Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus Menggunakan Metode Current Space Vector Modulation (CSVM) Untuk Aplikasi UPS Haris Amrullah, 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
cukup populer pada masa kini, karena menyuplai harmonik yang lebih rendah dari modulasi lainnya yaitu salah satunya sinusoidal PWM. Inverter sumber arus pada saat ini kurang populer dibanding dengan tipe inverter sumber tegangan, tetapi keuntungan yang ada pada CSI cukup besar yaitu tidak menginjeksi harmonisa arus, dan mengatur arus output dari inverter secara langsung. Hal inilah yang mendasari pemilihan teknik ini untuk implementasi kali ini.
Abstrak-UPS (Uninterrupted Power Supply) disebut sebagai backup tenaga jika tenaga listrik utama mengalami gangguan, sehingga saluran daya ke beban terus mengalir. UPS menjadi suatu solusi dimana masa sekarang masih kurang bermutunya saluran tenaga listrik jala-jala khususnya di daerah yang jauh dari pusat-pusat beban. Sistem UPS termasuk dalam kategori beban non linier yang dapat menyuntikkan harmonisa arus dan tegangan ke jala-jala. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka diimplementasikan UPS dengan menggunakan topologi inverter sumber arus metode “current space vector modulation” dengan sumber arus yang di bangkitkan dari buck konverter dengan tegangan DC 250 VDC dengan arus keluaran 100 A konstan, untuk menghasilkan tegangan output bolak balik 380 VAC line to line, dengan Total Harmonic Distortion maksimum arus 2.5% dan tegangan adalah 5%. Pengujian sistem ini dengan metode stand alone. Kata kunci: Inverter Sumber Arus, Pengaturan Tegangan, Space Vector Modulation
I.
II.
INVERTER SUMBER ARUS dan CSVM
2.1 Inverter Tiga Fasa Sumber Arus Tujuan utama dari konverter daya ini adalah menghasilkan bentuk gelombang keluaran arus AC untuk memasok beban tiga fasa dari sumber arus DC. Untuk menghasilkan sinyal bolak-balik AC, besarnya frekuensi, tegangan, dan fasa, maka harus dikontrol pada saklar-saklar inverternya. Kelebihan dari inverter ini adalah tahan terhadap hubung singkat saklar-saklar lengan fasanya, dan ketahanan konverter yang tinggi. 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. Inverter tiga fasa sumber arus memiliki sembilan kemungkinan kondisi saklar [1],[2], Terdiri dari enam keadaan aktif vektor yang menghasilkan arus output pada kawat fasa dan tiga keadaan vektor nol yang menghasilkan nol arus fasa, karena arus dc link-nya melewati dua saklar dalam lengan inverter yang sama, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1.
PENDAHULUAN
Saat ini, sistem kelistrikkan Indonesia selalu berkembang mengikuti perkembangan zaman. Semakin berkembangnya sistem berarti semakin tingginya konsumsi daya, yang tentunya disertai dengan kualitas yang menjanjikan, yaitu kualitas daya yang handal. Inverter dapat digunakan sebagai penunjang kualitas daya antara lain pada penggunaan filter aktif, static synchronous compensation (STATCOM), Uninterruptible Power Supply (UPS), dan lain-lainnya. Dalam hal kelangsungan pasokan sumber daya yang berkelanjutan tanpa putus, di Indonesia belum dapat diandalkan, terlebih di daerah pelosok dan pesisir yang jauh dari pusat-pusat beban. UPS adalah suatu sistem back up daya listrik darurat untuk mensuplai peralatan listrik atau beban ketika sumber listrik utama terjadi gangguan. UPS diperlukan sebagai benteng dari kegagalan daya serta kerusakan sistem dan perangkat keras akibat terputusnya daya tidak sesuai prosedur. Penggunaan UPS pada umumnya dipakai oleh penyedia jasa tele-komunikasi, jasa informasi, dan jasa internet. Dengan