Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter Satu

1
Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter
Satu Fasa Simetri
Rizki Aulia Ratnani, 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
[email protected]
Abstrak- Rangkaian konverter AC-AC banyak digunakan untuk
mengkondisikan daya AC. Ada beberapa teknik pengoperasian
elemen kontrol konverter AC-AC dan yang sering kali
digunakan dalam rangkaian konverter AC-AC yaitu
menggunakan elemen kontrol daya dengan triac atau sepasang
thyristor. Namun pada hasil yang diperoleh menunjukan
penggunaan triac atau thyristor memiliki kelemahan yaitu faktor
daya yang tertinggal disisi input dan masalah pada harmonisa.
Oleh karena itu pada tugas akhir ini akan dicoba untuk
memperbaiki kelemahan konverter AC-AC tersebut dengan
mengoperasikan konverter menggunakan prinsip pulse width
modulation (PWM) dengan peralatan kontrol gate turn-off
switching seperti IGBT. Hasil yang diperoleh menunjukan Pada
PWM AC-AC konverter berbasis IGBT total harmonisa
tegangan dengan beban 1000 watt dan tegangan output 200 volt
adalah 3.8 %., sedangkan pada AC-AC konverter berbasis
thyristor nilainya sangatlah tinggi yaitu 40.2 % begitu pula pada
arus THD nya. Secara umum dari hasil perbandingan kedua
pengontrol tersebut bahwa secara performansi rangkaian
pengontrol tegangan PWM AC-AC konverter berbasis IGBT
lebih baik dari pengontrol tegangan AC satu fasa berbasis
thyristo
Kata kunci: AC-AC Konverter, IGBT, PWM, Thyristor
I.
PENDAHULUAN
Rangkaian konverter AC-AC merupakan rangkaian
yang dapat menghasilkan tegangan keluaran AC variable dari
sumber AC konstan. Untuk mendapatkan tegangan AC
variable tersebut phase-angle control (PAC) telah banyak
digunakan dalam aplikasi kontrol listrik AC. Triac atau
sepasang thyristor biasanya digunakan sebagai elemen kontrol
daya konvensional AC-AC konverter. Namun pada
aplikasinya faktor daya tertinggal disisi input, kemudian
berlimpahnya harmonisa orde rendah di kedua output
tegangan dan arus. Dan diskontinuitas aliran daya muncul
dikedua output dan input. Solusi yang diusulkan untuk
memperbaiki cacat tersebut umumnya ada dua kategori :
pertama adalah modifikasi rangkaian daya dengan
menambahkan jalan freewheeling, ini meningkatkan faktor
daya tapi tidak dapat mengontrol karmonisa. Kedua, teknologi
yang lebih maju telah dikembangkan. Peningkatan kinerja
konverter tersebut dapat dicapai namun lebih komplek dan
mahal. Alternative lainnya adalah konverter AC-AC yang
dioperasikan dengan prinsip pulse width modulated (PWM)
menggunakan peralatan control gate turn-off switching seperti
IGBT. Kemajuan saat ini keluarga PWM AC-AC konverter
memungkinkan diaplikasikan pada konversi seperti, dimmer
cahaya dan water heater.
II.
AC-AC Konverter
2.1 PWM AC-AC Konverter Berbasis IGBT
Tujuan utama dari konverter daya ini adalah mengubah
tegangan AC menjadi tegangan AC yang vairiabel. 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.
Rangkaian konverter tersebut menggunakan sinyal PWM
dengan frekuensi pensaklaran 10 kHz, diperoleh dengan
membandingkan sinyal segitiga 10 kHz dengan sinyal DC
referensi.
Gambar 2.1 Desain konverter AC-AC Berbasis IGBT
Pada gambar yang disajikan, rangkaian daya terdiri dari
saklar DC chopper S yang terletak antara jembatan rectifier
dioda yang dihubungkan seri dengan beban dan dua saklar
dengan dua dioda freewheeling S1 dan S2 dihubungkan
paralel terhadap beban. Hubungan seri saklar S digunakan
secara periodik untuk menghubungkan dan memutuskan
sumber tegangan dari beban, atau dengan kata lain digunakan
2
untuk mengatur besar daya yang disalurkan ke beban. Saklar
paralel S1 dan S2 dimaksudkan sebagai freewheeling bagi
aliran arus beban ketika melepaskan energi yang tersimpan
(discharge) dari beban induktif ketika saklar seri mati (turn
off).
