Converter Ac-to-Ac With Additional Free- Wheeling Switches for Improving Power Factor and Reducing Harmonic Distortion

Transkripsi

1 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 35 Cnverter Ac-t-Ac With Additinal Free- Wheeling Switches fr Imprving Pwer Factr and Reducing Harmnic Distrtin Mchamad Ashari Abstract This paper presents develpment f single phase AC-t-AC cnverter with additinal free-wheeling switches fr imprving the pwer factr and reducing harmnic distrtin. The prpsed system uses switching types: the main switch and additinal switch. The main switch is fr cntrling the amplitude f the utput vltage, while the additinal switch is fr releasing energy frm inductive lads (free-wheeling switch). The main swicth is cntrlled by pulse width mdulatin (PWM), and the additinal switch is mdulated using the line frequency, 5 Hz. An AC-t-AC cnverter was simulated and built fr labratry test purpses. A cnventinal system, using thyristr and called Phase Cntrl, was simulated fr the system cmparisn. Results frm simulatin and labratry tests shw that the prpsed system wrks prperly. Using the same lads, the cnventinal system presents pwer factr as,34,7 and the vltage THD as 6.%. The prpsed system prvides an imprved pwer factr at nearly unity, and presents the ttal harmnic distrtin f the vltage as.45%. Keywrds AC-t-AC cnverter, free-wheeling switches, sinusidal PWM, inductive lad, cnventinal phase cntrlled K I. PENDAHULUAN nverter AC-t-AC merupakan peralatan untuk menyediakan tegangan utput AC variabel yang dilah dari tegangan AC jala-jala tanpa melalui DC-link. Knverter AC-t-AC banyak digunakan untuk aplikasi di industri dan di sistem transmisi, misalnya untuk mengatur temperature tanur listrik, pemanas air dan Static VAR Cmpensatr (SVC). Pada mulanya sistem ini menggunakan thyristr yang diperasikan sebagai Kntrl Fase [] dan []. Metde ini mengatur arus atau tegangan dengan cara memperlambat penyulutan thyristr. Cara ini mampu memberikan arus variabel yang smth, tetapi dihasilkan pula distrsi harmnisa yang cukup besar. Harmnisaharmnisa dminan berada pada rde rendah, yaitu ke 5 dan 7, sehingga untuk meredamnya diperlukan filter dengan dimensi yang cukup besar. Pada perkembangan berikutnya, pengatur tegangan AC menggunakan metde Pulse Width Mdulatin (PWM). Metde PWM ini telah banyak digunakan untuk aplikasi VAR cmpensatr [3], [5] maupun untuk uninterruptible pwer supply dan pwer quality cnditiner [6]-[9]. Pada knverter AC-t-AC, metde ini mencacah tegangan AC menjadi pulsa-pulsa dengan peride pendek (frekuensi tinggi). Arus atau tegangan termdulasi dikendalikan dengan cara mengatur lebar pulsa (duty cycle). Metde ini memberikan perfrmansi yang lebih baik dibanding dengan Kntrl Fase. Paper ini membahas pengembangan knverter ACt-AC (disebut juga pengatur tegangan AC) menggunakan metde PWM, dimana ditambahkan saklar free-wheeling yang dikntrl khusus berfungsi untuk meningkatkan pwer faktr dan menurunkan distrsi harmnisa. II. KONVERTER AC-TO-AC Berdasarkan jenis saklar dan cara pengendaliannya, sistem pengatur tegangan AC dapat dikelmpkkan menjadi yaitu:. Sistem dengan bi-directinal thyristr yang dikntrl melalui sudut fasa (Kntrl Fase). Sistem dengan transistr yang dikntrl secara PWM A. Sistem Dengan Bi-directinal Thyristr Kntrl Fase merupakan pengatur tegangan AC yang menggunakan bi-directinal thyristr. Sistem knvensinal ini masih banyak digunakan di industri, terutama untuk pengaturan