T E K N O S I M 2008 Yogyakarta, 16 Oktober 2008
Studi Pengaruh Pemilihan Frekuensi Carrier dan Komponen Filter Terhadap Bentuk Gelombang Keluaran pada Inverter Satu Fasa
Kristian Ismail, Agus Risdianto Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik – LIPI Komp LIPI Jl Cisitu N0.21/154 D Gd. 20 Bandung 40135 Email:
[email protected] Abstrak Inverter satu fase adalah rangkaian pengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak balik untuk satu fase. Inverter banyak digunakan pada UPS, pengendali motor induksi, wind turbin, fuel cell, solar cell, hybrid power plant dll.Salah satu cara untuk merubah bentuk gelombang tegangan searah ke tegangan bolak balik adalah dengan memotongmotong gelombang tegangan searah. frekuensi pemotongan tersebut sebesar perbandingan frekuensi carier dan frekuensi referensi sehingga didapat bentuk tegangan bolak balik yang memiliki bentuk gelombang kotak (belum berbentuk sinus murni). Untuk mendapatkan bentuk gelombang tegangan sinus murni maka gelombang kotak yang telah kita dapat harus di filter dengan rangkain filter elektronik. Pada tulisan ini akan dibahas mengenai pemilihan frekuensi carrier dan komponen filter dengan simulasi pada komputer sehingga didapat harga frekuensi carrier dan komponen filter yang optimal. Kata kunci : inverter, frekuensi carrier, gelombang, sinus
Pendahuluan Inverter satu fase adalah rangkaian pengubah tegangan searah menjadi tegangan bolak balik untuk satu fase. Inverter banyak digunakan pada UPS, pengendali motor induksi, wind turbin, fuel cell, solar cell, hybrid power plant dll. Cara umum untuk merubah tegangan searah menjadi tengangan bolak balik adalah dengan memotong-motong tegangan searah tersebut sehingga didapat tegangan bolak balik dengan bentuk gelombang kotak. Agar gelombang kotak tersebut berbentuk gelombang kotak maka gelombang tersebut harus difilter dengan filter elektronik yang berbentuk kapasitor, induktor dan resistor. Secara ideal output inverter yang diharapkan adalah sinusoidal murni namun kondisi ideal ini jarang diperoleh dan pada prakteknya karena selalu disertai . Adanya harmonisa dapat menyebabkan kerugian - kerugian seperti mengganggu operasi peralatan lain, tidak amannya arus netral, pada aplikasi pengendali motor induksi dapat memperpendek usia motor karena menimbulkan resonansi mekanika yang menyebabkan suara riuh dan putaran motor yang tersendat – sendat juga dapat mengurangi faktor daya. Untuk mendapatkan bentuk gelombang yang mendekati bentuk gelombang sinus murni maka cara dalam pemotongan tegangan searahnya tidak dilakukan secara konstan melainkan berubah-rubah dengan mengikuti refferensi frekuensi carrier. Sehingga diharapkan filter elektronik yang diterapkan akan lebih mudah menghasilkan bentuk tegangan sinus murni.
