Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus

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