CONTINOUS UPS PADA BEBAN KOMPUTER Johan Febriawan 1, Indhana Sudiharto 2, Yahya Chusna Arif ², 1
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS, Surabaya Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS, Surabaya 2 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS, Surabaya Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111 Telp:+62085730574000, Fax:-, Email:
[email protected] 2
ABSTRAK Peralatan elektronik yang sensitif seperti PLC, Komputer dan lain-lain umumnya menggunakan UPS sebagai sumber cadangan. UPS yang banyak digunakan adalah UPS jenis offline, kelemahan dari UPS jenis offline ini adalah timbul gangguan tegangan melendut atau sagging maupun tegangan hilang sesaat atau voltage momentary interuption. Gangguan tersebut timbul pada saat peralihan saat suplai PLN padam dan tegangan disuplai dari UPS. Gangguan tegangan seperti ini untuk peralatan sensitif mengalami proses reset, dan dapat mengganggu proses produksi. Sehingga dirancang continous UPS yang dapat mengatasi persoalan diatas. UPS Continous ini bekerja secara terusmenerus, sehingga tidak ada jedah waktu saat PLN padam dan mengalami pergantian suplai maupun mengalami gangguan tegangan. Continous UPS ini terdiri dari rangkaian charger, rectifier, double boost converter, dan inverter 1 fasa. Baterai yang digunakan sebesar 24 V yang akan di charge oleh charger otomatis dan digunakan sebagai sumber masukan boost converter dan menghasilkan keluaran boost converter sebesar 175 Vdc. Input rectifier berasal dari jalajala PLN dan outputnya digunakan sebagai input inverter 1 fasa. Output dari rectifier dan output dari boost converter dihubungkan secara parallel. Inverter 1 fasa menggunakan jenis squarewave. Dari percobaan kami, maka diperoleh hasil dengan gelombang tegangan output gelombang kotak dan nilainya dapat dilihat dengan power harmonic analyzer. continous UPS ini hanya mampu mensuplai beban CPU sebesar 300 VA. Tegangan keluaran UPS sebesar 200 Vac saat PLN menyala normal. Tegangan keluaran UPS saat PLN padam sebesar 148.9Vac.
Kata kunci: UPS, Rectifier, Charger, Boost converter, Invereter ABSTRACT Sensitive electronic device like PLC, computer and the others use UPS offline type generally as backup source. The weakness of this UPS offline type is rise of sagging voltage disturbance or voltage momentary interruption when transition supply of PLN to UPS backup supply. Voltage disturbance for sensitive device be through reset process and can disturb production process. Therefore, designed continuous UPS which run continuously, then there is no lag of time when PLN go off and commutation supply or voltage disturbance. This continuous UPS consist of charger circuit, rectifier, double boost converter, and single phase inverter. Battery which is used has 24 V as input source of boost converter and produce output of boost converter is 175 Vdc. Rectifier input come from PLN source and these output used as inverter single phase input. Rectifier output and boost converter output are connected parallel. Single phase inverter used square wave type, then on the output side mounted phi filter to get sine wave. This continuous UPS can supply load 300 VA. From our experiment,so obtened result with squarewave output voltage and value is visible with power harmonic analyzer. This continous UPS only supply CPU load is 300VA. Output voltage is 200Vac when PLN on. Output voltage is 148.9Vac when PLN off.
Keywords: UPS, Rectifier, Charger, Boost converter, Inverter 1.