Gambar 1. Blok diagram inverter secara umum Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
355
T E K N O S I M 2008 Kristian Ismail, Agus Risdianto
Metodologi Inverter Sinusoida satu fase menghasilkan bentuk gelombang tegangan bolak balik satu fase dengan nilai tegangan bolak balik efektifnya dirumuskan sebagai berikut: ................................. (1) dimana Vrms = tegangan efektif v = fungsi tegangan T = perioda Oleh karena pada inverter nilai tegangan masukan DC adalah konstan maka tegangan rms dapat juga dirumuskan :
.............................(2) dimana Vrms = tegangan efektif VDC = tegangan searah inverter tp = lebar pulsa tinggi dalam 1 periode T = perioda
Pembangkitan Sinyal Triger Pembangkitan sinyal triger cara konvensional dilakukan dengan membandingkan sinyal segitiga dengan sinyal searah murni sehingga didapat sinyal kotak yang linear, dengan kata lain lebar pulsa dari sinyal tersebut selalu konstan. Pada prakteknya pembangkitan sinyal kotak dengan lebar pulsa yang konstan sangat sulit untuk difilter sehingga kemungkinan besar hasil akhir bentuk gelombang tidak akan menghasilkan sinus murni. Bentuk gelombang pembangkitan sinyal triger konvensional dapat dilihat pada gambar berikut :
Gambar 2 Bentuk gelombang pembangkitan sinyal triger konvensional Agar hasil akhir bentuk gelombang tegangan mendekati sinus murni maka hasil pembangkitan sinyal triger sebaiknya tidak dengan lebar pulsa yang konstan. Untuk menghasilkan sinyal triger tersebut dapat menggunakan sinyal sinus dan sinyal segitiga Pada proses pembangkitan sinyal triger dengan menggunakan sinyal sinus dan sinyal segitiga, dilakukan pembandingan amplitudo antara sinyal segitiga dengan sinyal sinus. Sinyal penggerak akan dibangkitkan apabila amplitudo sinyal sinus lebih besar daripada amplitudo sinyal segitiga. Masing-masing sinyal penggerak digunakan untuk penyaklaran sehingga diperoleh sinyal triger. Tujuan dari adanya pembanding sinyal sinus dengan sinyal carrier diantanya adalah untuk memudahkan penyaringan, karena sinyal sinus dibuat sebagai sinyal refferensi sedangkan sinyal segitiga sebagai sinyal carrier, sinyal sinus selalu pada frekuensi fundamentalnya yaitu sebesar 50 hz agar pada hasil akhir setelah difilter akan kembali ke frekuensi 50 Hz (frekuensi yang dipakai pada peralatan-peralatan di Indonesia) sedangkan sinyal segitiga besarnya dapat berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan dan besarnya sinyal tersebut yang akan dibahas pada tulisan ini. Proses pembangkitan sinyal triger tersebut dapat dilihat pada gambar 3.
Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
356
T E K N O S I M 2008 Kristian Ismail, Agus Risdianto
Gambar 3. (a) Bentuk gelombang sinyal pembawa dan sinyal referensi (b) Hasil pembandingan antara sinyal pembawa dengan sinyal referensi
Pemilihan Komponen Filter Setelah mendapatkan metoda untuk memdapatkan sinyal carrier maka selanjutnya adalah menentukan komponen filter. filter dan penyearah dipasang kapasitor yang tersusun secara paralel. Pemasangan kapasitor secara paralel ditujukan agar dapat membuang frekuensi – frekuensi harmonik, dan jika kapasitor dipasang seri maka kapasitor tersebut tidak dapat membuang harmonik, filter tersebut hanya menahan atau blocking semua frekuensi kecuali frekuensi yang diperbolehkan, Untuk mendapatkan komponen filter dilakukan simulasi dengan komputer untuk beberapa besaran kapasitor, hasil dari simulasi yang akan di tampilkan pada tulisan ini adalah hasil dari frekuensi frekuensi yang paling tinggi dan dari komponen filter yang besarannya paling kecil dan besarannya paling besar.
Gambar 4 Bentuk gelombang pada filter kapasitor 1 Mikro farad
Hasil akhir dari bentuk gelombang tegangan yang telah difilter berbentuk sinus namun gelombang tersebut masih cacat jika gelombang tegangan tersebut diaplikasikan pada motor induksi maka motor tersebut akan mengeluarkan bunyi dan getaran mekanik, sehingga motor tersebut akan cepat panas dan rusak. Maka untuk mendapatkan hasil akhir bentuk gelombang yang lebih mendekati sinus murni maka komponen filter akan dinaikan sampai 150 mikro farad sehingga didapat hasil akhir bentuk gelombang seperti pada gambar 5.
Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
357
T E K N O S I M 2008 Kristian Ismail, Agus Risdianto
Gambar 5 Bentuk gelombang pada filter kapasitor 150 Mikro farad
Pemilihan Frekuensi Carrier Setelah mendapatkan metoda untuk memdapatkan sinyal carrier dan komponen filter maka selanjutnya adalah menentukan frekuensi carrier. Untuk mendapatkan frekuensi carrier dilakukan simulasi dengan komputer untuk beberapa besaran frekuensi gelombang, hasil dari simulasi yang akan di tampilkan pada tulisan ini adalah hasil dari frekuensi yang paling rendah hingga frekuensi yang paling tinggi.