Pola penyaklaran (switching) dari saklar pengontrol
tegangan ditentukan berdasarkan atas polaritas tegangan
sumber dan arus bebannya. Pola penyaklaran dapat dilihat dari
table 3.1, dengan saklar chopper S yang selalu termodulasi
dengan duty cycle yang konstan.
Tabel 2.1 Pola Penyaklaran
saklar
Keadaan
Vs>0,iL>0
Vs<0,iL>0
Vs<0,iL<0
Vs>0,iL<0
S
S1
S2
1
0
1
0
0
1
1
0
0
0
0
1
1
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
0
Kondisi saklar : 0 = membuka; 1 = tertutup
Ketika tegangan suplai dan arus bebannya dalam
polaritas yang sama, terjadi pola penyaklaran normal,
dimana salah satu saklar paralel S1 atau S2 dalam posisi
menyala (turn on) penuh atau mati (turn off) penuh sesuai
polaritas tegangan suplai. Dengan kata lain ketika tegangan
suplai dan arus induktor positif , S2 dalam kondisi menyala
dan S1 dalam kondisi mati, dan begitu sebaliknya. Ketika
tegangan dan arus dalam keadaan berbeda polaritasnya,
nyala saklar paralel ditentukan oleh sinyal dbari saklar
termodulasi S saat tidak kondisi konduksi. Normal
penyaklaran dimulai lagi segera saat arus induktor
berbalik arah. Dengan pola penyaklaran tersebut, aliran
arus kontinyu selalu ada,tanpa mengindahkan arah arus
beban. Karna hanya terdapat satu saklar yang termodulasi
dan karena hanya satu saklar freewheeling yang menyala
pada hampir seluruh paruh waktu periode dari tegangan
suplai, maka rugi-rugi akibat penyaklaran dapat dikurangi
dengan signifikan dan dapat dicapai efisiensi yang tinggi.
Rangkaian logika untuk menyalakan saklar kontrol
ditunjukan pada gambar 3.4.
Gambar 2.2 Pemodelan control circuit
Gambar 2.3 Sinyal Saklar S, S1 dan S2
Gambar 2.4 Gelombang output tegangan dan arus
2.2 AC-AC Konverter Berbasis Thyristor
Pengontrol dua arah (bidirectional) atau gelombang
penuh satu fasa dengan beban resistif ditunjukan pada gambar
2.2 Pengontrol dua arah satu fasa dengan beban resistif yang
dilewatkan adalah tegangan dan arus input pada saat perioda
positif dan negatif, dan besarnya tegangan dan arus output
berubah-ubah sesuai dengan perubahan sudut penyalaan.
Untuk beban R sudut pemadaman di titik , dan untuk perioda
negatif sudut penyalaannya adalah 𝛼2 = 𝜋 + 𝛼1 dan sudut
pemadamannya 𝛽 = 2𝜋, dan begitu juga seterusnya.
3
𝜎 = tan−1
Gambar 2.5 Pengontrol gelombang penuh satu fasa beban
resistif
Jika sudut penyalaan () diubah (dinaikkan) dan untuk
perioda negatif hasil keluaran tegangan rms sama dengan
perioda positif (VO-rms pada sudut 1800 sama dengan VO-rms
pada sudut 00), hal ini dapat dianalisa berdasarkan persamaan
sebagai berikut:
𝑉𝑜−𝑟𝑚𝑠 =
𝑉𝑚
2 𝜋−𝛼 +sin 2𝛼
2
𝜋
𝑉𝑚 = 2 × 𝑉𝑠−𝑟𝑚𝑠
𝜔𝐿
𝑅
(3.6)
Gambar 2.7 Pengontrol gelombang penuh satu fasa beban
induktif
(2.1)
(2.2)
Gambar 2.6 gelombang tegangan dan arus output beban
resistif
Dalam praktek, kebanyakan beban berupa induktif.
Pengontrol gelombang penuh dengan beban RL ditunjukan
dengan gambar 2.4. Untuk pengontrolan dua arah satu fasa
dengan beban induktif sama dengan beban R yang dilewatkan
adalah tegangan dan arus input pada saat perioda positif dan
negatif, dan besarnya tegangan dan arus output berubah-ubah
sesuai dengan perubahan sudut penyalaan. Untuk
mendapatkan tegangan keluaran rms dapat dperoleh dengan
persamaan berikut ini.