PENDAHULUAN Peralatan elektronik sekarang kebanyakan menggunakan perangkat lunak karena dianggap lebih efisien dalam penggunaan komponen. Akan tetapi dalam penggunaannya peralatan tersebut membutuhkan backup energi seperti UPS agar dapat mempertahankan peralatan elektronik tersebut bekerja normal. UPS adalah perangkat yang biasanya menggunakan baterai backup sebagai catuan daya alternatif, untuk dapat memberikan suplai daya yang tidak mengganggu perangkat elektronik yang terpasang. Salah satu penyebab terjadinya proses reset ketika suplai jala-jala PLN padam pada peralatan electronik yang sensitif adalah adanya jedah waktu saat pergantian suplai enegi cadangan seperti pada UPS jenis offline. Jedah waktu tersebut muncul karena UPS offline menggunakan relai yang membutuhkan waktu beberapa milidetik. . Diharapkan dengan adanya Continous UPS ini, beban sensitif seperti komputer dapat mempertahankan kinerjanya dengan normal saat suplai PLN padam maupun mengalami gangguan seperti kedip tegangan sesaat. Pada jurnal terdahulu Teknik perbaikan kualitas daya pada pembangkit tenaga hybrid dengan menggunakan filter pasif, yaitu filter clc digunakan untuk mengurangi harmonisa pada sisi output. Dimana
tegangan input sebesar 100 Vdc dinaikan dengan boost converter menjadi 220 Vdc yang kemudian diinverter agar output menjadi 220 Vac. Kemudian difilter clc agar output inverter yang tadinya berupa gelombang kotak menjadi gelombang sinus. Melanjutkan penelitian tersebut, maka kami menambahkan rectifier yang dimana input diambil dari jala-jala PLN dan output terhubung paralel dengan output boost converter dan menjadi input inverter. Jadi saat pergantian suplai dari PLN ke baterai 24 Vdc yang digunakan sebagai sumber dari boost converter, tidak ada jeda waktu akibat switch, karena terhubung secara langsung. 2. METODE PENELITIAN Metode penelitian yang digunakan pada continous UPS ini adalah terdapat pada blok diagram sistem pada Gambar 1 dibawah ini : PLN
DC Power Supply ACCU 24 V
Charger ACCU 6 Vdc
Beban
Inverter
Boost SENSOR TEGANGAN AC
R egulator T egangan 0- 6 Vdc ke 0- 5 Vdc
LCD
PWM
PWM
Mikrokontroller
Rectifier 0- 5 Vac ke 0- 5Vdc
Gambar 1. Blok diagram sistem Dari gambar blok diagram di atas, dapat dijelaskan sebagai berikut : a) PLN adalah sumber jala-jala 220 Vac yang digunakan untuk mengaktifkan beban dan mencharge accu. b) DC power supply digunakan untuk mengubah sinyal AC menjadi sinyal DC ketika suplai PLN bekerja normal. c) Inverter mengubah sinyal DC dari output Rectifier menjadi sinyal AC kembali yang dihubungkan dengan beban setelah filter. d) Charger accu ini bekerja otomatis saat accu terisi penuh maka proses charge akan berhenti. e) Accu dihubungkan mikrokontroller sebagai sumber dan dihubungkan dengan Boost konverter sebagai input dan output Boost dihubungkan dengan output Rectifier. f) Mikrokontroller digunakan sebagai switch mosfet pada inverter dan IGBT pada Boost g) Mikrokontroller juga digunakan untuk menampilkan nilai tegangan output inverter pada layar LCD. Dengan penjelasan diatas, saat PLN dalam keadaan normal maka beban dapat tersuplai dengan baik. Dan ketika suplai PLN padam maupun mengalami gangguan sesaat, maka suplai dari aki 24 Vdc akan dinaikan tegangannya dengan menggunakan boost converter dan keluarannya masuk ke inverter sehingga beban dapat tersuplai dengan baik tanpa ada jedah waktu dalam pergantian suplai. 3. HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
L
D IGBT
BEBAN
DC C
DRIVER IGBT
PWM
Gambar 2. Rangakaian Boost Konverter Pada Gambar 2 merupakan rangkaian boost converter dengan PWM untuk menyulut IGBT boost converter. PWM untuk penyulutan Boost Converter dibangkitkan oleh rangkaian mikrokontroller ATmega 16. Boost converter memperoleh masukan dari baterai aki 24 Vdc dan didesain untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 50 Volt dan
didesain lagi sehingga menghasilkan tegangan keluaran 220 volt. Berikut ini parameter-parameter perencanaan boost konverter yang ke II: Tegangan Input (Vin) = 50 V Tegangan Output (Vo) = 220 V Arus Output (Io) =2,87A f = 40 kHz Dari persamaan berikut: L
Vin 1 * Vout V f Vin * V V f f out
1 * I L
L = 330,096 uH C out
I * D *T Q C .rms VO VO
(1)
C out 146uF
Maka diperoleh nilai L=330,096 µH dan C= 146 µF. Dan parameter-parameter perencanaan boost konverter yang ke I: Tegangan Input (Vin) = 24 V Tegangan Output (Vo) = 50 V Arus Output (Io) =13,3A f = 40 kHz Dari persamaan berikut: L
Vin 1 * Vout V f Vin * V V f f out
1 * I L
L = 35,38 uH C out
I * D *T Q C .rms VO VO
C out 2049 uF
(2)
Maka diperoleh nilai L=35,38 µH dan C= 2262 µF. Setelah dirancang, kemudian pembuatan alat tersebut akan dicoba. Double boost converter ini akan dicoba dengan menggunakan input dari aki 2x12Vdc/70Ah yang terhubung secara seri. Beban yang digunakan pada uji double boost ini adalah lampu pijar 2x250W/220-240Vac terhubung parallel. Gambar 3 menunjukan bentuk gelombang penyulutan pada sisi base emitter IGBT Boost1 dan Boost2. Dan bentuk gelombang keluaran dari boost converter ditunjukkan Gambar 4. Pengujian boost converter II dilakukan dengan supply tegangan dari output Boost I duty cycle 70%. Data yang diperoleh ditunjukan pada tabel 1.