Gambar 6 Bentuk gelombang pada frekuensi carrier 20 Hz
Pembangkitan sinyal dengan sinyal refferensi sinus 50 hz dengan sinyal carrier segitiga 20 Hz di dapal sinyal triger yang mempunyai lebar pulasa yang tidak konstan namun hasil akhir bentuk gelombang tegangan tidaklah sinus murni. Maka untuk mendapatkan hasil akhir bentuk gelombang yang lebih mendekati sinus murni maka frekuensi carrier akan dinaikan sampai 2,5 kHz sehingga didapat hasil akhir bentuk gelombang seperti pada gambar 7.
Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
358
T E K N O S I M 2008 Kristian Ismail, Agus Risdianto
Gambar 7 Bentuk gelombang pada frekuensi carrier 2,5 kHz Pembangkitan sinyal dengan sinyal refferensi sinus 50 hz dengan sinyal carrier segitiga 2,5 kHz di dapal sinyal triger yang mempunyai lebar pulasa yang tidak konstan dan hasil akhir bentuk gelombang tegangan mendekati sinus murni.
Kesimpulan Setelah menentukan frekuensi carrier dan komponen filter dengan simulasi komputer maka dapat ditarik beberapa kesimpulan diantaranya : -
Besaran - besaran komponen pada inverter satu fasa dapat ditentukan dari simulasi komputer Penentuan frekuensi carrier dari simulasi komputer dapat disimpulkan bahwa semakin besar frekuensi carrier semakin baik hasil akhir dari bentuk gelombang tegangannya. Komponen filter yang digunakan adalah kapasitor yang dihubungkan parallel (low pass filter) Penentuan komponen filter dari simulasi komputer dapat disimpulkan bahwa semakin besar harka kapasitansi semakin baik hasil akhir dari bentuk gelombang tegangannya
Saran Dalam perjalanan pembuatan tulisan ini penulis mendapatkan beberapa saran yang perlu diperhatikan jika pembaca akan melakuakan perancangan inverter diantaranya: -
Ketika melakukan simulasi sebaiknya dilakukan dengan parameter yang beragam (frekuensi, madulasi, bentuk tegangan, komponen elektronik ,dll) Ketika melakukan simulasi dengan salah satu parameter harus dilakukan dengan besaran-besaran yang beragam (mis : dari frekuensi kecil bertahap ke frekuensi yang besar) Pada tulisan ini hanya ditampilkan sampai tahap simulasi, pada kenyataannya perancangan tidak sampai di simulasi namun harus sampai tahap pengujian
Ucapkan Terima Kasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada - Bangbang susanto, yang telah banyak memberi masukan dan bantuan pada tulisan ini - Widodo Budi santoso yang mendukung penulis dalam melaksanakan tulisan ini - A. Praptijanto, A. Hapid, Pidji Irasari, Aam muharam, Arifin nur, M. Ichwan, Hendi, Wahonot, Yanu, Redo, Kadek, Kaleg, Puji, Meri, Nurohmah dan semua rekan kerja yang tidak bisa disebut semuanya.
Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
359
T E K N O S I M 2008 Nama Penulis
Daftar Pustaka [1] Hari Wahyu W, Bambang Sutopo; Aplikasi Mikrokontroler AT89C51 Sebagai Pembangkit PWM Sinusioda 1 Fasa Untuk Mengendalikan Putaran Motor Sinkron; UGM Yogjakarta [2] Rashid, H.M., 1999, Power Electronics Circuits,Devices, and Applications, Prentice Hall, New Delhi
[3] Teguh Arifiyanto, Mochammad “ Filter Pasif Seri Untuk Meredam Harmonik ( Penyearah SCR ) ”. Surabaya. 2005. [4] Lazic, M., and Skender, M., 2000, Generating Driving signal for Three PhasesInverter by Digital Timing Functions, Facta Universitatis (NIS) Series:Electronics and Energetics, Vol. 13, No. 3, Desember, Hal: 353-364.
Jurusan Teknik Mesin dan Industri FT UGM ISBN 978-979-18703-0-6
360
