RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN DOUBLE SERIES BUCK-BOOST CONVERTER UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA (Sub Judul : PFC) Ahmad ‘Arifuz Z.1, Ir.M. Zaenal Efendi,M.T.2 Mahasiswa Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia
[email protected] Dosen Pembimbing 1, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia
1*
2
ABSTRAK Pada peralatan-peralatan elektronika biasanya memelurkan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. Konsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus menjadi tidak rata atau terdistorsi. Oleh sebab itu dewasa ini banyak dikembangkan dan diteliti bentuk-bentuk baru dari konverter perbaikan faktor daya yang mempunyai kemampuan yang baik, seperti faktor daya tinggi, dan harmonisa yang rendah. Salah satu jenis konverter yang dapat diaplikasikan sebagai PFC (Power Factor Correction) adalah Buck-Boost. Agar rangkaian buck-boost dapat digunakan sebagai koreksi factor daya maka harus bersifat resistif. Untuk itu buck-boost harus bekerja pada kondisi tidak kontinyu, seperti diketahui bahwa jika penyearah menyuplai beban resistif maka arus beban yang kembali mengalir ke sumber memiliki bentuk gelombang yang sama menyerupai bentuk gelombang tegangannya.Tegangan output yang dihasilkan sebesar 25 V dan arus output sebesar 0.5 A serta daya output 12.5 W. Cosφ yang didapat adalah 0.98 yang mana jika dibandingkan dengan power supply konvensional yang memiliki cosφ 0.8 itu berarti sudah ada perbaikan faktor daya dari 0.8 menjadi 0.98. Kata Kunci : Buck-Boost Converter, kondisi diskontinyu, PFC
ABSTRACT Most electronic equipment is need power supply of direct voltage source generated from the rectifier circuit. The consequences of the rectifier causes the current waveform becomes uneven or distorted. Therefore, nowadays many developed and investigated new forms of power factor improvement converter that has a good ability, such as high power factor and low harmonics.In order for buck-boost circuit can be used as power factor correction it must be resistive. For that, buck-boost should work on the discontinuous conditions, as is well known that if the rectifier supply resistive load, the load current flowing back to the source has the same waveform with the voltage waveform.The output voltage is produced by 25 V and output current of 0.5 A and output power 12.5 W. Cosφ obtained was 0.98 which compared with a conventional power supply which has cosφ 0.8 that means the existing power factor improvement from 0.8 to 0.98.
Keywords: Buck-Boost converter, discontinuous conditions, PFC
I. PENDAHULUAN Pada peralatan-peralatan elektronika biasanya memerlukan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC.
Kapasitor dipasang di sisi keluaran dari rangkaian digunakan untuk filter dan mengurangi ripple tegangan keluaran. Konsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus menjadi tidak rata. Meskipun tegangan keluaran yang dihasilkan sudah dalam kondisi searah akan
1
tetapi tegangan keluaran tersebut masih dalam kondisi yang belum sempurna, artinya masih terdapat beberapa harmonisa pada tegangan keluarannya. Harmonisa yang cukup besar tersebut menimbulkan beberapa masalah diantaranya : 1. Turunnya faktor kerja system 2. Mengganggu operasi peralatan lain seperti jalur telepon 3. Induktor, generator dan transformator sangat panas dan cepat rusak 4. Tidak berfungsinya peralatan pengaman Dari pengaruh harmonisa pada sistem, maka beberapa negara menggunakan standar besar harmonisa yang masih diijinkan pada suatu sistem, yaitu dengan standar IEC 61000-3-2. Dari akibat buruk yang ditimbulkan harmonisa dari rangkaian penyearah, maka diperlukan suatu rangkaian power supply yang mempunyai kualitas yang sangat tinggi seperti efisiensi yang tinggi dan harmonisa yang kecil. Untuk mengatasi permasalahan tersebut penulis mencoba untuk merancang suatu rangkaian “Buck-Boost Converter”sebagai Power Factor Correction (PFC) yang diharapkan dapat meminimalisasi terjadinya hal-hal tersebut di atas. II.
