Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter Satu Fasa Simetri

1

Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter Satu Fasa Simetri Rizki Aulia Ratnani, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo. Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 [email protected]

Abstrak- Rangkaian konverter AC-AC banyak digunakan untuk mengkondisikan daya AC. Ada beberapa teknik pengoperasian elemen kontrol konverter AC-AC dan yang sering kali digunakan dalam rangkaian konverter AC-AC yaitu menggunakan elemen kontrol daya dengan triac atau sepasang thyristor. Namun pada hasil yang diperoleh menunjukan penggunaan triac atau thyristor memiliki kelemahan yaitu faktor daya yang tertinggal disisi input dan masalah pada harmonisa. Oleh karena itu pada tugas akhir ini akan dicoba untuk memperbaiki kelemahan konverter AC-AC tersebut dengan mengoperasikan konverter menggunakan prinsip pulse width modulation (PWM) dengan peralatan kontrol gate turn-off switching seperti IGBT. Hasil yang diperoleh menunjukan Pada PWM AC-AC konverter berbasis IGBT total harmonisa tegangan dengan beban 1000 watt dan tegangan output 200 volt adalah 3.8 %., sedangkan pada AC-AC konverter berbasis thyristor nilainya sangatlah tinggi yaitu 40.2 % begitu pula pada arus THD nya. Secara umum dari hasil perbandingan kedua pengontrol tersebut bahwa secara performansi rangkaian pengontrol tegangan PWM AC-AC konverter berbasis IGBT lebih baik dari pengontrol tegangan AC satu fasa berbasis thyristo Kata kunci: AC-AC Konverter, IGBT, PWM, Thyristor

I. PENDAHULUAN Rangkaian konverter AC-AC merupakan rangkaian yang dapat menghasilkan tegangan keluaran AC variable dari sumber AC konstan. Untuk mendapatkan tegangan AC variable tersebut phase-angle control (PAC) telah banyak digunakan dalam aplikasi kontrol listrik AC. Triac atau sepasang thyristor biasanya digunakan sebagai elemen kontrol daya konvensional AC-AC konverter. Namun pada aplikasinya faktor daya tertinggal disisi input, kemudian berlimpahnya harmonisa orde rendah di kedua output tegangan dan arus. Dan diskontinuitas aliran daya muncul dikedua output dan input. Solusi yang diusulkan untuk memperbaiki cacat tersebut umumnya ada dua kategori : pertama adalah modifikasi rangkaian daya dengan menambahkan jalan freewheeling, ini meningkatkan faktor daya tapi tidak dapat mengontrol karmonisa. Kedua, teknologi yang lebih maju telah dikembangkan. Peningkatan kinerja konverter tersebut dapat dicapai namun lebih komplek dan mahal. Alternative lainnya adalah konverter AC-AC yang dioperasikan dengan prinsip pulse width modulated (PWM) menggunakan peralatan control gate turn-off switching seperti IGBT. Kemajuan saat ini keluarga PWM AC-AC konverter

memungkinkan diaplikasikan pada konversi seperti, dimmer cahaya dan water heater. II. AC-AC Konverter 2.1 PWM AC-AC Konverter Berbasis IGBT Tujuan utama dari konverter daya ini adalah mengubah tegangan AC menjadi tegangan AC yang vairiabel. Komponen utama yang digunakan dalam proses pensaklaran adalah peralatan-peralatan semikonduktor yang mampu berfungsi sebagai saklar/pencacah arus masukan DC. Model semikonduktor yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) yang diseri dengan dioda, dengan tujuan agar tidak ada arus balik melewati IGBT. Rangkaian konverter tersebut menggunakan sinyal PWM dengan frekuensi pensaklaran 10 kHz, diperoleh dengan membandingkan sinyal segitiga 10 kHz dengan sinyal DC referensi.

