Desain dan Simulasi Konverter Buck Sebagai Pengontrol Tegangan AC Satu Tingkat dengan Perbaikan Faktor Daya

1

Desain dan Simulasi Konverter Buck Sebagai Pengontrol Tegangan AC Satu Tingkat dengan Perbaikan Faktor Daya Dimas Setiyo Wibowo, Mochamad Ashari dan Heri Suryoatmojo Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected], [email protected], [email protected] Abstrak – AC-AC Buck Converter adalah perangkat yang digunakan untuk mengatur tegangan AC yang mana prinsip kerja dan topologinya menyerupai DC-DC Buck Converter. Konverter ini mempunyai dua buah saklar yaitu saklar bantu dan saklar utama. Kedua saklar tersebut bekerja secara bergantian dengan memanfaatkan sinyal PWM. ACAC Buck Converter memiliki nilai power factor dan harmonisa arus input yang lebih baik dibandingkan dengan k onverter AC-AC konvensional tipe Phase Delay Control. Dari pengujian dan perbandingan yang telah dilakukan maka didapatkan hasil bahwa nilai THDi-input maksimum pada AC-AC Buck Converter hanya 6.38 % sedangkan untuk Phase Delay Control mencapai 50.9 %. Selain itu power factor Phase Delay Control mengalami penurunan mulai dari 0.9853 lagg hingga 0.1493 lagg. Sedangkan power factor untuk ACAC Buck Converter cenderung stabil pada nilai 0.9028 lead hingga 0.9942 lead. Kata kunci – AC-AC Buck Converter, Phase Delay Control, Harmonisa, Power Factor.

P

I. PENDAHULUAN

enggunaan

thyristor untuk konversi tegangan pada listrik arus bolak balik salah satunya dapat dilakukan dengan metode Phase Delay Control yaitu dengan menggunakan TRIAC atau thyristor yang dipasang secara dua arah yang saling berlawanan (bidirectional). Prinsip kerja dari metode ini adalah dengan menunda waktu penyalaan dari masing-masing thyristor. Semakin besar waktu tundanya maka semakin kecil tegangan output yang dihasilkan dan sebaliknya. Setelah pengaturan waktu penyalaan thyristor atau TRIAC, bentuk gelombang arus input yang dihasilkan akan menjadi terpotong sebagian seperti pada gambar 1. Terpotongnya gelombang menyebabkan arus input tidak lagi berbentuk sinusoidal. Arus yang tidak sinusoidal menandakan adanya harmonisa. Semakin besar penundaan/delay maka akan semakin rendah nilai power factor nya dan semakin besar kandungan harmonisanya.

Gambar 1. Terpotongnya gelombang arus input akibat penundaan waktu penyalaan sebesar α

Untuk mengatasi permasalahan konversi listrik arus bolak balik dengan metode Phase Delay Control tersebut maka pada tugas akhir ini diusulkan perancangan suatu konverter yang dinamakan AC-AC Buck Converter. Konverter AC-AC yang diusukan ini akan dirancang agar mampu menjaga gelombang arus input untuk tetap berbentuk sinusoidal. Sehingga pada akhirnya AC-AC Buck Converter diharapkan dapat mengubah besaran listrik arus bolak balik dan sekaligus dapat menjaga nilai power factor sistem untuk tetap tinggi. II. AC-AC BUCK CONVERTER AC-AC Buck Converter mempunyai kemiripan topologi dengan konverter DC-DC tipe Buck. Perbedaannya terdapat pada tegangan input (Vin) dan saklar bantu (SS). Tegangan input (Vin) pada AC-AC Buck Converter berupa sumber tegangan AC sedangkan pada konverter DC-DC Buck tegangan input (Vin) berupa tegangan DC. Topologi AC-AC Buck Converter ditunjukkan pada gambar 2. Selain itu konverter DC-DC Buck menggunakan dioda untuk melewatkan arus pengosongan induktor. Namun, pada AC-AC Buck Converter ini peran dioda akan digantikan oleh saklar bantu (SS) berupa MOSFET atau IGBT. Penggantian dioda menjadi MOSFET bertujuan agar arus AC tidak disearahkan saat melewatinya. Saklar bantu (SS) bekerja berlawanan dengan saklar utama (SM).