Faktor Daya Daya dalam rangkaian DC adalah sama dengan perkalian antara arus dan tegangan sedangkan dalam rangkaian AC sama dengan perkalian harga rata-rata dalam satu periode yaitu perkalian antara arus dan tegangan efektif. Daya dalam rangkaian AC terdapat beberapa kemungkinan yaitu : 1. Bersifat Resistif yaitu tegangan dan arus sefase atau Cos α sama dengan 1 P =VI×Cosα (Watt)……………………(2.2) P = Daya Aktif 2. Bersifat Induktif yaitu arus tertinggal terhadap tegangan atau Cos α tertinggal (lagging) Q =VI × sin α (VAR)…………………...(2.3) Q = Daya Reaktif 3. Bersifat Kapasitif yaitu arus mendahului terhadap tegangan atau Cos α mendahului (leading) S= VI (VA)…………................................(2.4)
S = Daya Semu
2.1.
Perbaikan Faktor Daya
Pengurangan harmonisa saluran arus diperlukan dalam rangka penyesuaian dengan standarisasi harmonisa internasional. Kondisi ini secara umum diarahkan pada PFC (Power Factor Correction), sehingga diperlukan beberapa cara untuk memperbaiki faktor daya, PF atau faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif (P) dengan daya nyata (S), sehingga dapat dinyatakan seperti Persamaan 2.5. PF =
………………………….……..…………..(2.5)
Persamaan 2.5 hanya digunakan pada tegangan dan arus sinusoidal (tidak dipengaruhi faktor harmonisa), sehingga didapatkan PF cos(φ) . Cos(φ) merupakan faktor pergeseran antara tegangan dan arus input. untuk memperbaiki faktor pergeseran tersebut dilakukan dengan cara mengkompensasi daya reaktifnya, hal ini hanya berlaku jika sumber tidak dibebani beban nonlinier, tetapi pada saat sumber menyuplai beban nonlinier, kemungkinan besar bentuk dari arus sumber menjadi nonsinusoidal, karena adanya proses switching dari bahan semikonduktor. Sehingga persamaan faktor daya pada Persamaan 2.5 tidak dapat diaplikasikan pada beban non linier. Berikut ini adalah bentuk persamaan untuk mengetahui nilai faktor daya, jika sumber dipengaruhi oleh harmonisa : PF
Vrms.I rms.cosφ 1
Vrms.Irms
I rms.cosφ 1
Kd.cosφ..(2.6)
Irms
Pada Persamaan (2.6) tersebut, menjelaskan bahwa yang dimaksud dengan faktor daya tidak hanya cos(φ) , melainkan perkalian antara kadar harmonisa dan cos(φ) . Hal ini berarti bahwa tidak ada bentuk standar yang dapat digunakan untuk mendefinisikan Kd. Beberapa pengarang mengartikan Kd sebagai faktor kemurnian dan ada juga yang mengartikan sebagai faktor distorsi. Kd bernilai satu pada saat arus sumber bentuknya sinusoidal murni, karena dari Persamaan (2.6) dapat disimpulkan bahwa jika tidak ada harmonisa maka arus fundamental (rms) akan sama nilainya dengan arus total
2
(rms), sehingga perbandingan antara arus fundamental dan arus total sama dengan satu, nilai t ersebut akan turun ketika kadar harmonisa arus meningkat, tetapi kadar harmonisa yang rendah bukan jaminan faktor daya yang tinggi, Kd mendekati satu, tapi cos(φ) rendah menyebabkan PF rendah, dan begitu juga dengan kondisi jika cos(φ) tinggi tetapi Kd rendah, PF tetap rendah, sehingga untuk perbaikan faktor daya yang harus dilakukan adalah perbaikan pada nilai Kd ((harmonisa) dan juga nilai faktor pergeseran ( cos(φ) ). III. PERENCANAAN SISTEM 3.1 KONFIGURASI SISTEM Blok diagram secara keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada Gambar 2.1. Sumber AC 220 yang disearahkan dengan rectifier untuk supply buck-boost sebagai PFC. Kemudian keluarannya sebagai supply buckboost sebagai regulator.