SVC. Sistem ini sangat sederhana tetapi arus dan tegangan yang dibangkitkan berbentuk diskntinyu dan nn sinusida akibat pla penyalaan thyristr. Faktr daya suatu cntrl fase berubah-ubah prprsinal terhadap sudut penyalaan thyristr. Kntrl Fase satu fasa terdiri dari sebuah bidirectinal thyristr atau buah thyristr seperti ditunjukkan pada Gambar. V s adalah tegangan rms sumber, R dan L adalah beban induktif. Pla penyalaan thyristr dibuat simetri, dimana thyristr T disulut pada α, sedangkan T pada α+π seperti terlihat pada Gambar. Arus utput yang diskntinyu dan tertinggal sebesar α akibat penyalaan thyristr dapat diamati pada Gambar bagian bawah. Naskah diterima Desember 6; selesai revisi pada April 8 M. Ashari adalah dsen Jurusan Teknik Elektr, FTI, Institut Teknlgi Sepuluh Npember, Surabaya, INDONESIA ( ashari@ieee.rg/ashari@ee.its.ac.id) Gambar. Rangkaian fase kntrl satu fasa

2 36 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 merupakan kmplemen S, dimana kedua saklar tersebut tidak bleh knduksi secara bersama-sama. Filter L dan C dipasang untuk mengurangi harmnisa akibat perasi penyaklaran. Gambar. Penyalaan thyristr dan bentuk gelmbang arus utput Persamaan tegangan utput dapat dituliskan sebagai berikut []: V = π β α V s sin ω t d ( ω t ) sin α V s β α + π / sin β / = () Dengan α adalah sudut penyalaan thyristr, β adalah sudut pemadaman thyristr yang besarnya tergantung pada perbandingan induktansi dan resistansi beban. Persamaan arus rms pada satu buah thyristr dapat dituliskan: I = π β α R i d( ωt) / (R/L)( α/ ω-t) { sin ( ωt -φ) -sin ( α -φ)e } / () Dengan [ ] Vs = ( ) Z β d ωt α π / Z = R + ( ω L ) adalah impedansi be- ban dan φ = tan ( ω L / R ). Arus utput atau arus beban rms merupakan gabungan dari arus rms masing-masing thyristr: ( I ) / R + I R I R I = = (3) Persamaan-persamaan diatas menunjukkan bahwa:. Sudut penyalaan harus α φ agar tidak terjadi kegagalan knduksi pada salah satu thyristr. Faktr daya untuk arus fundamental pada sisi input merupakan fungsi sudut penyalaan thyristr, pf = cs α 3. Bentuk gelmbang tegangan dan arus adalah nn sinusida, kecuali pada saat α=φ. B. Sistem PWM Dengan Free-Wheeling Switches Rangkaian knverter AC-t-AC menggunakan teknik PWM dengan tambahan free-wheeling switches ditunjukkan pada Gambar 3. Sistem ini dirancang mempunyai jenis pensaklaran, yaitu saklar utama (S) dan saklar tambahan (S dan S ). Saklar utama, S, dipasang seri terhadap beban berfungsi sebagai pencacah dengan frekuensi tinggi. Saklar ini akan mengatur amplitud tegangan utput. Transistr free-wheeling yaitu S dan S masing-masing dipasang paralel dengan sebuah dide. Transistr dan dide ini dihubungkan paralel terhadap beban untuk melepas energi yang tersimpan pada beban (induktif). Saklar S Gambar 3. Rangkaian knverter AC-t-AC dengan Free-Wheeling switches Pla pengperasian 3 saklar tersebut ditentukan berdasarkan plaritas tegangan sumber (V s ) dan arus beban (I L ) seperti pada Gambar 4. Gambar 4. Pla penyalaan saklar pada pengatur tegangan AC PWM Saklar S diperasikan pada frekuensi tinggi dengan duty cycle D. Duty cycle adalah perbandingan antara T n (waktu turn n transistr) dengan ttal peride mdulasi T = T + T.Saklar S dan S diperasikan s n ff berdasarkan kndisi sesaat arus dan tegangan beban. a. Pla Pengperasian Saklar Utama (S) Saklar S diperasikan pada frekuensi tinggi dengan metde PWM. Jembatan dide digunakan untuk mengubah tegangan negatif sumber menjadi