adanya UPS, memungkinkan akan memberi kesempatan waktu yang cukup untuk segera menghidupkan generator set sebagai pengganti listrik utama. Karena UPS hanya bersifat sementara dalam mensuplai daya dari battery. Komponen utama dari UPS antara lain baterai, rectifier, dan inverter. Inverter yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah tipe inverter sumber arus dengan pengaturan modulator current space vector modulation (CSVM). Pada saat ini modulasi vektor ruang cenderung lebih disukai karena menawarkan berbagai kelebihan dibandingkan teknik modulasi lainnya yang membuat teknik ini
Gambar 2.1 Rangkaian inverter tiga fasa sumber arus Arus yang mengalir dalam sistem inverter harus kontinyu dari sumber ke beban maka dua saklar harus selalu konduksi yaitu satu saklar bagian atas dan satu bagian bawah. Salah satu sifat inverter
1
sumber arus yang menguntungkan adalah terbatasnya arus keluaran sehingga hubung singkat dari peralatan saklar tidak menyebabkan persoalan yang serius
I2
2.2 Current Space Vector Modulation (CSVM) Untuk menurunkan hubungan antara space vector dengan keadaan saklar berdasarkan pengoperasian inverter pada Gambar dengan tiga fasa seimbang maka dapat diperoleh persamaan (2.1) + + =0 Dimana I0A, I0B, dan I0C adalah arus output inverter untuk fasa A, B, C. Untuk mengoperasikan sistem 3 fasa yang diwakili oleh sistem ABC dengan perbedaan 1200 tiap fasanya ke dalam modulasi ruang vektor, maka perlu mengkonversi ke sistem acuan αβ atau transformasi clarke yang hanya memiliki dua parameter. Representasi dan operasi matematis vektor arus sistem tiga fasa (I0A, I0B, I0C) dan sistem Iα, Iβ ditunjukkan pada persamaan 2.3 dan 2.4 1 − −
= (2.2) √ √ 0 − = − −
=
√
−
Iref
I1
I3 I0 I4
I6 I5
Gambar 2.3 Space Vector untuk inverter sumber arus [1] Salah satu konsep dari modulasi vektor ruang adalah mendekati vektor yang bergerak melingkar, yaitu dengan memanfaatkan 9 vektor, dengan cara membuat resultan-resultan 2 vektor aktif dan 1 vektor nol terdekat sedemikian rupa sehingga menghasilkan vektor baru yang disebut vektor arus referensi ref . Magnitudo arus referensi Iref dan sudut ' terhadap sumbu Iα dalam bidang αβ yaitu:
(2.3) (2.4)
()* = + + '=
/0 ,-. /1
(2.6) (2.7)
Sudut ' yang diperoleh digunakan untuk menentukan lokasi vektor arus berada sesuai dengan Gambar 2.9. Sebagai contoh jika ' yang disampling menghasilkan sudut pada 400 maka lokasi vektornya berada pada sektor 1. Pada dasarnya space vector modulation adalah menghitung waktu penyaklaran untuk tiap saklar. Sebagai contoh acuan dengan meletakkan Iref pada sektor 1 yang dibentuk dari resultan vektor saat penyalaan inverter selama satu periode penyaklaran ts yaitu saat kondisi 223 selama t1, 223 selama t2, dan 2223 selama t0, dapat direpresentasikan seperti Gambar 2.4 berikut:
Gambar 2.2 Diagram Konversi Sistem Acuan ABC ke αβ dan Arus Referensi Current Space Vector Modulation (CSVM) atau modulasi vektor ruang arus dalam implementasi inverter sumber arus tiga kawat fasa seimbang dapat didefinisikan sebagai berikut: = + !⁄ + #!/ % (2.5) Jika gelombang sinus tiga fasa periodik, dan masing-masing fasa dari tiap fasa disampling secara teratur dan dimasukkan ke dalam IA, IB, dan IC pada persamaan 2.31, maka akan didapatkan vektor arus yang berputar 360o dengan magnitude dan periode sesuai gelombang sinus tersebut. Keadaan pensaklaran pada inverter yaitu keadaan nol dan keadaan aktif dapat direpresentasikan oleh vektor aktif dan vektor nol. Diagram vektor ruang untuk inverter sumber arus ditunjukkan pada Gambar 2.3, dimana -& sebagai vektor aktif dan sebagai vektor nol.
