BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Bidang Teknik Elektro merupakan bidang yang sangat luas dan saat ini
sangat dirasakan pesat perkembangannya. Dari penyediaan sumber energi listrik, kontrol industri, peralatan rumah tangga, perangkat audio-video, telekomunikasi, sistem informasi komputer, instrumentasi di sektor medis, bahkan dalam moda sistem transportasi menunjukkan perkembangan yang sangat signifikan. Industri elektro seakan berlomba-lomba untuk menyediakan pirantri elektrik-elektronik untuk kebutuhan dan mempermudah kehidupan manusia. Gaya hidup konsumen pun mulai banyak berubah seiring perkembangan yang ada. Alat transportasi yang awalnya manusia hanya menggunakan alas kaki dan tenaga binatang guna mencapai tempat tujuan, kini sejalan dengan laju perkembangan teknologi, beragam kendaraan diciptakan. Udara, darat, air, semua ada. Semua ini dilakukan dengan maksud agar manusia dapat memiliki mobilitas yang tinggi untuk berpindah dari satu tempat ke tempat lainnya. Permasalahan yang kemudian timbul dengan perkembangan transportasi di era modern sekarang adalah jumlah penggunaan energi yang luar biasa dimana hampir seluruh moda angkutan menggunakan energi fosil. Pembakaran energi fosil pada transportasi modern akan mengeluarkan emisi gas buang dimana sebagian besar dari emisi gas buang tersebut berupa gas rumah kaca yang pada akhirnya akan mengakibatkan pemanasan global. Oleh karena itu belakangan ini 1
2
diupayakan untuk mencari energi alternatif yang tidak mencemari lingkungan, mengalihkan transportasi kepada transportasi yang ramah lingkungan. Salah satu moda transportasi ramah lingkungan yang sudah dikembangkan khususnya di Indonesia adalah mobil listrik. Mobil listrik adalah mobil yang digerakkan dengan motor listrik dan menggunakan energi listrik yang disimpan dalam baterai atau tempat penyimpan energi lainnya. Baterai mobil listrik haruslah secara rutin diisi ulang. Tidak seperti mobil berbahan bakar bensin, mobil listrik dapat diisi baterainya tanpa perlu pergi ke stasiun pengisian tertentu dengan menggunakan battery charger yang langsung bisa dihubungkan ke sumber daya yang ada di rumah. Pengisian baterai juga dapat dilakukan di stasiun pengisian yang ada di jalan atau toko yang menyediakannya (Mangunkusumo, 2013). Dengan gaya hidup manusia modern di zaman sekarang, pengisian baterai pada kendaraan listrik harus diupayakan agar dapat mengisi secara cepat, efisien, aman dan ringkas. Teknologi Switch Mode Power Supply pada battery charger merupakan teknologi konversi yang merupakan aplikasi dari teknologi elektronika daya. Baterai merupakan sumber sekaligus beban listrik dc, sehingga diperlukan teknologi konversi yang mampu mengubah listrik ac menjadi listrik dc sehingga kebutuhan beban dc ini dapat dipenuhi. Listrik ac 220V/50Hz yang disupply PLN kemudian dikonversi ke tegangan dan arus dc yang kemudian dialirkan ke baterai untuk proses pengisian (Mangunkusumo, 2013). Proses konversi dari tegangan ac menjadi tegangan dc di bidang elektronika daya mengaplikasikan teknologi konverter ac – dc (rectifier) dan konverter dc-dc. Pada perkembangannya
3
konverter diusahakan agar memiliki nilai efisiensi setinggi mungkin, dengan cara meminimalkan rugi – rugi konversi (Kamil, 2007). Teknologi konverter yang diaplikasikan sebagai charger battery melalui beberapa tahapan sampai pada listrik dc yang dapat dikendalikan tegangan keluarannya. Listrik PLN dikonversi menjadi tegangan dc (disearahkan) yang kemudian dilewatkan ke inverter sehingga menjadi tegangan ac yang dapat dikendalikan dengan frekuensi yang jauh lebih besar dari frekuensi tegangan dasarnya, tegangan ac ini kemudian dilewatkan transformator frekuensi tinggi untuk mendapat nilai amplitudo tegangan yang diinginkan (step up atau step down tegangan) dan sebagai isolasi galvanic yang memisahkan sisi sumber dan beban. Tegangan ac output dari transformator frekuensi tinggi ini kemudian disearahkan kembali sehingga didapat tegangan dc yang dapat dikontrol. Pengendalian nilai amplitudo tegangan yang dipakai untuk pengisisan baterai dapat dilakukan dengan cara mengendalikan duty cycle keluaran inverter (konverter ac-dc) (Kamil, 2007). Duty cycle inverter merupakan perbandingan dari waktu switching komponen saklar elektronik saat waktu on dengan waktu satu periodenya (Rashid, 2001). Proses switching dapat menimbulkan rugi-rugi akibat adanya tegangan dari parasitic capacitor pada komponen switching yang digunakan. Swithing konvensioal seperti itu dinamakan hard switching. Untuk mengeliminasi rugi-rugi akibat switching, dapat digunakan phase-shifted atau soft switching yakni mengusahakan agar komponen switching bekerja saat kondisi zero voltage transition (ZVT) sehingga rugi-rugi switching bisa dikurangi