Gambar 2.8 gelombang tegangan dan arus output beban
induktif
Pembebanan pada keluaran konverter adalah resistif
dan induktif. Komponen beban yang akan dianalisa adalah
resistor dan induktor. Penentuan nilai komponen resistor dan
induktor adalah sebagai berikur:

Beban campuran (induktif dan resistif)
𝑅=
2
𝑉𝐿−𝑁
cos 𝜑
𝑋𝐿 =
𝑆
2
𝑉𝐿−𝑁
sin 𝜑
𝑋𝐿
𝑆
𝐿 = 2𝜋𝑓 (Henri)
III.
(2.7)
(2.8)
(2.9)
HASIL DAN ANALISA
3.1 Pemodelan Sistem
𝑉𝑜−𝑟𝑚𝑠 =
𝑉𝑚
2 𝛽 −𝛼 +sin 2𝛼 −sin 2𝛽
2
𝜋
(3.3)
𝑉𝑚 = 2 × 𝑉𝑠−𝑟𝑚𝑠
(3.4)
𝛽 =𝜋+𝜎
(3.5)
Dalam bab ini akan disimulasikan dan analisa dari
sistem pengaturan tegangan pada PWM AC-AC konverter
dengan pengaturan AC-AC konverter berbasis thyristor.
Berikut adalah tahap-tahap yang dilakukan pada bab ini:
4
1.
Pemodelan sistem pengaturan tegangan pada PWM
AC-AC konverter berbasis IGBT dengan pengaturan
tegangan pada AC-AC konverter berbasis thyristor,
Pemodelan untuk mengevaluasi kinerja respon
tegangan pada variasi beban resistif dan induktif.
Mengevaluasi kinerja respon tegangan output akibat
perubahan 𝑉𝑟𝑒𝑓 ,
Mengevaluasi kinerja respon tegangan output akibat
perubahan tegangan sumber.
2.
3.
4.
3.2 Konverter dan Respon Teganganya
Tujuan utama konverter PWM AC-AC adalah
mengkonversi tegangan AC menjadi tegangan AC yang
variabel. Pengaturan tegangan menggunakan sensing tegangan
yang dibandingkan dengan Vref sebagai referensi tegangan
keluaran yang akan di kontrol oleh PI kontroler lalu
sedemikian rupa sehingga tegangan keluaran menjadi sesuai
Vref. Pada sistem ini Vref ditentukan 11 untuk menghasilkan
tegangan kelipatan sepuluh dari nilai Vref , sehingga bila Vref
diberi nilai 11, maka tegangan outputnya akan 110 volt.
Pada simulasi dipasang beban induktif yang terdiri
dari komponen resistansi dan induktansi. Bagian yang diukur
adalah arus input, tegangan, arus, daya (watt) output
konverter, serta total distorsi harmonik (THD) baik arus
maupun tegangan. Penentuan beban berdasarkan asumsi awal
yaitu menggunakan tegangan 220 V dengan data daya dalam
watt dengan cos φ = 0.85. Pada PWM AC-AC Konverter
berbasisi IGBT pemberin beban pada rangkaian open loop
dapat menyebabkan perubahan tegangan dan arus
keluarannya, yaitu semakin besar beban maka tegangan output
semakin kecil, sedangkan arus output dan dayanya semakin
besar. Pada hasil pengujian rangkain yang dimodifikasi close
loop sistem menjadi relatif konstan untuk tegangan outputnya.
Pada pengujian dengan perubahan Vref dan pengujian dengan
perubahan tegangan sumber menunjukan rangkaian close loop
memiliki respon tegangan yang konstan.
12 %
10
8
VTHD
6
ITHD
4
2
210
200
190
180
160
140
120
110
80
100
0
Vout
Gambar 3.1 Grafik respon total harmonik tegangan dan arus
rangkaian close loop dengan perubahan Vref
Total harmonic distortion tegangan dan arus pada
PWM AC-AC Konverter adalah normal. Dimana standard
IEEE 519-1992, THD maksimum untuk arus adalah 2.5%
sedangkan THD tegangan maksimum adalah 5%.
Pengujian selanjutnya adalah evaluasi tegangan
dengan beban dinamis. Untuk pengujian ini digunakan beban
resistif. Simulasi dengan beban yang berubah dalam periode
yang singkat, dengan kronologi dari beban 1000 watt
dinaikkan secara signifikan dengan periode 0.3s.
Gambar 3.2 Respon tegangan output terhadap perubahan
beban pada sistem close loop
Pada rangkaian open loop perubahan beban
mempengaruhi tegangan keluarannya, sedangkan pada sistem
close loop perubahan beban tidak menggangu kestabilan
tegangan keluaran, sehingga terlihat gambar gelombang
konstan disetiap perubahan beban.