psitif, hal ini dapat menghemat jumlah transistr. Tegangan keluaran dari saklar S berupa gelmbang sinusida yang terptng sebagai pulsa-pulsa. Pla perasi saklar S akan memberikan efek pengntrlan magnitud tegangan dan faktr daya pada beban. Analisis secara matematis diberikan pada paragraf berikut. Tegangan input suplai didefinisikan sebagai : v s (t) = V sm sin ωt (4) dengan ω adalah frekuensi sudut dan V sm adalah tegangan maksimum input. Ketika frekuensi switching ω s dan knstanta duty cycle D diterapkan pada saklar S, maka fungsi switching F(t) dalam bentuk deret Furier [4] adalah sebagai berikut: n = sin nd π F ( t ) = D + sin (n ω s t) (5) n π

3 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 37 Tegangan utput V r (t), yang merupakan tegangan input termdulasi, dapat diberikan sebagai berikut : vr (t) = F(t)v s (t) Vsmsin ndπ = DVsm sin ( ωt) + sin (nωs ± ω)t (6) nπ n= Dari persamaan (6) terlihat bahwa tegangan puncak dari kmpnen fundamental V rf tergantung dari Duty Cycle D: V = (7) rf DV sm Tegangan maksimum kmpnen harmnisa adalah: sin (nd ) V sm π (8) V rh = n = n π Untuk arus sumber I S, dengan cara yang sama dapat diperleh persamaan termdulasinya: I s = F(t)i L (t) + i c (t) F(t)i (t) + i c (t) I sin nd π DI sin( ωt - φ) + sin{( nω s ± ω)t ± φ} nπ n = + I c sin( ω t + / ) (9) π dengan i L adalah arus pada sisi utput sistem, i adalah arus beban dan i c adalah arus kapasitr yang terletak pada sisi input (terminal suplai). Arus I c = ωc V sm, dan cs(φ) adalah faktr daya beban. Kmpnen fundamental arus input adalah: I = DI ) + I DI I sin( φ ) () sf ( c c dan harga rms arus sumber adalah: I s (DI ) I c DI I c sin( ) = + φ + n = I sin nd π nπ () Faktr daya input diekspresikan sebagai: I sf PF = cs( φ ) () I s Persamaan (6) sampai () menunjukkan bahwa tegangan, arus utput dan pwer faktr beban tergantung pada Duty Cycle pengperasian saklar S. b. Pla Pengperasian Saklar Free-Wheeling Pla pengperasian S dan S diatur sedemikian sehingga prses pengsngan energi yang tersimpan pada beban (induktr L ) digunakan untuk memperkecil beda fasa antara arus dan tegangan. Hal ini akan membawa efek terhadap perbaikan faktr daya. Mengacu pada Gambar 4, jika saklar S sedang knduksi maka sisa energi dari beban L dialirkan melalui netral, saklar S, dide paralel S, induktr L dan kembali ke L. Pada kndisi ini arus pengsngan mempunyai plaritas yang sama dengan arus beban. Sebaliknya, jika S sedang knduksi, maka prses pengsngan energi pada beban mengalir berlawanan dengan kndisi saat saklar S knduksi, atau berbeda 8 terhadap arus beban. Pengperasian kedua saklar Free-Wheeling dilakukan dengan memperhatikan 3 parameter yaitu: Status saklar utama, S; Plaritas tegangan sumber (V s ); dan Plaritas arus beban (I L ) Jika tegangan sumber dan arus beban keduanya psitif, maka saklar S diperasikan dalam kndisi knduksi (n), sedangkan S membuka (ff). Pada saat S sedang knduksi maka akan terjadi pengisian pada induktr beban L. Pada saat S membuka (ff), maka arus pengsngan akan mempunyai plaritas yang sama dengan arus beban (psitif). Prses ini akan membantu memperbaiki bentuk gelmbang arus atau memperkecil Ttal Harminc Distrtin. Pada kndisi yang lain yaitu saat V s < dan i L >, maka S selalu diperasikan ff, karena arus beban selalu diinginkan psitif. Ketika S sedang knduksi maka S harus dalam kndisi ff agar tidak terjadi shrt circuit, sebaliknya pada saat S ff maka S diperasikan n. Switching pengemudian