4
(Chuang & Ke, 2008). Rangkaian kapasitor snubber dipasang untuk mengurangi stress tegangan dan arus pada proses switching (Rashid, 2001). Dengan menggunakan Switch Mode Power Supply seperti diatas sebagai dasar dari battery charger dan mengaplikasikan soft switching serta transformator frekuensi tinggi diharapkan bisa dicapai battery charger yang lebih ringan, kecil dan efisien dibandingkan battery charger konvensional. 1.2
Rumusan Masalah Pada penelitian ini dilakukan pembuatan dan pengujian battery charger
yang menggunakan konverter dc-dc dengan topologi full-bridge. Transforamtor frekuensi tinggi menjadi salah satu masalah yang diamati karena transformator frekuensi tinggi ini jarang ada dipasaran untuk penggunaan yang spesifik sehingga harus didesain sendiri. Untuk mengurangi rugi-rugi pensaklaran dari metode konvensional, pensaklaran dilakukan dengan menggunakan metode geser fase agar tercapai keadaan Zero Voltage Switching sehingga rugi-rugi pensaklaran dapat dikurangi. Pembahasan yang dilakukan yaitu mengenai tegangan keluaran, arus keluaran, daya keluaran, sumber rugi – rugi, dan efisiensi dari charger baterai. Tes dilakukan pada kondisi berbeban dengan beban berupa lampu pijar dan juga baterai lead-acid 12 V yang disusun seri delapan buah. 1.3
Batasan Masalah Batasan masalah pada skripsi ini adalah sebagai berikut:
5
1.
Perancangan
konverter
dc-dc
topologi
full-bridge
dengan
menggunakan pensaklaran geser fase ZVT sebagai catun daya charger baterai. 2.
Konverter dc-dc full-bridge ini akan menggunakan frekuensi pensaklaran PWM geser fase 25 kHz dan mampu menghasilkan daya 300 W dengan menghasilkan keluaran tegangan 100 V dan arus 3 A dari sumber listrik tegangan rendah PLN 220 V yang disearahkan.
3.
Beban yang digunakan adalah beban resistif, yaitu lampu pijar dan juga baterai lead-acid 12 V yang disusun seri delapan buah .
4.
Pengisian baterai belum memperhatikan SoC dan SoH dari baterai yang dipakai.
5.
Baterai charger yang dirancang belum memperhatikan algoritma pengisian baterai dan sistem manajemen baterai lead-acid.
6.
Penelitian ini belum memperhatikan hubungan nilai induktans bocor dan komponen parasitic terhadap rentang ZVS.
7.
Inti magnetis transformator menggunakan inti ferrite dengan bahan N85 dan ukuran ETD 54 yang merupakan produk dari Epcos.
8.
Aspek yang diuji adalah pada tegangan keluaran, arus keluaran, daya keluaran, dan efisiensi.
1.4
Tujuan Penelitian 1.
Merancang dan membuat konverter dc-dc full-bridge yang mampu menurunkan tegangan masukan ± 311 V menjadi ± 100 V menggunakan transformator frekuensi tinggi.
6
2.
Menerapkan metode penyaklaran phase-shifted PWM (PSPWM) untuk mencapai zero voltage switching (ZVS) pada konverter dc–dc full-bridge dengan efisiensi diatas 80 %.
3.
Konverter yang dirancang bisa digunakan sebagai baterai charger dengan riak tegangan kurang dari 1% dan riak arus kurang dari
1.5
.
Sistematika Penelitian Laporan tugas akhir ini merupakan sebuah karya tulis yang akan
dipaparkan dalam lima bab. Bab pertama berisi pendahuluan. Bab ini membahas mengenai latar belakang penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, dan sistematika penulisan. Bab kedua adalah dasar teori. Bab ini berisi teori yang menjelaskan mengenai konverter ac–dc, konverter dc–dc full-bridge, mikrokontroler dsPIC30F2020, PSPWM, transformator, baterai lead-acid, dan rangkaian penggerak. Bab ketiga adalah perancangan sistem. Bab ini berisi alat, bahan penelitian, jalannya penelitian, perancangan sistem secara keseluruhan. Bab keempat adalah hasil dan pembahasan. Bab ini berisi data hasil pengujian disertai dengan pembahasan. Bab kelima adalah kesimpulan dan saran. Bab ini berisi kesimpulan dari pembahasan yang telah dipaparkan dan saran-saran untuk pengembangan sistem untuk tahap-tahap selanjutnya.