2 Persamaan 4 [2] matematika siklus pertama ini adalah sebagai berikut 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉

(4)

Gambar 2. Topologi AC-AC Buck Converter

Komponen lain yang ada pada AC-AC Buck Converter adalah terdapat filter L dan filter C. Kedua filter tersebut berguna untuk meredam efek switching pada arus input. AC-AC Buck Converter mengadopsi cara kerja dari konverter DC-DC jenis Buck sehingga persamaan tegangan output (Vout) yang dihasilkan juga akan mirip dengan konverter DC-DC tersebut. Persamaan 1 [1] tegangan output rms (Vout rms) AC-AC Buck Converter adalah 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑥𝑥 𝐷𝐷

(1)

Gambar 4. Siklus ke-2 AC-AC Buck Converter

Persamaan 5 [2] matematika siklus kedua ini adalah sebagai berikut 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉

(5)

Dimana Vin adalah tegangan input dan D adalah duty cycle. Untuk PF input AC-AC Buck Converter dinyatakan dengan persamaan 2 [3]. PF =

I input 1 rms I input rms

x Cos ∅1

(2)

dimana I input1 rms adalah arus input fundamental, dan Ø1 adalah pergeseran sudut antara tegangan input dan arus input fundamental. Pada Phase Delay Control arus yang mengalir pada sisi input sama dengan arus yang mengalir di sisi output sehingga PF Phase Delay Control dinyalatakan dengan persamaan 3 [4]. PF =

Pout

VA in

=

Iout ².R Vin .Iin

=

Iout .R Vin

(3)

Gambar 5. Siklus ke-3 AC-AC Buck Converter

Persamaan matematika siklus ketiga ini adalah sebagai berikut 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉

A.

PRINSIP KERJA Prinsip kerja dari AC-AC Buck Converter dapat dibagi dalam empat siklus seperti terlihat pada gambar 3 sampai dengan gambar 6. Empat siklus tersebut adalah sebagai berikut, 1. 2. 3. 4.

Siklus positif sumber AC, SM ON dan SS OFF Siklus positif sumber AC, SM OFF dan SS ON Siklus negatif sumber AC, SM ON dan SS OFF Siklus negatif sumber AC, SM OFF dan SS ON

Gambar 6. Siklus ke-4 AC-AC Buck Converter

Persamaan matematika siklus terakhir ini adalah sebagai berikut 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉

Persamaan tegangan output rms dari AC-AC Buck Converter dapat dicari dengan menggunakan persamaan saat siklus positif saja atau saat siklus negatif saja karena keduanya identik. Berikut ini penurunan rumus tegangan output AC-AC Buck Converter. Gambar 3. Siklus ke-1 AC-AC Buck Converter

3 III. DESAIN DAN SIMULASI SISTEM

Persamaan 4 [2], saat saklar utama SM ON dan saklar bantu SS OFF 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝐿𝐿 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 ∆𝑖𝑖 𝐿𝐿 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 ∆𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡𝑡 𝑳𝑳 ∆𝒊𝒊 = (𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽 − 𝑽𝑽𝑽𝑽) ∆𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕𝒕

(6)

Persamaan 5 [2] saat saklar utama SM OFF dan saklar bantu SS ON 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝐿𝐿 𝑑𝑑𝑑𝑑 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝐿𝐿

AC-AC Buck Converter mempunyai dua buah saklar yang bekerja saling berlawanan. Dua saklar tersebut dinamakan saklar utama (SM) dan saklar bantu (SS). Pada teorinya AC-AC Buck Converter disusun dari saklar bidirectional. Namun pada implementasinya saklar bidirectional tidaklah ada dalam dunia saklar semikonduktor. Setidaknya ada 2 konfigurasi saklar yang dapat diterapkan pada AC-AC Buck Converter. Konfigurasi pertama adalah konfigurasi yang terdiri dari 2 buah MOSFET untuk mewakili satu buah saklar seperti terlihat pada gambar 8.

∆𝑖𝑖 ∆𝑡𝑡 𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜

Dengan memasukkan L ∆i pada persamaan 6 ke 5 maka akan didapatkan 𝑽𝑽𝑽𝑽 𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 = 𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽𝑽 𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 𝒙𝒙 𝑫𝑫

Jika empat siklus kerja dari AC-AC Buck Converter di atas direpresentasikan dalam bentuk gelombang dan timing diagram maka akan terlihat seperti gambar 7.

Gambar 8. Konfigurasi saklar dengan 2 MOSFET

Konfigurasi saklar yang kedua adalah konfigurasi yang terdiri dari 1 MOSFET dan 4 d ioda untuk mewakili satu saklar seperti terlihat pada gambar 9.