Gambar 3. Bentuk gelombang penyulutan pada sisi base emitter IGBT Boost1 dan Boost2 (Volt/div= 10Volt, Time/div =5µS
Gambar 4. Bentuk gelombang keluaran boost converter (Volt/div= 50Volt, Time/div =5µS)
Tabel 1. Data pengujian boost converter 2 Iin
Vout
Iout
Pin
Pout
Efisiensi
1
Cycle(%) 50%
Vin boost2/Vout boost1 (V) 74.6
(A) 3.9
(V) 151.8
(A) 1.8
(W) 290.94
(W) 273.24
(%) 93.92
2
60%
70.9
5.4
176.3
1.9
382.86
334.97
87.49
3
70%
71.4
7.1
212
2.1
506.94
445.2
87.82
No.
Duty
Berdasarkan Tabel 1 diperoleh efisiensi boost converter menurun saat besarnya duty cycle bertambah besar. Hal ini dimungkinkan karena desain inductor yang kurang baik sehingga terjadi banyak rugi-rugi yang menyebabkan efisiensi boost converter rendah. 3.1 Perencanaan dan pembuatan rangkaian Inverter Rangkaian inverter ini digunakan untuk merubah tegangan DC sebesar 220 V keluaran dari boost konverter menjadi tegangan AC sebesar 220 V . Komponen semikonduktor yang digunakan adalah MOSFET. Gambar 5 menunjukkan gambar rangkaian inverter fullbridge satu phase. Besarnya tegangan keluaran inverter bergantung pada sudut penyulutan dari base MOSFET. Pengaturan rangkaian trigger ini dilakukan dengan Pulse Width Modulation (PWM).
Q1
Q2
VS BEBAN
Q3
Q4
Driver Mosfet
Driver Mosfet
Mikrokontroller ATMEGA 16
Gambar 5. Rangakaian Inverter full bridge satu phase Untuk keluaran tegangan pada inverter sama dengan tegangan masukan dari inverter, seperti pada persamaan :
(3)
Setelah dirancang dan dilakukan simulasi dengan PSIM, kemudian pembuatan alat tersebut akan dicoba. Double boost converter ini akan dicoba integrasi dengan inverter 1 phase. Beban yang digunakan pada uji double boost dan inverter ini adalah lampu pijar 2x100W/220-240Vac terhubung parallel. Duty cycle boost 1 sebesar 70%. Gambar 6 menunjukan bentuk gelombang penyulutan pada sisi base emitter IGBT Boost2. Data yang diperoleh ditunjukan pada table 2.
Gambar 6. Bentuk gelombang penyulutan pada sisi base emitter IGBT Boost2 (Volt/div= 10Volt, Time/div =5µs) Tabel 2. Pengujian Double boost + inverter 1 fasa Duty Iout Vout Iout Vout No. cycle Inverter Boost2 Boost2 Inverter boost 2 (%) (Vdc) (A) (V) (A)
Beban lampu pijar
1
50
192
0.4
216.5
0.2
100W
2
60
156.9
0.8
206
0.65
200W
3.3 Hasil Penelitian Yang Dilakukan 4.5.1 Pengujian Integrasi system saat suplai PLN normal Pada pengujian integrasi system ini, semua bagian dari blok-blok diagram yang telah diuji digabungkan menjadi satu yang meliputi DC power suplai, charger otomatis, aki, boost converter, inverter. Beban yang digunakan menggunakan lampu 2x100W/220-240Vac terhubung paralel. Bentuk gelombang tegangan keluaran system saat suplai PLN normal ditunjukkan pada Gambar 7 sedangkan Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian integrasi system saat PLN normal. Tabel 3. Hasil pengujian integrasi system saat suplai PLN dalam kedaan normal Vin
Iin
(V)
(A)
Iout Boost (A)
1
200
1
0.3
210
0.84
200
2
200
1.5
0.35
200
1.26
300
No.
