2 DESAIN INVERTER SATU FASE UNTUK PERBAIKAN

DESAIN INVERTER SATU FASE UNTUK PERBAIKAN KUALITAS
TEGANGAN LISTRIK BERBASIS DDS
Turahyo1), F. Danang Wijaya2), Eka Firmansyah3)
1,2,3
Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
Universitas Gadjah Mada
Jl. Grafika No.2, Yogyakarta, 55281
[email protected]
Abstract
Fluctuations in electrical voltage briefly due to increased loads or sudden load reduction is a
disorder that is regarded as a serious problem in the electrical equipment, therefore required
an apparatus that can reduce the electrical interference. Single-phase inverter is a device that
can be utilized to improve the quality of voltage in consumer households. This paper
discusses modeling one phase inverters mounted in series with the load. Single-phase inverter
is used as a stabilizer control voltage input from PLN with output voltage that is more stable
on the burden of household consumers. PLN lowered input voltage of the transformer and
then rectified through the diode bridge and the DC output trim capacitor is used as the main
power supply to the inverter. Direct digital synthesis (DDS) method is used as a way to
generate the PWM pulse in one phase while the inverter IGBT semiconductors and
transformator are used as the power amplifier on the inverter. The output voltage of the
inverter control is done by adjusting the amount of direct digital synthesis modulation index
in the generation of PWM pulses so that the resulting quality of the output voltage is more
stable. The simulation results showed that the PWM signal can control the switching of both
the H bridge inverter.
Keywords: Kualitas Tegangan, Inverter Satu Fase, Digital Direct Synthesis, PWM, IGBT
Abstrak
Fluktuasi tegangan listrik secara singkat karena bertambahnya beban atau berkurangnya
beban secara mendadak merupakan gangguan yang dianggap sebagai permasalahan serius
pada peralatan listrik, oleh sebab itu diperlukan suatu peralatan yang mampu meredam
gangguan listrik tersebut. Inverter satu fase merupakan salah satu perangkat yang dapat
digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan pada konsumen rumah tangga. Dalam
paper ini membahas tentang pemodelan inverter satu fase yang dipasang secara seri dengan
beban. Inverter satu fase digunakan sebagai penstabil tegangan masukan dari PLN dengan
keluaran tegangan listrik yang lebih stabil pada beban konsumen rumah tangga. Tegangan
masukan dari PLN diturunkan melalui transformator kemudian disearahkan dengan dioda
bridge dan dengan kapasitor keluaran DC diratakan yang kemudian digunakan sebagai power
supply utama pada inverter. Metode digital direct synthesis (DDS) digunakan sebagai cara
untuk membangkitkan pulsa PWM pada inverter satu fase sedangkan semikonduktor IGBT
dan transformator digunakan sebagai penguat daya pada inverter. Kontrol keluaran tegangan
pada inverter dilakukan dengan mengatur besaran indeks modulasi digital direct synthesis
pada pembangkitan pulsa PWM sehingga dihasilkan kualitas tegangan keluaran yang lebih
stabil. Hasil simulasi menunjukan bahwa sinyal PWM dapat mengendalikan dengan baik
pensaklaran pada H bridge inverter.
Kata Kunci: Kualitas Tegangan, Inverter Satu Fase, Digital Direct Synthesis, PWM, IGBT
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
2
PENDAHULUAN
Voltage sag dan voltage swell merupakan salah satu topik penelitian yang sangat
penting dalam area distribusi tenaga listrik. Menurunnya tegangan listrik secara singkat
karena bertambahnya beban adalah merupakan definisi dari voltage sag, sedangkan
bertambahnya tegangan secara singkat yang dihasilkan dari perubahan penurunan beban
secara mendadak disebut sebagai voltage swell ( Liu & Wang, 2012). Berdasarkan IEEE
, Voltage sag didefinisikan sebagai penurunan tegangan AC antara 10-90 % dalam rms
pada frekuensi listrik dalam durasi 0.5 siklus dalam satu menit (IEEE, 1995). Voltage sag
pada umumnya menyebabkan beban lebih sehingga seringkali membuat peralatan listrik
mengalami gangguan berupa system faults. Efek lain yang ditimbulkan oleh voltage sag
adalah menurunnya faktor daya listrik pada sisi konsumen (Antonov & Natalinus, 2013).
Sharanya & Basavaraja, (2012), Rajakumar. P, Saravanakumar & Thirumalaivasan
(2014), dan Paliwal & Verma, (2014) melakukan studi untuk memperbaiki kualitas
tegangan.Teknik yang digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik
diantaranya dengan menggunakan kompensasi tegangan seri dengan AC chopper yang
biasa disebut dynamic voltage restorer (DVR). Dalam teknik kompensasi seri ini
tegangan listrik yang digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan diinjeksikan ke
beban dengan menggunakan transformator.