t2 I2 ts
t1 I1 ts
Gambar 2.4 Grafik pendekatan resultan vektor menggunakan 2 vektor terdekat pada sektor 1 Selama satu periode penyaklaran ts besarnya Iref di sektor 1 yaitu ! = 45 sin − ' 9 (2.8) &
2
(2.9) = 45 sin ' 9 & 9 (2.10) ; indeks modulasi, tetapi pada penelitian kali !
Dimana ma =
/:;< /=>
Bentuk gelombang keluaran inverter sumber arus jika memakai modulasi vektor ruang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5 2.3 Buck Converter Buck converter adalah konverter DC-DC jenis penurun tegangan atau step down DC konverter. Converter ini mampu menghasilkan nilai tegangan output sama atau lebih kecil dari tegangan inputnya.
ini, pengaturan indeks modulasi langsung dari referensi yaitu Iref=ma. Persamaan ini untuk sektor I, tetapi dapat digunakan untuk sektor lainnya dengan cara mengganti θ menjadi θ’= θ-(k-1)π/3, maka t1, t2, dan t0 menjadi: ! A 45 sin θ k 1 9 (2.11) & !
A
45 sin θ k 1 9 (2.12) & 9 (2.13) Perhitungan waktu diatas digunakan sebagai waktu pada pensaklaran inverter yang mempunyai sarat minimum pada pensaklaran yaitu, pergantian keadaan pensaklaran hanya membutuhkan dua saklar, satu saklar on dan yang lainnya off, selain itu peralihan Iref dari satu sektor ke sektor lain, membutuhkan minimum pensaklaran. Penentuan saklar on dan off sesuai urutan vektor tiap sektor, misal pada sektor 1 maka vektor yang dinyalakan adalah 2223&-223 -2223-223&-223 , seperti pada tabel berikut: Tabel 2.1 Urutan switching Iref untuk sektor 1 [2] Keada 3 3 3 3 3 an switch S1 S2 S3 S4 S5 S6 t1 t2 t0 t1 t2 t0 Ts Ts
Gambar 2.6 Rangkaian Dasar Buck Converter Terdapat dua mode saklar yaitu on dan off. Mode saklar on disebut juga mode charging, maka sesuai rangkaian ekuivalennya dapat diturunkan persamaan berikut: ∆C BCD E BJ (2.14) ∆GHI
On Off
Mode saklar off disebut juga mode discharging, berdasarkan rangkaian ekuivalennya dapat diturunkan persamaan: ∆C (2.15) BJ E ∆GH<<
Dari persamaan dan menghasilkan persamaan keluaran Buck converter yaitu: BJ KBCD (2.16) Komponen yang paling penting dalam penentuan nilai keluaran Vo adalah nilai induktor, PWM generator sebagai penyulut saklar, dan kapasitor minimum sebagai filternya. Penentuan awal dalam perencanaan pembuatan Buck converter adalah nilai tegangan masukan, tegangan keluaran, resistor, duty cycle, dan frekuensi switching-nya, maka nilai, induktor dapat ditemukan dengan persamaan: M
E BCD BJLG P NO
/:QR
S
(2.17)
III. HASIL DAN PEMBAHASAN 3.1 Pemodelan Sistem Pada Tugas Akhir ini, software simulasi yang digunakan adalah PSIM 9.03. Dalam bab ini akan disimulasikan dan analisa dari sistem pengaturan tegangan pada inverter sumber arus dengan pengaturan current space vector modulation. Berikut adalah tahaptahap yang dilakukan pada bab ini: 1. Pemodelan sistem pengaturan tegangan pada inverter sumber arus dengan pengaturan current space vector modulation, 2. Menganalisa dan mengevaluasi respon tegangan pada variasi beban resistif, dan campuran yaitu resistif dan induktif, 3. Menganalisa dan mengevaluasi respon tegangan output akibat perubahan beban, dan perubahan set poin.