Gambar 2.1 Desain konverter AC-AC Berbasis IGBT Pada gambar yang disajikan, rangkaian daya terdiri dari saklar DC chopper S yang terletak antara jembatan rectifier dioda yang dihubungkan seri dengan beban dan dua saklar dengan dua dioda freewheeling S1 dan S2 dihubungkan paralel terhadap beban. Hubungan seri saklar S digunakan secara periodik untuk menghubungkan dan memutuskan sumber tegangan dari beban, atau dengan kata lain digunakan

2 untuk mengatur besar daya yang disalurkan ke beban. Saklar paralel S1 dan S2 dimaksudkan sebagai freewheeling bagi aliran arus beban ketika melepaskan energi yang tersimpan (discharge) dari beban induktif ketika saklar seri mati (turn off). Pola penyaklaran (switching) dari saklar pengontrol tegangan ditentukan berdasarkan atas polaritas tegangan sumber dan arus bebannya. Pola penyaklaran dapat dilihat dari table 3.1, dengan saklar chopper S yang selalu termodulasi dengan duty cycle yang konstan. Tabel 2.1 Pola Penyaklaran saklar

Keadaan Vs>0,iL>0 Vs<0,iL>0 Vs<0,iL<0 Vs>0,iL<0

S

S1

S2

1

0

1

0

0

1

1

0

0

0

0

1

1

1

0

0 1 0

1 0 1

0 0 0

Kondisi saklar : 0 = membuka; 1 = tertutup Ketika tegangan suplai dan arus bebannya dalam polaritas yang sama, terjadi pola penyaklaran normal, dimana salah satu saklar paralel S1 atau S2 dalam posisi menyala (turn on) penuh atau mati (turn off) penuh sesuai polaritas tegangan suplai. Dengan kata lain ketika tegangan suplai dan arus induktor positif , S2 dalam kondisi menyala dan S1 dalam kondisi mati, dan begitu sebaliknya. Ketika tegangan dan arus dalam keadaan berbeda polaritasnya, nyala saklar paralel ditentukan oleh sinyal dbari saklar termodulasi S saat tidak kondisi konduksi. Normal penyaklaran dimulai lagi segera saat arus induktor berbalik arah. Dengan pola penyaklaran tersebut, aliran arus kontinyu selalu ada,tanpa mengindahkan arah arus beban. Karna hanya terdapat satu saklar yang termodulasi dan karena hanya satu saklar freewheeling yang menyala pada hampir seluruh paruh waktu periode dari tegangan suplai, maka rugi-rugi akibat penyaklaran dapat dikurangi dengan signifikan dan dapat dicapai efisiensi yang tinggi. Rangkaian logika untuk menyalakan saklar kontrol ditunjukan pada gambar 3.4.

Gambar 2.2 Pemodelan control circuit

Gambar 2.3 Sinyal Saklar S, S1 dan S2

Gambar 2.4 Gelombang output tegangan dan arus

2.2 AC-AC Konverter Berbasis Thyristor Pengontrol dua arah (bidirectional) atau gelombang penuh satu fasa dengan beban resistif ditunjukan pada gambar 2.2 Pengontrol dua arah satu fasa dengan beban resistif yang dilewatkan adalah tegangan dan arus input pada saat perioda positif dan negatif, dan besarnya tegangan dan arus output berubah-ubah sesuai dengan perubahan sudut penyalaan. Untuk beban R sudut pemadaman di titik , dan untuk perioda negatif sudut penyalaannya adalah 𝛼2 = 𝜋 + 𝛼1 dan sudut pemadamannya 𝛽 = 2𝜋, dan begitu juga seterusnya.

3 𝜎 = tan−1

Gambar 2.5 Pengontrol gelombang penuh satu fasa beban resistif Jika sudut penyalaan () diubah (dinaikkan) dan untuk perioda negatif hasil keluaran tegangan rms sama dengan perioda positif (VO-rms pada sudut 1800 sama dengan VO-rms pada sudut 00), hal ini dapat dianalisa berdasarkan persamaan sebagai berikut: 𝑉𝑜−𝑟𝑚𝑠 =

𝑉𝑚

2 𝜋−𝛼 +sin 2𝛼

2

𝜋

𝑉𝑚 = 2 × 𝑉𝑠−𝑟𝑚𝑠

𝜔𝐿 𝑅

(3.6)

Gambar 2.7 Pengontrol gelombang penuh satu fasa beban induktif

(2.1) (2.2)

Gambar 2.6 gelombang tegangan dan arus output beban resistif Dalam praktek, kebanyakan beban berupa induktif. Pengontrol gelombang penuh dengan beban RL ditunjukan dengan gambar 2.4. Untuk pengontrolan dua arah satu fasa dengan beban induktif sama dengan beban R yang dilewatkan adalah tegangan dan arus input pada saat perioda positif dan negatif, dan besarnya tegangan dan arus output berubah-ubah sesuai dengan perubahan sudut penyalaan. Untuk mendapatkan tegangan keluaran rms dapat dperoleh dengan persamaan berikut ini.