selengkapnya diberikan pada Tabel. TABEL POLA OPERASI SAKLAR UTAMA DAN TAMBAHAN Kndisi Saklar (state) S S S V s >, i L > V s <, i L > V s <, i L < V s >, i L < Kndisi saklar : membuka, menutup Dengan menggunakan gerbang-gerbang lgika dan beberapa manipulasi untuk mendapatkan rangkaian yang paling sederhana, maka implementasi Tabel menggunakan gerbang-gerbang lgika disajikan leh Gambar 5. Gambar 5. Gerbang lgika pengntrl saklar III. HASIL PENGUKURAN DAN DISKUSI Untuk mengetahui unjuk kerja masing-masing alat pengatur tegangan AC, maka dilakukan simulasi dan pengukuran sebagai verifikasi. Sebuah prttype knverter yang menggunakan metde PWM dan saklar Free-Wheeling telah dibuat dan diuji cba di labratrium. Sebuah sistem knvensinal yang menggunakan thyristr sebagai Kntrl Fase telah dilakukan simulasi, selanjutnya hasil simulasi digunakan sebagai pembanding. Gambar 6 adalah ft set up peralatan saat dilakukan test pada prttype knverter. Tegangan

4 38 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 sumber= Vpeak, 5 Hz. Saklar S di switching pada 5 khz dengan duty cycle 8%. Beban berupa R =5Ω dan L = mh, atau cs φ=,85. Hasil penelitian knverter PWM masing-masing dari simulasi dan test labratrium ditunjukkan pada Gambar 7 dan 8. terhadap tegangan utput karena beban berupa induktif dengan faktr daya,85. Gambar 8. Hasil test metde PWM: bentuk tegangan dan arus input (prbe skala /, prbe skala /) saat D=8%) Gambar 6. Prttype knverter PWM dengan saklar free-wheeling Gambar 9. Hasil test metde PWM: bentuk tegangan dan arus utput saat D=8% Spektrum harmnisa untuk tegangan dan arus utput ditunjukkan pada Gambar dan. Ttal Harmnic Distrtin (THD) tegangan utput adalah,45%, sedangkan THD arus utput =,95%. Gambar 7. Hasil simulasi metde PWM: bentuk tegangan dan arus input saat D=8% Tegangan input rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 7 terlihat sinusida murni, sedangkan hasil pengukuran pada Gambar 8 menunjukkan bahwa tegangan input sistem masih mengandung frekuensi tinggi akibat efek pencacahan leh saklar S. Hal ini disebabkan leh kinerja filter yang kurang sempurna. Arus input terlihat sefase dengan tegangan baik pada hasil simulasi maupun hasil test. Beban yang digunakan dalam percbaan ini adalah induktif dengan faktr daya,85. Hal ini menunjukkan bahwa fungsi perbaikan faktr daya leh saklar free-wheeling dapat bekerja dengan baik. Faktr daya pada sisi input sistem mendekati meskipun beban mempunyai faktr daya,85 tertinggal. Pada sisi utput rangkaian, yaitu terminal knverter yang terhubung dengan beban, bentuk gelmbang tegangan dan arus diperlihatkan pada Gambar 9. Bentuk gelmbang tegangan dan arus utput terlihat tidak banyak terdistrsi frekuensi tinggi. Frekuensi tinggi yang ada telah diserap leh filter LC yang dipasang parallel terhadap beban. Magnitud tegangan terlihat lebih rendah 8% dibanding tegangan inputnya akibat Duty cycle yang diperasikan pada saklar S. Arus utput terlihat tertinggal Gambar. Spektrum harmnisa tegangan utput metde PWM, THD=,45% Gambar. Spektrum harmnisa arus utput metde PWM, THD=,95%