Gambar 2.5 Bentuk gelombang ideal CSI menggunakan modulasi vektor ruang. a) sinyal modulasi αβ, b) keadaan saklar S1, c) keadaan saklar S3, d) keluaran arus AC inverter [1]
3
Gambar 3.1 Pemodelan inverter sumber arus
Gambar 3.2 Pemodelan current space vector modulator 3.2
Inverter dan Penyulutannya Pada pengujian switching inverter S1 sampai S6 yang masingmasing menggunakan IGBT diseri dengan dioda, akan menghasilkan gelombang positif pada fasa A saat berada pada daerah sektor VI, I,II yaitu ketika saklar 1, 2, dan 6 berada pada kondisi “ON” sepenuhnya pada sektor tersebut. Sedangkan gelombang negatif dihasilkan saat berada pada sektor III, IV, dan V, yaitu ketika saklar 3,4,dan 5 6 berada pada kondisi “ON” sepenuhnya pada sektor tersebut. Jadi dalam satu sektor hanya ada satu saklar yang “ON” sepenuhnya. Maka dalam satu siklus 50 Hz terjadi dua gelombang yaitu positif dan negatif secara bergantian secara terus menerus.
22500
75.6
191.2
380
33.08
19093
1.1
0.84
24000
80.2
202.6
379.5
35.24
20236
1.17
0.63
27000
89.4
225
377
40.47
22469
1.3
0.38
Data tabel 4.1 menunjukkan respon tegangan line-line output hubung Y mengalami drop tegangan jika beban terus bertambang secara signifikan, dan batas yang diizinkan sesuai standard IEEE adalah ±5% dengan batas bawah dari 380 VLL adalah 361 VLL dan batas atasnya adalah 399 VLL.
3.3 Analisa Sistem Beban Induktif Pada simulasi dipasang beban induktif yang terdiri dari komponen resistansi dan induktansi. Bagian yang diukur adalah tegangan output dengan arus input yang konstan, daya input dan output untuk mengetahui efisiensi sistem, total distorsi harmonik (THD) baik arus maupun tegangan. Tabel 3.1 Data hasil pengujian beban cos φ 0.85 langging set point 1.79, arus input 100 A Beban 3 fasa (VA) 6000 9000 12000
Iin Buck 21 31.65 42
VDC (inv) 54.96 81.3 106.8
VLL (Volt) 395 392 389
IL (A) 9.42 14.46 18.6
Daya (Watt) 5481.6 8114.5 10668
VTHD (%) 0.78 0.77 0.8
ITHD (%) 0.26 0.29 0.28
15000
51.7
131.6
387
23.1
13158
0.86
0.33
18000
61.5
156
384
27.52
15573
0.98
0.45
21000
71
179
381
32
17392
1.04
0.67
Gambar 3.3 Grafik respon total harmonik tegangan dan arus, Iin= 100A
4
Simulasi dengan beban 22.5 kVA cos φ: 0.85 langging dengan respon terhadap perubahan referensi set point. Dengan arus input 100A. Dari hasil simulasi, perubahan set ipoint pada space vector berdampak signifikan terhadap perubahan tegangan rms line-linenya. Pada arus output-nya terjadi kenaikan tetapi relatif lebih kecil sekitar 6 % kenaikan dari arus output minimum dan maksimumnya. Sedangkan untuk THD arus dan tegangannya berubah ubah, tetapi masih dalam nilai yang normal.