Gambar 2.8 gelombang tegangan dan arus output beban induktif Pembebanan pada keluaran konverter adalah resistif dan induktif. Komponen beban yang akan dianalisa adalah resistor dan induktor. Penentuan nilai komponen resistor dan induktor adalah sebagai berikur:  Beban campuran (induktif dan resistif) 𝑅=

2 𝑉𝐿−𝑁 cos 𝜑

𝑋𝐿 =

𝑆 2 𝑉𝐿−𝑁 sin 𝜑

𝑋𝐿

𝑆

𝐿 = 2𝜋𝑓 (Henri)

III.

(2.7) (2.8) (2.9)

HASIL DAN ANALISA

3.1 Pemodelan Sistem 𝑉𝑜−𝑟𝑚𝑠 =

𝑉𝑚

2 𝛽 −𝛼 +sin 2𝛼 −sin 2𝛽

2

𝜋

(3.3)

𝑉𝑚 = 2 × 𝑉𝑠−𝑟𝑚𝑠

(3.4)

𝛽 =𝜋+𝜎

(3.5)

Dalam bab ini akan disimulasikan dan analisa dari sistem pengaturan tegangan pada PWM AC-AC konverter dengan pengaturan AC-AC konverter berbasis thyristor. Berikut adalah tahap-tahap yang dilakukan pada bab ini:

4 1.

Pemodelan sistem pengaturan tegangan pada PWM AC-AC konverter berbasis IGBT dengan pengaturan tegangan pada AC-AC konverter berbasis thyristor, Pemodelan untuk mengevaluasi kinerja respon tegangan pada variasi beban resistif dan induktif. Mengevaluasi kinerja respon tegangan output akibat perubahan 𝑉𝑟𝑒𝑓 , Mengevaluasi kinerja respon tegangan output akibat perubahan tegangan sumber.

2. 3. 4.

3.2 Konverter dan Respon Teganganya Tujuan utama konverter PWM AC-AC adalah mengkonversi tegangan AC menjadi tegangan AC yang variabel. Pengaturan tegangan menggunakan sensing tegangan yang dibandingkan dengan Vref sebagai referensi tegangan keluaran yang akan di kontrol oleh PI kontroler lalu sedemikian rupa sehingga tegangan keluaran menjadi sesuai Vref. Pada sistem ini Vref ditentukan 11 untuk menghasilkan tegangan kelipatan sepuluh dari nilai Vref , sehingga bila Vref diberi nilai 11, maka tegangan outputnya akan 110 volt. Pada simulasi dipasang beban induktif yang terdiri dari komponen resistansi dan induktansi. Bagian yang diukur adalah arus input, tegangan, arus, daya (watt) output konverter, serta total distorsi harmonik (THD) baik arus maupun tegangan. Penentuan beban berdasarkan asumsi awal yaitu menggunakan tegangan 220 V dengan data daya dalam watt dengan cos φ = 0.85. Pada PWM AC-AC Konverter berbasisi IGBT pemberin beban pada rangkaian open loop dapat menyebabkan perubahan tegangan dan arus keluarannya, yaitu semakin besar beban maka tegangan output semakin kecil, sedangkan arus output dan dayanya semakin besar. Pada hasil pengujian rangkain yang dimodifikasi close loop sistem menjadi relatif konstan untuk tegangan outputnya. Pada pengujian dengan perubahan Vref dan pengujian dengan perubahan tegangan sumber menunjukan rangkaian close loop memiliki respon tegangan yang konstan.

12 %

10 8 VTHD

6

ITHD

4

2 210

200

190

180

160

140

120

110

80

100

0

Vout

Gambar 3.1 Grafik respon total harmonik tegangan dan arus rangkaian close loop dengan perubahan Vref

Total harmonic distortion tegangan dan arus pada PWM AC-AC Konverter adalah normal. Dimana standard IEEE 519-1992, THD maksimum untuk arus adalah 2.5% sedangkan THD tegangan maksimum adalah 5%.

Pengujian selanjutnya adalah evaluasi tegangan dengan beban dinamis. Untuk pengujian ini digunakan beban resistif. Simulasi dengan beban yang berubah dalam periode yang singkat, dengan kronologi dari beban 1000 watt dinaikkan secara signifikan dengan periode 0.3s.