Perkembangan semikonduktor yang sangat pesat mempengaruhi perkembangan
penggunaan piranti elektronika ke dalam sistem tenaga listrik. Pengendalian listrik
menggunakan piranti semikonduktor semakin mudah untuk dilakukan tak terkecuali pada
inverter. Peralatan ini mampu mengubah bentuk tegangan DC menjadi bentuk tegangan
AC melalui sistem pensaklaran tertentu. Pada penelitian ini sistem pensaklaran yang
digunakan adalah menggunakan sistem sinusoidal pulse width modulation (SPWM).
Implementsi pembangkitan pulsa SPWM dilakukan dengan mengadopsi teknik direct
digital synthesis (DDS) yang dilakukan pada mikrokontroller.
Desain inverter satu fase ini dirancang untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik
pada sisi konsumen sehingga peralatan listrik terhindar dari system faults yang
diakibatkan oleh voltage sag dan voltage swell.
STRUKTUR DASAR DYNAMIC VOLTAGE RESTORER
Dynamic voltage restore (DVR) merupakan salah solusi yang digunakan untuk
mengatasi voltage sag pada sebuah system (Tiwari & Gupta, 2010). Struktur dasar dari
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
3
DVR ditunjukan pada gambar 1. DVR terbagi menjadi 6 bagian yaitu : (i) Energy Storage
Unit, (ii) Capasitor, (iii) Inverter, (iv) Pasif filter, (v) By-Pass Switch, dan (vi) Voltage
Injection Transformers. Tegangan yang dihasilkan DVR adalah sesuai dengan kebutuhan
sistem sedangkan frekuensinya sebesar 50 Hz pada terminal beban.
Gambar 1. Struktur dasar dynamic voltage restorer
Sumber: Dynamic Voltage Restorer Based on Load Condition, 2010
ARSITEKTUR INVERTER SATU FASE
Inverter satu fase sebagai piranti untuk memperbaiki kualitas tegangan ini dipasang
secara seri dengan beban. Desain sistem ini terdiri dari desain hardware dan desain
software. Dalam desain hardware terdiri dari power supply sebagai penyedia tegangan
DC yang digunakan untuk menggerakan sistem, mikrokontroller yang berfungsi
membangkitkan sinyal SPWM dan mengendalikan tegangan keluaran dari inverter,
sedangkan untuk memonitor proses kerja dari sistem digunakan LCD display, full bridge
inverter menjadi penguat daya sistem, untuk menghindari agar mikrokontroller tidak
terbebani oleh sistem full bridge inverter driver digunakan sebagai penyangganya.
Transformator penaik tegangan digunakan untuk menaikan tegangan dari tegangan
rendah pada sisi primer transformator ke tegangan yang lebih tinggi pada sisi sekunder
transformator. Dalam sistem ini tegangan keluaran inverter di pantau melalui sensor
tegangan sebagai umpan balik ke mikrokontroller. Arsitektur inverter satu fase ditunjukan
pada gambar 2.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
4
Gambar 2. Arsitektur inverter satu fase.
Teknik DDS digunakan dalam desain Software . Teknik ini digunakan untuk
pembangkit pulsa SPWM pada inverter. Dalam teknik DDS meliputi proses untuk
membangkitkan pulsa gelombang segitiga sebagai gelombang pembawanya dan pulsa
gelombang sinusoida sebagai gelombang pemodulasi yang kemudian di bandingkan
dalam komparator untuk menghasilkan pulsa PWM yang digunakan untuk pensaklaran
pada full bridge inverter.
DESAIN HARDWARE
Desain hardware pada sistem ini mencakup desain blok power supply, LCD display,
full bridge inverter, mikrokontroller, driver.
A. POWER SUPPLY
Tegangan listrik jala-jala dari PLN diturunkan menjadi dua bagian yaitu 24 volt dan
15 volt AC. Dengan menggunakan dioda bridge kedua tegangan AC disearahkan menjadi
tegangan DC kemudian diratakan menggunakan kapasitor. Tegangan DC 24 volt
digunakan sebagai power supply untuk full bridge inverter sedangkan tegangan 15 volt
DC diturunkan menjadi dua bagian yaitu tegangan 12 volt dan 5 volt DC. Tegangan 12
volt DC digunakan untuk mengerakan sistem driver full bridge inverter sedangkan
mikrokontroller digerakkan menggunakan tegangan 5 volt DC.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
5
B. LCD Display
Dalam desain sistem ini menggunakan LCD display 16x2 dimana terdiri dari 16
karakter dalam satu baris dan 2 kolom. 4 buah bus LCD display 16x2 digunakan untuk
komunikasi secara pararel yang terhubung dengan mikrokontroller. LCD display ini
digunakan sebagai human machine interface (HMI) pada sistem. Tegangan masukan dan
tegangan keluaran dimonitor secara real time.