Vout Iout Beban lampu Inverter Inverter pijar (V) (A) (W)
Gambar 7. Bentuk gelombang tegangan keluaran system saat suplai PLN dalam keadaan normal 4.5.2 Pengujian Integrasi system saat suplai PLN padam Pada pengujian integrasi system saat PLN padam ini, semua bagian dari blok-blok diagram yang telah diuji masih digabungkan menjadi satu yang meliputi DC power suplai, charger otomatis, aki, boost converter, inverter. Beban yang digunakan menggunakan lampu 2x100W/220-240Vac terhubung paralel. Duty cycle boost 1 sebesar 70%. Bentuk gelombang duty cycle boost 2 ditunjukkan pada Gambar 8 sedangkan Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian integrasi system saat PLN padam. Tabel 4. Hasil pengujian integrasi system saat suplai PLN dalam kedaan padam Iout Vout Iout Beban Boost2 Inverter Inverter lampu pijar (A) (V) (A) (W)
Vin
Iin
(V)
(A)
1
0
0
0.8
175
0.79
200
2
0
0
1.5
164
1.13
300
No.
Gambar 8. Bentuk gelombang tegangan keluaran system saat suplai PLN dalam keadaan padam
4.5.3 Pengujian Integrasi system saat suplai PLN Padam dengan beban CPU + LP 25W/220-240 Vac
-
-
BA
Vo_inv
BE
Vi_inv Vo_b2
ER
Vo_b1
TE R
Vi_b2
Vi_b1
IN V
BO OS T
2
1 BO OS T
DC
N
+
+
Pada pengujian integrasi system ini, semua bagian dari blok-blok diagram yang telah diuji digabungkan menjadi satu yang meliputi aki, boost converter, inverter. Beban yang digunakan menggunakan lampu pijar 25W/220-240Vac terhubung parallel dengan CPU. Tabel 5 menunjukan data hasil pengujian integrasi system dengan beban CPU. Sedangkan gambar 9 menunjukan tegangan output inverter dan arus input dari aki. Tabel 5. Hasil pengujian integrasi system saat suplai PLN dalam kedaan padam beban CPU No. Vi_rec Ii_rec (V) 1
0
Vi_b1 (A) (V) 0
24.6
Vo_rec
Vo_b2
(A)
(V)
(V)
(V)
(A)
2
0
134.8
148.9
0.24
Ii_b1
Vo_INV
Io_INV
Gambar 9. Keadaan Beban CPU yang digunakan
4. KESIMPULAN Berdasarkan Hasil simulasi yang diperoleh dengan menggunakan PSIM dapat disimpulkan : 1. 2. 3.
Integrasi sistem saat PLN nyala mampu mensuplai beban lampu pijar 3x100W/220-240Vac dengan tegangan output inverter 200 Vac saat input menggunakan variac 200Vac. Integrasi sistem saat PLN padam mampu mensuplai beban lampu pijar 3x100W/220-240Vac dengan tegangan output inverter 164 Vac saat input menggunakan aki 24V. Continous UPS ini tidak mampu mensuplai beban CPU karena saat PLN padam suplai cadangan hanya mampu menghasilkan tegangan 148.9 Vac dengan sumber aki 24 Vdc.
5. DAFTAR PUSTAKA [1] Muhammad H. Rhasid,“POWER ELECTRONICS : CIRCUITS, DEVICE, AND APPLICATIONS, 2ND ED.”,PT Prenhallindo, Jakarta,1999 [2] Yahya Chusna Arif, Indhana Sudhiarto, Teknik perbaikan kualitas daya pada pembangkit tenaga hybrid dengan menggunakan filter pasif, EEPIS – Journal, Volume 11, Mei 2006