Efisiensi input output sistem masih dalam batas normal yaitu lebih besar dari 80%, sedangkan total harmonic distortion tegangan dan arus adalah normal. Dimana standard IEEE 5191992, THD maksimum untuk arus adalah 2.5% sedangkan THD tegangan maksimum adalah 5%. Respon THD terhadap perubahan beban dapat dilihat pada Gambar 4.4. 3.4
Analisa Sistem Akibat Perubahan Beban Secara Signifikan
IV. KESIMPULAN Dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang berjudul “Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus Menggunakan Metode Current Space Vector Modulation (CSVM) Untuk Aplikasi UPS” dengan melalui studi literatur, perancangan, analisa dan pengujian, maka dapat disimpulkan bahwa: 1. Inverter sumber arus membutuhkan sumber arus DC konstan, yang dihasilkan oleh buck konverter dengan pengaturan arus output yang konstan, 2. Inverter sumber arus DC yang konstan menghasilkan keluaran arus AC yang berubah ubah dengan tegangan yang tetap pada perubahan jumlah beban, 3. Dalam pengukuran keluaran inverter tiga fasa dengan beban campuran yaitu induktif dan resistif, tegangan line to line rms berbanding lurus dengan set point-nya, dengan arus keluaran rms yang konstan, 4. Total harmonisa arus dan tegangan sudah sesuai dengan standard IEEE 519-1992.
Gambar 3.5 Respon tegangan output terhadap perubahan beban Simulasi dengan beban yang berubah dalam periode yang singkat, dengan kronologi dari beban penuh diturunkan secara signifikan dengan periode sekitar 0.1 detik lalu dinaikkan kembali. Pada Gambar 4.5 menunjukkan respon tegangan akan naik jika beban diturunkan, tetapi masih dalam batas yang wajar yaitu tidak melebihi 5% dari tegangan normal. VL-N beban minimum adalah 228 VL-N, VL-N beban maksimum adalah 220 VL-N.
3.5
Analisa Sistem Dengan Perubahan Referensi
Tabel 3.3 Data perubahan tegangan line to line VTHD Set VLL (rms) ILL( rms) (%) Point
[1]
ITHD (%)
1.7
358
32
1.14
1.53
1.71
361
32.3
1.1
1.34
1.72
365.8
32.8
1.17
1.58
1.73
368
33
1.2
1.4
1.74
370
33.1
1.14
0.92
1.75
372
33.37
1.127
1.18
1.76
374
33.53
1.3
0.81
1.77
376
33.74
1.24
1.12
1.78
378
33.96
1.13
1.56
1.79
378
34
1.11
1.11
1.8
382
34.3
1.12
0.81
1.81
385
34.5
1.1
1.47
[2] [3]
[4]
V. DAFTAR PUSTAKA Muhammad H Rashid , “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2001 Bin Wu, ”High-Power Converters and AC Drive ”, IEEE Press. 2006 Vicenzo D. Colli, P. Canceliere, F. Marignetti, R. Di Stefano, ”Voltage Control of Current Source Inverters”, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 21, No. 2, June 2006 Daniel N. Zmood, Donald G. Holmes, ”Improved Voltage Regulation for Current Source Inverter”, IEEE Transaction on Industy Applications, Vol. 37, No. 4, July/August 2001
[5] Fajar Sastrowijoyo, ” Implementasi Modulasi Vektor Ruang Untuk Inverter Daya Besar Menggunakan Mikrokontroler 8-Bit Sederhana”, Proyek Akhir Institut Teknologi Bandung, 2009 [6] Zanu Rachmad W, ”Perancangan dan Implementasi Direct Torque Control Pada Motor Induksi”, Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuuh November, 2011
5
VI. RIWAYAT PENULIS Haris Amrullah, dilahirkan di Kebumen-Jawa Tengah, pada 28 Mei 1987 dari pasangan dari Muniri dan Markhasanah sebagai anak pertama. Menyelesaikan studi di Program Diploma 3 Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada pada tahun 2008, dengan Tugas Akhir berjudul ”Pembuatan Antena Omni Directional Untuk Koneksi Nirkabel 2.4 GHz”. Pada tahun 2007 penulis pernah menjadi Asisten Laboratorium Listrik Dasar di Program Diploma 3 Teknik Elektro UGM. Pada tahun 2009 melanjutkan studi di Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya melalui program Lintas Jalur dan mendalami ilmu Sistem Tenaga Listrik. Penulis dapat dihubungi lewat
[email protected]
6