Hasil simulasi PWM AC-AC converter berbasis
IGBT kemudian dibandingkan dengan konverter AC-AC
berbasis thyristor, dapat dievaluasi performansi antara
keduannya. Dengan parameter beban dan tegangan output
yang sama didapatkan perbandingan sebagai berikut.
5
Tabel 3.1 Tabel Perbandingan
PWM AC-AC Konverter berbasis IGBT
𝑉𝑜 𝑟𝑚𝑠
(v)
Konverter Berbasis Thyristor
VTHD(%)
ITHD(%)
PF
VTHD(%)
ITHD(%)
PF
100
5
1.3
0.849
134
64.8
0.60
140
3.5
1.68
0.85
90.9
45
0.68
160
2.88
0.78
0.85
74.1
36.1
0.72
180
2.56
0.57
0.85
57.6
26.8
0.76
200
3.84
1.4
0.85
40.2
16.6
0.79
Secara umum terlihat bahwa dengan tegangan output
rms yang sama, pengontrol tegangan PWM AC-AC converter
berbasis IGBT mempunyai performansi yang lebih baik dari
pada pengontrolan tegangan AC-AC converter berbasis
thyristor.
THD %
150
100
THYRISTOR
50
IGBT
0
100
140
160
180
200
Vout RMS
Gambar 3.3 Grafik perbandingan respon THD tegangan
antara rangkaian IGBT dengan thyristor.
70 THD %
60
50
THYRISTOR
40
30
IGBT
20
10
0
Vout RMS
100
140
160
180
200
Gambar 3.4 Grafik perbandingan respon THD arus antara
rangkaian IGBT dengan thyristor.
IV.
KESIMPULAN
Dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang berjudul
“Analisa dan Pemodelan PWM AC-AC Konverter Satu Fasa
Simetri” dengan melalui studi literatur, perancangan,
pengujian dan evaluasi, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. PWM AC-AC konverter satu fasa simetri dengan
berbasis IGBT menghasilkan tegangan sinusoidal dengan
distorsi harmonisa yang kecil, dan faktor daya yang
mendekati 1.
2. PWM AC-AC konverter satu fasa simetri dengan
berbasis IGBT pada sistem close loop menghasilkan
keluaran tegangan AC yang konstan dengan tegangan
sumber yang berubah-ubah, dan juga pada saat
perubahan beban.
3. Pada PWM AC-AC konverter berbasis IGBT di dapatkan
bahwa dengan beban 1000 watt dan tegangan output 200
volt menghasilkan arus THD 1.4 %, sedangkan pada ACAC konverter berbasis thyristor nilainya arus THD
sangatlah tinggi yaitu 16.6.
4. Dengan beban dan tegangan output yang sama dengan
pengujian arus THD, total distorsi harmonisa tegangan
PWM AC-AC konverter berbasis IGBT adalah 3.8 %,
sedangkan pada AC-AC konverter berbasis thyristor
nilainya juga sangat tinggi yaitu 40.2 %.
5. Secara umum dari hasil perbandingan kedua pengontrol
tersebut bahwa secara performansi rangkaian pengontrol
tegangan PWM AC-AC konverter berbasis IGBT lebih
baik dari pengontrol tegangan AC satu fasa berbasis
thyristor.
V.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Muhammad H Rashid , “Power Electronics Handbook”,
Academic Press, 2001
[2] Nabil A. Ahmed, ”Comprehensive analysis and transient
modeling of symmetrical single phase PWM AC–AC
voltage converters”, Science Direct. 2010
[3] W. Shephard, “Thyristor Control of AC Circuit”,
Grosby-lockwood Staples, St. Albans, UK, 1975.
[4] Ashari, Mochamad. Diktat Kuliah Elka Daya. Teknik
Elektro-ITS Surabaya.
6
VI.
RIWAYAT PENULIS
Rizki Aulia Ratnani, dilahirkan di
Sukoharjo-Jawa Tengah, pada 9 April
1989 dari pasangan dari Sutaryo dan
Hanik Farida sebagai anak kedua.
Menyelesaikan studi di Program Diploma
3 Teknik Elektro Universitas Gadjah
Mada pada tahun 2010, dengan Tugas
Akhir berjudul ”Otomatisasi Buka-Tutup
Atap Pada Pengering Gabah”. Pada tahun
2010 melanjutkan studi di Institut
Teknologi Sepuluh November Surabaya melalui program
Lintas Jalur dan mendalami ilmu Sistem Tenaga Listrik.
Penulis dapat dihubungi lewat [email protected]