Gambar 3.2 Respon tegangan output terhadap perubahan beban pada sistem close loop Pada rangkaian open loop perubahan beban mempengaruhi tegangan keluarannya, sedangkan pada sistem close loop perubahan beban tidak menggangu kestabilan tegangan keluaran, sehingga terlihat gambar gelombang konstan disetiap perubahan beban. Hasil simulasi PWM AC-AC converter berbasis IGBT kemudian dibandingkan dengan konverter AC-AC berbasis thyristor, dapat dievaluasi performansi antara keduannya. Dengan parameter beban dan tegangan output yang sama didapatkan perbandingan sebagai berikut.

5 Tabel 3.1 Tabel Perbandingan PWM AC-AC Konverter berbasis IGBT

𝑉𝑜 𝑟𝑚𝑠 (v)

Konverter Berbasis Thyristor

VTHD(%)

ITHD(%)

PF

VTHD(%)

ITHD(%)

PF

100

5

1.3

0.849

134

64.8

0.60

140

3.5

1.68

0.85

90.9

45

0.68

160

2.88

0.78

0.85

74.1

36.1

0.72

180

2.56

0.57

0.85

57.6

26.8

0.76

200

3.84

1.4

0.85

40.2

16.6

0.79

Secara umum terlihat bahwa dengan tegangan output rms yang sama, pengontrol tegangan PWM AC-AC converter berbasis IGBT mempunyai performansi yang lebih baik dari pada pengontrolan tegangan AC-AC converter berbasis thyristor. THD %

150 100 THYRISTOR 50

IGBT

0 100

140

160

180

200

Vout RMS

Gambar 3.3 Grafik perbandingan respon THD tegangan antara rangkaian IGBT dengan thyristor. 70 THD % 60 50 THYRISTOR

40 30

IGBT

20 10 0

Vout RMS

100 140 160 180 200 Gambar 3.4 Grafik perbandingan respon THD arus antara rangkaian IGBT dengan thyristor. IV.

KESIMPULAN

Dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang berjudul “Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter Satu Fasa Simetri” dengan melalui studi literatur, perancangan, pengujian dan evaluasi, maka dapat disimpulkan bahwa:

1. PWM AC-AC konverter satu fasa simetri dengan berbasis IGBT menghasilkan tegangan sinusoidal dengan distorsi harmonisa yang kecil, dan faktor daya yang mendekati 1. 2. PWM AC-AC konverter satu fasa simetri dengan berbasis IGBT pada sistem close loop menghasilkan keluaran tegangan AC yang konstan dengan tegangan sumber yang berubah-ubah, dan juga pada saat perubahan beban. 3. Pada PWM AC-AC konverter berbasis IGBT di dapatkan bahwa dengan beban 1000 watt dan tegangan output 200 volt menghasilkan arus THD 1.4 %, sedangkan pada ACAC konverter berbasis thyristor nilainya arus THD sangatlah tinggi yaitu 16.6. 4. Dengan beban dan tegangan output yang sama dengan pengujian arus THD, total distorsi harmonisa tegangan PWM AC-AC konverter berbasis IGBT adalah 3.8 %, sedangkan pada AC-AC konverter berbasis thyristor nilainya juga sangat tinggi yaitu 40.2 %. 5. Secara umum dari hasil perbandingan kedua pengontrol tersebut bahwa secara performansi rangkaian pengontrol tegangan PWM AC-AC konverter berbasis IGBT lebih baik dari pengontrol tegangan AC satu fasa berbasis thyristor. V.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Muhammad H Rashid , “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2001 [2] Nabil A. Ahmed, ”Comprehensive analysis and transient modeling of symmetrical single phase PWM AC–AC voltage converters”, Science Direct. 2010 [3] W. Shephard, “Thyristor Control of AC Circuit”, Grosby-lockwood Staples, St. Albans, UK, 1975. [4] Ashari, Mochamad. Diktat Kuliah Elka Daya. Teknik Elektro-ITS Surabaya.

6

VI.

RIWAYAT PENULIS

Rizki Aulia Ratnani, dilahirkan di Sukoharjo-Jawa Tengah, pada 9 April 1989 dari pasangan dari Sutaryo dan Hanik Farida sebagai anak kedua. Menyelesaikan studi di Program Diploma 3 Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada pada tahun 2010, dengan Tugas Akhir berjudul ”Otomatisasi Buka-Tutup Atap Pada Pengering Gabah”. Pada tahun 2010 melanjutkan studi di Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya melalui program Lintas Jalur dan mendalami ilmu Sistem Tenaga Listrik. Penulis dapat dihubungi lewat [email protected]