Gambar 2.2 Rangkaian DC power supply
3.3 PERENCANAAN DAN PEMBUATAN BUCKBOOST CONVERTER Buck-Boost converter merupakan salah satu jenis rangkaian elektronika daya dengan frekuensi tinggi. Rangkaian buck-boost converter ditunjukkan pada Gambar 2.3
Gambar 2.3 Rangkaian Buck-Boost Converter
Gambar 2.1. Blok diagram sistem PFC
3.2 PERENCANAAN DAN PEMBUATAN RECTIFIER DC power supply digunakan untuk menyuplai tegangan dari buck-boost converter. Tegangan output yang diinginkan adalah 198.17 V. Rangkaian DC power supply ditunjukkan pada Gambar 2.2. Vout
=
=
Dalam mendesain buck-boost converter harus memperhatikan parameter-parameter yang diinginkan antara lain tegangan masukan, tegangan keluaran, arus keluaran yang diinginkan, frekwensi switching serta luas core inti ferit dan lain-lain.Perlu diingat juga buck-boost di sini bekerja pada kondisi tidak kontinyu. Pada awal perancangan nilai-nilai parameter ditetapkan sebagai berikut: Tegangan input (Vs) = 198.17 Volt Tegangan output (Vo) = 66 Volt Ripple tegangan = 0,1% Arus output (Io) = 1.22 A
= 198,17 volt
3
Ripple arus Frekuensi switching
= 25% = 50 KHz
n
1. Perhitungan duty cycle
A c 1 , 61 cm
V in D V out V out D
n
V in V out D V out D
V out 66 0 . 25 V in V out 198 . 17 66
R
V out 66 54 I out 1 . 22
(1 0 . 25 ) 2 54 303 . 7 H 2 50 10 3
Pada mode konduksi tidak kontinyu harus memenuhi syarat seperti berikut: Lm=(1/4) x 303.7 µH = 75 µH 3. Perhitungan nilai dari kapasitor V o 0 ,1 % V o 0 , 001 66 0 . 066
Co
DT 1 0 . 25 50 10
2
0 . 075 m 1 . 83 10 0 , 25 1, 61
4
3 .4
Jadi lilitan yang dibutuhkan 4 lilitan.
3.4 Desain Kontroller
2. Perhitungan nilai dari induktor (1 D ) 2 R L min 2f
V Qo o R 66 Qo 54
4
where : B max 0 , 25 tesla
D V out V in 1 D V out D 1 D V in
L min
L I max 10 B max A c
3
Kontroler yang digunakan hanya menggunakan potensio yang mana menggunakan program ADC untuk mengatur duty cycle. Berikut adalah programnya pada AVR : a=read_adc(0); a=read_adc(0); delay_us(1); a=read_adc(0); OCR2=a; if (a<=35) OCR2=35; if (a>=75) OCR2=75; else OCR2=OCR2;
6 .1
Qo 6 .1 92 . 4 F Vo 0 . 066
4. Perhitungan jumlah lilitan inductor
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM Pengujian dimaksudkan untuk mendapatkan evaluasi terhadap rangkaian, agar diperoleh kinerja yang lebih baik. Kinerja yang lebih baik didapatkan dengan melakukan perbaikan terhadap komposisi rangkaian yang mengalami kekeliruan yang diketahui saat melakukan pengujian. 4.1. Pengujian rectifier Rangkaian penyearah yang digunakan adalah rangkaian penyearah jembatan penuh. Rangkaian tersebut membutuhkan 4 buah dioda dalam hal ini dipakai dioda jembatan.
4
Tegangan dari jala-jala 220volt disearahkan atau diubah dari tegangan AC menjadi tegangan DC oleh dioda jembatan. Setelah disearahkan output dari dioda jembatan diberi filter kapasitor yang kecil senilai 1 nano Farad. Tabel 3.1 menunjukkan hasil pengujian rectifier.
Tabel 3.1 Tabel Hasil pengujian rectifier.