C. FULL BRIDGE INVERTER
Teknik pensaklaran inverter yang sering digunakan adalah teknik pensaklaran full
bridge inverter atau yang lebih dikenal dengan H bridge bipolar (Tajudin, 2010). Dalam
pensaklaran H bridge bipolar pasangan switch S1, S4 dan S2, S3 bekerja secara bersamasama. Teknik pensaklaran H bridge bipolar ini dipilih karena mempunyai efisiensi
hampir 98 % dengan total harmonik distortion (THD) yang baik serta penyerapan
konsumsi daya yang lebih kecil (Variath, Andersen, Nielsen & Hyldgard, 2010). H bridge
inverter ditunjukan pada gambar 3. Frekuensi yang digunakan dalam desain inverter ini
adalah 50 Hz sehingga dalam 20 ms terdapat 50 pulsa pensaklaran seperti yang ditunjukan
dalam gambar 4 (Sidik, 2013). Tranformator penaik tegangan digunakan untuk menaikan
tegangan dari 24 volt ke 220 volt AC sedangkan untuk memfilter tegangan keluaran dari
sistem digunakan kapasitor dan induktor .
Gambar 3. H bridge inverter.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
6
Gambar 4. Pulsa pensaklaran dalam satu periode.
D. MIKROKONTROLLER
Mikrokontroller dsPIC30F4011 digunakan dalam desain sistem ini untuk
mengendalikan tegangan keluaran dari sistem dan membangkitkan sinyal SPWM sebagai
pulsa pensaklaran pada H bridge inverter satu fase. Mikrokontroller ini mempunyai
output PWM sebanyak 3 pasang akan tetapi yang digunakan dalam sistem ini hanya 2
pasang saja karena dalam sistem ini pensaklaran menggunakan H bridge inverter hanya
membutuhkan 4 buah saklar yaitu S1, S2, S3, S4. Rangkaian mikrokontroller
dsPIC30F4011 dapat di tunjukan pada gambar 5.
E. DRIVER
Dalam desain sistem ini IC driver yang digunakan adalah IR2110 yang mempunyai
2 pin input dan 2 pin output sehingga dalam desain ini membutuhkan 2 buah IC driver
IR2110. Pra-kondisi input pensaklaran H bridge inverter dilakukan juga dalam rangkaian
driver ini . Pra- kondisi dibutuhkan oleh sistem H bridge inverter untuk mencegah saat
kondisi on pertama kali tidak terjadi kondisi on yang bersamaan pada saklar S1, S2, S3,
S4 sehingga IGBT terhindar dari kerusakan akibat hubung singkat. Driver H bridge
inverter ditunjukkan pada gambar 6.
Gambar 5. Rangkaian mikrokontroller dsPIC30F4011
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
7
Gambar 6. Driver H bridge inverter
DESAIN SOFTWARE
Teknologi DDS adalah teknologi generasi ke tiga setelah teknologi direct frequency
synthesis dan phase-locked frequency synthesizer (Larson, 1998). DDS merupakan teknik
yang menggunakan block prosesing data digital untuk membangkitkan sinyal keluaran
yang berupa frekuensi dan fase yang dapat ditunning (Analog Devices, 1999). Setiap time
addressing pada phase ROM register, ROM akan mengeluarkan sinyal berbentuk binary
code yang sesuai dengan nilai fase dan amplitudo. Phase to amplitude look-up table
menghasilkan data yang diperlukan dengan cara pembacaan secara maju kemudian
kembali lagi ke look-up table (Analog Devices, 1999) dan (Jouko, 2000). Diagram blok
DDS ditunjukan pada gambar 7 sedangkan gambar 8 menunjukan alir proses sinyal pada
arsitektur DDS.
Gambar 7. Diagram blok DDS
Sumber: A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, 1999
Gambar 8. Alir proses sinyal pada arsitektur DDS.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
8
Sumber: A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, 1999
Keluaran sinyal frekuensi DDS dapat dirumuskan :
.
/2
(1)
Dimana K adalah frequency control word, N adalah bit pada phase accumulator,
sedangkan
merupakan reference clock. Ketika K = 1 minimum resolusi frekuensi
DDS adalah :
/2
(2)
Gambar 9. Diagram alir utama program
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
9
HASIL SIMULASI
Tabel 1
Spesifikasi parameter simulasi
Parameter
Tegangan sumber
Peak Amp sinus referensi
frekuensi
V Peak to peak pembawa
frekuensi
Kontroller PI
Gain
Time constant
V Setpoint
Gain Vsensor
SUM
Gain_1(+)
Gain_2(-)
SUMP1
Gain_1
Gain_2
Spesifikasi
24 volt DC
220 volt
50 Hz
440 volt
2550 Hz
0.5
0.11
220 volt
1
1
-1
1
1
Gambar 10.Skema Diagram simulasi inverter satu fase
Simulasi dengan menggunakan software PSIM telah dilakukan dalam penelitian ini.