5 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 39 Unjuk kerja metde PWM terlihat lebih bagus jika dibandingkan dengan metde Kntrl Fase untuk kndisi yang sama. Bentuk gelmbang tegangan dan arus input/ utput serta spectrum harmnisa untuk metde Kntrl Fase ditunjukkan pada Gambar dan 3. Tegangan utput metde Kntrl Fase mempunyai bentuk gelmbang nn sinusida dimana harmnisa dminan adalah rde rendah. THD tegangan pada 6,%, sedangkan THD arus input = 9,4%. Gambar 4. Spektrum harmnisa tegangan dan arus utput metde Kntrl Fase Gambar. Bentuk gelmbang tegangan dan arus input metde Kntrl Fase THD TEGANGAN OUTPUT 8% 7% 6% 5% 4% 3% % % % TEGANGAN OUTPUT PEAK (VOLT) FASE KONTROL PWM Gambar 5. THD tegangan utput Faktr kerja pada beban diatas untuk knverter PWM menghasilkan faktr daya mendekati, sedangkan metde Kntrl Fase menghasilkan,34 s/d,7. Gambar 3. Bentuk gelmbang tegangan dan arus utput metde Kntrl Fase Perbandingan unjuk kerja THD tegangan utput untuk knverter PWM dan Fase Kntrl disajikan pada Gambar 4. Terlihat bahwa knverter PWM dalam penelitian ini memberikan THD yang relatif rendah untuk pengaturan tegangan yang lebar. Sebaliknya Fase Kntrl mempunyai THD yang cukup besar pada saat tegangan utput rendah dan menurun secara ekspnensial saat tegangan utput naik mendekati harga rms sumber. IV. KESIMPULAN Knverter AC-t-AC satu fasa menggunakan metde Pulse Width Mdulatin dengan saklar freewheeling telah didesain, disimulasi dan dibuat prttypenya. Perfrmansi THD dan faktr kerja menunjukkan hasil yang jauh lebih baik dibanding dengan metde knvensinal, Kntrl Fase. Hasil simulasi dan pengukuran menunjukkan bahwa sistem yang dikembangkan dalam penelitian ini mampu menurunkan ttal harmnic distrtin (THD) tegangan dari 6.% menggunakan sistem knvensinal menjadi sebesar,45%. Perbaikan dalam hal faktr daya menunjukkan hasil yang cukup signifikan, yaitu dari,34,7 menggunakan sistem knvensinal menjadi unity. V. DAFTAR PUSTAKA [] Sasan Jalali, Ian Dbsn, Rbert H. Lasseter, and Giri Venkataramanan, Switching Time Bifurcatins in a Thyristr Cntrlled Reactr, IEEE Transact n Circuits and Systems Fundamental Thery and Appl, vl. 43, n. 3, March, 996. [] Mchamad Ashari, Analisis Reaktansi dan Distrrsi harmnisa Thyristr Cntrlled Series Capacitr, Seminar Sistem Tenaga Elektri III, ITS Surabaya, 8 Oktber. [3] Ahmed, Nabil A., Kenji Amei, dan Masaaki Sakui, Member IEEE, A New Cnfiguratin f Single-Phase Symetrical

6 4 IPTEK, The Jurnal fr Technlgy and Science, Vl.9, N., May 8 PWM AC Chpper Vltage Cntrller, IEEE Transactins On Industrial Electrnics, vl. 46, n.5, Octber 999. [4] Che, G. H., A. K. Wallace, dan M. H. Park, An Imprved PWM Technique fr AC Chpper, IEEE Transactins On Pwer Electrnics, vl. 4 pp , Oct [5] Luis AC Lpes, Geza Js, Pulse Width Mdulated Capacitr Fr Series Cmpensatr, IEEE Transactin n Pwer Electrnics, vl. 6, pp 67-7, n., March [6] Ashari, M., C.V. Nayar and W.W.L. Keerthipala, Optimum Operatin Strategy and Ecnmic Analysis f a PV-Battery-mains Hybrid Uninterruptible Pwer Supply, the Internatinal Jurnal f Renewable Energy, vl., Elsevier Science Publisher, Jan - Mar, pp [7] Ashari, M., W.W.L. Keerthipala and C.V. Nayar, A Single Phase Parallely Cnnected Uninterruptible Pwer Supply/ Demand Side Management System, IEEE Transactins n Energy Cnversin, vl. 5, N., March, pp.97-. [8] Ashari, M., and C.V. Nayar, An Optimum Dispatch Strategy Using Set Pints fr A PV/ Diesel/ Battery Hybrid Pwer System, the Internatinal Jurnal f Slar Energy, vl. 66, N., Elsevier Science Publisher, July 999, pp.-9. [9] Nayar, C.V., and M. Ashari, Phase Pwer Balancing f a Diesel Generatr Using a Bi-Directinal PWM Inverter, IEEE Pwer Engineering Review, Vl. 9, n., Nv 999, pp [] Rashid, M. H., Pwer Electrnics:Circuits, Devices and Applicatins, nd ed. Englewd Cliffs: Prentice Hall, 993.