Vin (Volt)
Vout (Volt)
Vout (Volt) teori
Error
180
154
162,14
0,6 4%
190
171
171,15
0,08%
200
182
180,15
1,02%
210
189
189,16
0,08%
220
196
198,17
1,09%
4.2. Pengujian Buck-Boost Pengujian buck boost dilakukan dengan sumber DC Power supply dari tegangan input 10 volt sampai 35 volt untuk fungsi buck dan input 5 volt sampai 20 volt untuk fungsi boost. dengan menggunakan beban lampu 100 watt 220 volt. Hasil yang diperoleh seperti pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 di bawah
Tabel 3.3 Tabel pengujian buck boost fungsi boost
Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
5
0,13
5,6
0,08
10
0,26
17,2
0,12
15
0,46
35,5
0,16
20
0,65
54,5
0,2
4.3 Pengujian power factor correction Pengujian selanjutnya adalah pengujian mengenai power factor correction (PFC). Pada pengujian konverter ini yang diamati adalah sisi input dengan cara memasang fluke meter. Karena buck-boost bekerja pada kondisi tidak kontinyu seperti yang telah dibahas pada bab 2, bahwa factor daya tidak hanya dipengaruhi oleh sifat beban saja (induktif atau kapasitif) melainkan dipengaruhi juga oleh factor distorsi yang ditimbulkan oleh beban non linear. Berikut adalah Gambar 4.7(a) bentuk gelombang tegangan, Gambar 4.7(b) bentuk gelombang arus sumber, Gambar 4.7(c) bentuk gelombang daya yang ditunjukkan pada fluke meter, pengujian tersebut menggunakan rectifier konvensional dengan tegangan input ac sebesar 110 V menggunakan beban motor DC 28 V. Serta Tabel 4.4 yang merupakan hasil pengukuran pada fluke meter.
Tabel 3.2 Tabel pengujian buck boost fungsi buck
Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
10
0,02
3,2
0,06
15
0,03
4,7
0,07
20
0,05
7,9
0,09
25
0,05
10,3
0,11
30
0,07
15,5
0,12
35
0,08
18,4
0,13 Gambar 4.7 (a) Bentuk gelombang tegangan input pada Fluke meter
5
Gambar 4.7 (d) Hasil pembacaan tegangan input, arus input dan daya pada fluke Gambar 4.7 (b) Bentuk gelombang arus input pada Fluke meter
Berdasarkan Gambar 4.7 (b) terlihat bahwa bentuk gelombang arus tidak sinusoidal. Ini berarti masih ada kandungan harmonisa karena adanya beban non linier. Gambar 4.7 (b) yang kedua menunjukkan spektrum arus yang mana harmonisa yang timbul sampai harmonisa ke -11. Pada Tabel 4.4 daya dan arus yang terukur bukanlah yang sebenarnya, karena saat pengukuran digunakan kabel yang dililit 5 kali agar arus yang kecil bisa terbaca dengan fluke meter, sehingga daya dan arus sebenarnya adalah sesuai pada Tabel 4.5 berikut. Tabel 4.5 Nilai parameter sebenarnya
Parameter Data
Fluke meter
Real
90 W
18 W
Daya Reaktif
50 VAR
10 VAR
Daya Semu
110 VA
22VA
Arus
1.03 A
0.21 A
110.77 V
110.77 V
Daya aktif Gambar 4.7 (c) Bentuk gelombang daya pada Fluke meter
Tabel 4.4 Hasil pengukuran pada fluke meter
Tegangan
Sesuai dengan Tabel 4.4, bahwa faktor daya yang didapat adalah 0.82, sehingga dapat ditentukan nilai dari faktor distorsi (Kd), yaitu : PF = Kd. Cos φ Kd = PF/ cos φ = 0.82/0.89 = 0.92 Kemudian kita bandingkan dengan rectifier yang diseri dengan rangkaian buck-boost dengan beban yang sama. Berikut adalah Gambar 4.8(a) bentuk gelombang tegangan, Gambar 4.8(b) bentuk gelombang arus, Gambar 4.8(c) bentuk gelombang daya sumber, serta
6
Tabel 4.6 yang merupakan hasil pengukuran pada fluke meter.
Gambar 4.8 (c) Bentuk gelombang daya pada Fluke meter
Gambar 4.8 (a) Bentuk gelombang tegangan input pada Fluke meter
Tabel 4.6 Hasil pengukuran pada fluke meter
Gambar 4.8 (b) Bentuk gelombang arus input pada Fluke meter
Gambar 4.8 (d) Rangkaian Power supply konvensional
Berdasarkan Gambar 4.8 (b) terlihat bahwa bentuk gelombang arus hampir sinusoidal. Ini berarti kandungan harmonisa sudah berkurang. Gambar 4.8 (b) yang kedua menunjukkan spektrum arus yang mana
7
harmonisa yang timbu hanyal sampai harmonisa ke- 3. Pada Tabel 4.6 daya dan arus yang terukur bukanlah yang sebenarnya, karena saat pengukuran digunakan kabel yang dililit 5 kali agar arus yang kecil bisa terbaca dengan fluke meter, sehingga daya dan arus sebenarnya adalah sesuai pada Tabel 4.7 berikut.