Dari hasil simulasi diperoleh empat buah PWM dimana sinyal S1 berkomplemen dengan
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
10
sinyal S2 dan S3 berkomplemen dengan S4 seperti yang ditunjukkan pada gambar 11.
Frekuensi keluaran yang dihasilkan sebesar 50 Hz dimana dalam satu periode 20 ms
terdapat 50 kali pensaklaran . Frekuensi dan tegangan output sistem mulai stabil setelah
sistem bekerja pada waktu lebih dari 0.015 detik seperti yang diperlihatkan pada gambar
13. sedangkan gambar 12. memperlihatkan bentuk tegangan keluaran inverter satu fase
dengan tegangan output 220 volt. Perbedaan fase sumber tegangan referensi sinusoida
sebesar 180˚ menghasilkan tegangan output pada sisi atas dan sisi bawah pensaklaran
IGBT (dalam bentuk tegangan AC).
Gambar 11. Hasil simulasi pulsa PWM S1-S4
Gambar 12. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
11
Gambar 13. Hasil simulasi respon tegangan terhadap waktu pada kontroller PI
SIMPULAN
Desain inverter satu fase ini laik diimplementasikan ke dalam desain hardware yang
dapat digunakan sebagai perangkat untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik pada
konsumen rumah tangga karena mempunyai frekuensi keluaran sebesar 50 Hz dengan
tegangan 220 volt AC stabil setelah sistem bekerja pada waktu 0.015 detik . Perlu
dilakukan penelitian tentang cara menentukan besaran gain dan time constant pada
kontroller PI agar menghasilkan tegangan keluaran yang lebih konstan dengan respon
waktu stabil yang lebih cepat.
DAFTAR PUSTAKA
Analog Devices. (1999). A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis.
IEEE. (1995). Recommended Practice for Electric Power Quality, IEEE Std.1159.1995.
Jouko,V. (2000). Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications.
Helsinki University of Technology (Espoo, Finland).
Larson, D. C. (1998). High Speed Direct Digital Synthesis Techniques and Application.
IEEE. Gallium Arsenide Integrated Circuit (GaAs IC) Symposium. Atlanta, vol.4,
209–212,
Liu, H., & Wang, J. (2012). Analysis and control of a single phase AC chopper in series
connection with an auto-transformer, presented at the ICAC 12 - Proceedings of the
18th International Conference on Automation and Computing: Integration of
Design and Engineering, 49–54.
Paliwal, M., & Verma,R.C. (2014).Voltage Sag Compensation Using Dynamic Voltage
Restorer. Advance in Electronic and Electric. Engineering, vol. 4, no 6, 645–654.
Antonov, & Natalinus. (2013). Pengaruh perubahan tegangan sumber terhadap
karakteristik faktor daya pada lampu hemat energi, Jurnal Teknik Elektro ITP, vol.
2, no. 1.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
12
Rajakumar, P., Saravanakumar, R., & Thirumalaivasan, R. ( 2014). Power quality
enhancement using photovoltaic based dynamic voltage restorer. The 2014
International Conference on Advances in Electrical Engineering, ICAEE .
Sharanya, M., & Basavaraja, B. (2012). An Overview of Dynamic Voltage Restorer for
Voltage. Int. J. Eng. Adv. Technol. IJEAT, vol. 2, no. Issue-2.
Tajuddin, M., Ghazali. N, Daut, I., & Ismail, B. (2010). Implementation of dsp based
spwm for single phase inverter. in Power Electronics Electrical Drives Automation
and Motion (SPEEDAM), 2010 International Symposium on, 1129 –1134.
Tiwari, H. P., & Gupta, S. K. (2010). Dynamic Voltage Restorer Based on Load
Condition. International Journal of Innovation, Management and Technology, Vol.
1, No. 1.
Variath, R. C., Andersen, M. A. E, Nielsen, O. N., & Hyldgard, A.(2010). A review of
module inverter topologies suitable for photovoltaic systems IPEC Conference
Proceedings, 310-316.
Sidik,Y. F., Wijaya, F. D & Firmansyah, E. (2013). Sinusoidal pulse width modulation
berbasis lookup table untuk inverter satu fase menggunakan 16-bit digital signal
controller. JNTETI, Vol. 2, No. 2, 47-50.
PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097
13