics , 3 rd ed., Wiley.
P.  Krein  (1998), Elements  of  Power
Electronics , Oxford.
Rashid,  MH.  (1988), Power  Electronics:
Circuits,  devices  and  application ,
New Jersey: Prentice-Hall, Inc.
Rashid  (2004), Power  Electronics ,  3 rd ed.,
Prentice Hall