V, serta percobaan Boost yang tegangan input 10 V kemudian tegangan output menjadi 17.2 V. 2. Pada pengujian Buck-Boost pertama yang bekerja secara tidak kontinyu dengan tegangan input 107.74 V, arus input 0.21 A serta daya 22 W kemudian diintegrasikan dengan Buck-Boost kedua telah mendapat tegangan output 25 V dengan beban motor DC 28 V. Sedangkan power faktor yang terukur adalah 0.98. 3. Pada sistem ini sudah ada perbaikan faktor daya dari rectifier konvensional yaitu 0.8 menjadi 0.98 setelah menggunakan rangkaian Buck-Boost converter.
Tabel 4.7 Nilai parameter sebenarnya
Parameter Data
Fluke meter
Real
110 W
22 W
Daya Reaktif
10 VAR
2 VAR
Daya Semu
110 VA
22VA
Arus
1.07 A
0.21 A
107.74 V
107.74 V
Daya aktif
Tegangan
VI.
KESIMPULAN 1. Penggulungan induktor harus dilakukan dengan sebaik mungkin agar spike tegangan dan arus yang sangat tinggi bisa dihindari. Ini berakibat pada tuning potensio pengatur duty cycle untuk mendapatkan tegangan output yang diinginkan agak sulit. 2. Peredaman spike tegangan pada mosfet dapat dilakukan dengan konfigurasi rangkaian snubber dan perhitungan yang tepat. Tetapi jika hasilnya masih kurang maka harus dilakukan tuning nilai komponen snubber. 3. Pada Buck-Boost konverter ini menggunakan mosfet IRFP 460 atau 450 untuk switchingnya. Untuk hasil yang maksimal diharapkan menggunakan komponen yang mempunyai rating arus dan tegangan lebih besar (misal : menggunakan IGBT). Sehingga pada proyek akhir ini mosfet sering rusak.
4.
DAFTAR PUSTAKA [1] Grigore, Vlad.Desertasi Isu PFC. 2001 [2] M Nazarudin ZA, Harmonics standards overview.Scaffner EMC inc. Edsion. NJ. USA. 2005 [3] L. Wuidart. Understanding power factor. STMicroelectronics Group of companies. 2005 [4] Wardhana, Lingga. Belajar Sendiri Mikrokontroler ATMega. ANDI. 2006. [5] Datasheet of ATmega16 8-bit Microcontroller with 16K Bytes InSystem Programmable Flash
Sesuai dengan tabel 4.6, bahwa faktor daya yang didapat adalah 0.98, sehingga dapat ditentukan nilai dari faktor distorsi (Kd), yaitu : PF = Kd. Cos φ Kd = PF/ cos φ = 0.98/0.99 = 0.99 Dari beberapa data yang diperoleh tadi, menunjukkan bahwa rangkaian buck-boost dapat memperbaiki faktor daya dari 0.8 menjadi 0.98. 1.3 Kesesuaian antara perencanaan dan hasil Setelah dilakukan perencanaan dan pembuatan rectifier, hasil yang dicapai yaitu tegangan output dari rectifier sesuai dengan yang diharapkan. Dan juga dari desain Buck-Boost konverter sebagai PFC bisa mencapai power factor yang diinginkan yaitu mendekati unity (1), yang mana diperoleh power factor 0.98. Tetapi untuk mencapai tegangan output yang diinginkan agar tercapai power factor yang baik masih sulit dalam pengaturan duty cycle. Ini karena kualitas dari komponen yang dipakai belum sesuai yang diharapkan dan adanya proses perancangan alat yang kurang presisi.
V.
KESIMPULAN 1. Pengujian Buck-Boost secara fungsional telah tercapai dengan percobaan Buck yang tegangan input 10 V kemudian tegangan output menjadi 3.2
8
9