Gambar 9. Konfigurasi saklar dengan 1 MOSFET 4 dioda

Desain dilakukan untuk menentukan besarnya nilai komponen disesuaikan dengan tegangan yang akan diterapkan. Sebelum menentukan besarnya nilai komponen maka perlu di tetapkan terlebih dahulu parameterparameter berikut ini : Gambar 7. Prinsip kerja AC-AC Buck Converter

Gambar 7 menjelaskan bahwa ketika PWM SM bernilai High dan PWM SS bernilai Low maka akan terjadi pengisian induktor L. Pengisian induktor L menyebabkan terbentuknya gelombang tegangan output (V–Output) yang naik hingga mencapai tegangan sumber (V–Input). Sebaliknya, jika PWM saklar utama SM bernilai Low dan PWM saklar bantu SS bernilai High maka akan terjadi pengosongan induktor L. Pengosongan induktor L menyebabkan terbentuknya gelombang tegangan output (V–Output) yang turun lebih kecil dari tegangan sumber (V–Input). Dengan demikian akan terbentuk gelombang tegangan output yang sinusoidal yang didapatkan dari nilai rata-rata ketika naik dan turunnya gelombang pada saat proses proses pengisian dan pengosongan induktor L.

Tabel 1. Parameter rangkaian AC-AC Buck Converter Parameter Nilai Tegangan Input 110 Vrms Duty Cycle Min 10 % Duty Cycle Max 100 % Tegangan Output Min 11 Vrms Tegangan Output Max 110 Vrms Beban 121 Ω Arus Output Min 0.091 A Arus Output Max 0.91 A Frekuensi Switching 32.6 kHz Ripple Arus Induktor 10 % Ripple Tegangan Output 1% Desain nilai Induktor L dan Filter L L=

(𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉) . 𝐷𝐷 (110 − 99) 𝑥𝑥 0.9 = ∆𝑖𝑖𝑖𝑖 . 𝑓𝑓 0.091 𝑥𝑥 32.6 𝑥𝑥 103

= 3.3 mH

4 Desain nilai Kapasitor C dan Filter C C=

(1 − 0.9) 𝑥𝑥 99 (1 − 𝐷𝐷) . 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 2 8 . 𝐿𝐿 . 𝑓𝑓 . ∆𝑉𝑉𝑉𝑉 8 𝑥𝑥 3.3 𝑥𝑥 10−3 𝑥𝑥 1063 𝑥𝑥 106 𝑥𝑥 0.99 = 0.35 μF

Rangkaian simulasi dan implementasi masing-masing terlihat pada gambar 10 dan 11 di bawah

Untuk pengujian tegangan output simulasi Phase Delay Control mempunyai rata-rata error sebesar 2.68 % sedangkan untuk p engujian implementasi mempunyai rata-rata error sebesar 18.4 %.Hasil pengujian tegangan output simulasi dan implementasi Phase delay Control terlihat pada gambar 12 dan 13.

Gambar 12. Tegangan output simulasi Phase Delay Control dengan α = 120°

Gambar 10. Rangkaian simulasi AC-AC Buck Converter

Gambar 13. Tegangan output implementasi Phase Delay Control dengan α = 120° Gambar 11. Desain implementasi sistem keseluruhan

IV. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM Pengujian Tegangan Output (Vout) Pengujian tegangan output dilakukan untuk mengetahui tegangan yang dihasilkan dan membandingkan dengan perhitungan secara teori. Pengujian tegangan output dilakukan dengan nilai sudut penyalaan (α°) ataupun duty cycle (D) yang berbeda-beda pada masingmasing konverter yaitu Phase Delay Control dan AC-AC Buck Converter.

A.

Tabel 2. Hasil pengujian Vout Phase Delay Control

α° 150 120 90 60 30

Teori 18.3 48.8 77.8 98.6 108.5

Vout (V) Simulasi 16.4 48.5 76.6 97.3 108.4

Implementasi 16.7 39.2 61.2 75.8 84.2

Untuk pengujian tegangan output simulasi AC-AC Buck Converter mempunyai rata-rata error sebesar 0.22 % dan pengujian implementasi mempunyai rata-rata error sebesar 21.1 %. Tabel 3. Hasil pengujian Vout AC-AC Buck Converter

D 0.17 0.44 0.71 0.90 0.98

Teori 18.7 48.4 78.1 99.0 107.8

Vout (V) Simulasi 18.7 48.6 78.3 99.0 108.5

Implementasi 1.62 40.5 66.0 80.2 88.2

Hasil pengujian tegangan output simulasi dan implementasi pada AC-AC Buck Converter masing-masing terlihat pada gambar 14 dan 15. Dari gambar 14 dapat diketahui bahwa gelombang tegangan output pada AC-AC Buck Converter berbeda dengan Phase Delay Control. Pada AC-AC Buck Converter

5 turunnya nilai tegangan bukan disebabkan karena terpotongnya gelombang namun karena turunnya nilai amplitudo gelombang tegangan output. Dengan demikian maka gelombang tegangan output tetaplah berbentuk sinusoidal.

THDi-in pada Phase Delay Control seperti pada gambar 16 akan semakin meningkat dengan semakin lebarnya sudut penyalaan (α). Nilai THDi-in pada pengujian simulasi berkisar pada nilai 9.04% hingga 50.9%, sedangkan pada pengujian implementasi nilai THDi-in berkisar antara 15.5% hingga 147%. THDi-in pada AC-AC Buck Converter akan semakin meningkat dengan semakin kecilnya duty cycle (D). Pada pengujian simulasi THDi-in terendah adalah 5.57% dan THDi-in tertinggi adalah 6.38%. Sedangkan pada pengujian implementasi THDi-in cenderung naik turun pada kisaran nilai 7.14% hingga 27.6%. Gambar pengujian THDi-in implementasi untuk AC-AC Buck Conveter terlihat pada gambar 17.

Gambar 14. Tegangan output simulasi AC-AC Buck Converter dengan duty cycle 0.44

Gambar 17. Pengujian THDi-in AC-AC Buck Converter dengan D=0.44

Dari kurva pada gambar 18 da pat dianalisa bahwa dengan nilai duty cycle (D) yang sebanding dengan sudut penyalaan (α°) yang sama maka THDi-in untuk AC-AC Buck Converter lebih rendah dibanding dengan Phase Delay Control baik pada pengujian simulasi maupun implementasinya. Gambar 15. Tegangan output implementasi AC-AC Buck Converter dengan duty cycle 0.44

140

B.

120

THDi-in (%)

Pengujian Total Harmonic Distortion arus input (THDi-in) Pengujian THDi-in dilakukan untuk mengetahui kadar harmonisa yang terkandung pada arus input pada konverter Phase Delay Control maupun AC-AC Buck Converter. Pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian simulasi dan implementasi pada tiap-tiap sudut penyalaan (α°) maupun duty cycle (D) yang berbeda.

160

100 80

Phase Delay Simulasi AC-AC Buck Simulasi Phase Delay Implementasi AC-AC Buck Implementasi

60 40 20 0 0.17 0.26 0.35 0.44 0.53 0.62 0.71 0.84 0.90 0.98 150° 140° 130° 120° 110° 100° 90° 70° 60° 30°

Duty Cycle ≈ Sudut Penyalaan (α°) Gambar 18. Kurva perbandingan THDi-in antara Phase Delay Control dengan AC-AC Buck Converter

C.

Gambar 16. Pengujian THDi-in Phase Delay Control dengan α=120°

Pengujian Power Factor (PF) Pengujian PF dilakukan untuk mengetahui seberapa besar keefektifan penggunaan daya aktif (P) untuk konverter Phase Delay Control maupun AC-AC Buck Converter. Pengujian pada Phase Delay Control dilakukan untuk mendapatkan nilai arus input rms (Iinput rms).

6 Setelah didapatkan nilai arus input rms maka nilai PF dapat dihitung secara manual menggunakan persamaan 3 [4]. Tabel 4. Iinput rms dan PF Phase Delay Control

α (°) 150 120 90 60 30

Iinput rms (A)

Simulasi

0.1357 0.4007 0.6331 0.8043 0.8957

Implementasi

0.1731 0.3278 0.5164 0.6419 0.7047

PF Phase Delay Control Simulasi

0.1493 lag 0.4408 lag 0.6964 lag 0.8847 lag 0.9853 lag

Implementasi

0.1904 lag 0.3606 lag 0.5680 lag 0.7061 lag 0.7752 lag

Adapun pada AC-AC Buck Converter pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai arus input rms (I input rms), arus input fundamental rms (I input 1 r ms) dan pergeseran sudut antara arus input fundamental dengan tegangan input (Ø1) kemudian nilai PF dapat dihitung secara manual menggunakan persamaan 2 [3]. Tabel 5. Iin rms, Iin1 rms dan Ø1 AC-AC Buck Converter

D 0.17 0.44 0.71 0.90 0.98

Iin rms (A) 0.0304 0.1790 0.4622 0.7355 0.8857

Simulasi

Iin1 rms

(A) 0.0300 0.1779 0.4595 0.7314 0.8806

Ø1 (°) 23.81 4.096 1.485 0.777 0.532

Implementasi Iin rms Iin1 rms Ø1 (A) (A) (°) 0.2214 0.2132 -10.87 0.9061 0.9002 1.079 1.4550 1.4500 0.000 1.0170 1.0050 - 2.877 0.7879 0.7669 - 8.623

Tabel 6. PF AC-AC Buck Converter

PF AC-AC Buck Converter Simulasi Implementasi 0.9028 lead 0.9457 lagg 0.9913 lead 0.9933 lead 0.9938 lead 0.9966 0.9943 lead 0.9870 lagg 0.9942 lead 0.9623 lagg

D 0.17 0.44 0.71 0.90 0.98

Power factor

0.8 0.6 Phase Delay Simulasi AC-AC Buck Simulasi Phase Delay Implementasi AC-AC Buck Implementasi

0 0.17 150°

0.26 140°

0.35 130°

0.44 120°

0.53 110°

0.62 100°

0.71 90°

0.84 70°

0.90 60°

1. Konfigurasi rangkaian AC-AC Buck Converter mengadopsi rangkaian DC-DC Buck Converter sehingga persamaan tegangan output untuk AC-AC Buck Converter sama dengan DC-DC Buck Converter. 2. Total Harmonic Distortion arus input (THDi-in) untuk AC-AC Buck Converter lebih rendah dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control. 3. Pada pengujian simulasi, maksimum THDi-in pada AC-AC Buck Converter sebesar 6.38 % dan pada Phase Delay Control mencapai 50.9 %. 4. Pada pengujian implementasi, maksimum THDi-in pada AC-AC Buck Converter sebesar 27.6 % dan pada Phase Delay Control mencapai 147 %. 5. Power Factor (PF) untuk AC-AC Buck Converter lebih tinggi dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control. 6. Pada pengujian simulasi, minimum power factor pada AC-AC Buck Converter sebesar 0.9028 lead dan pada Phase Delay Control mencapai 0.1493 lagg. 7. Pada pengujian implementasi, minimum power factor pada AC-AC Buck Converter sebesar 0.9192 lead dan pada Phase Delay Control mencapai 0.1904 lagg. 8. Ditinjau dari segi THDi-in dan power factor maka ACAC Buck Converter lebih unggul dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control.

[1] .F. L. Lou, Hong Ye, “Research on DC-Modulated Power Factor Correction AC/AC Converters, ”Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Taiwan, November, 2007 [2] ..Ashari, M., “Sistem Konverter DC Desain Rangkaian Elektronika Daya”, ITS Press, Surabaya, Bab. 6, 2012 [3] ..Ashari, M. “Power Semiconductor and Power Concept” [Power Point Slides]. Retrieved from lecture slide in Department Of Electrical Engineering Sepuluh Nopember Institute Of Technology Surabaya [4]...Rashid, M. H, “Power Electronics Handbook”, Academic Press, Pensacola, Florida, Ch.13, 16 and 18, 2001

1

0.2

V. KESIMPULAN

DAFTAR PUSTAKA

1.2

0.4

Dari kurva pada gambar 19 jelas terlihat bahwa nilai power factor (PF) untuk AC-AC Buck Converter pada duty cycle (D) 0.17 hingga 0.98 cenderung stabil sedangkan power factor (PF) untuk Phase Delay Control mengalami penurunan seiring dengan naiknya sudut penyalaan (α°).

0.98 30°

Duty Cycle (D) ≈ Sudut Penyalaan (α°) Gambar 19. Kurva perbandingan power factor (PF) simulasi dan implementasi antara Phase Delay Control dan AC-AC Buck Converter

BIODATA PENULIS Dimas Setiyo Wibowo, telah menempuh pendidikan D3 pada Jurusan Teknik Elektro Industri PENS-ITS pada tahun 2008-2011. Kemudian Penulis melanjutkan pendidikan sarjana pada Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Sistem Tenaga, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2012-2014.