KARAKTERISTIK DELTA PULSE WIDTH MODULATED UNTUK APLIKASI UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY

Transkripsi

1 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil 3 3 KARAKTERISTIK DELTA PULSE WIDTH MODULATED UNTUK APLIKASI UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY Mohamad Ashai Juusan Teknik Elekto - Fakultas Teknologi Industi Institut Teknologi Sepuluh Nopembe (ITS), ashai@ee.its.a.id Abstak - Pape ini menyajikan kaakteistik Delta Pulse Width Modulated untuk aplikasi uninteuptible powe supply. Delta PWM meupakan teknik pembangkitan sinyal dimana ekuensi aie dihasilkan dai integasi sinyal output. Metode inii menghasilkan ekuensi aie yang besanya bevaiasi dan bebanding tebalik dengan haga hysteisis H, konstanta integato K dan atu tegangan E. Kaakteistik dan besa hamonisa delta PWM didesain dengan aa memilih nilai-nilai esisto dan tegangan supplye yang sesuai. Kata kuni: pulse width modulation, hysteisis delta modulato, voltage soue invete, uninteuptible powe supply, tegangan dan ekuensi konstan.. PINSIP KERJA DELTA MODULATOR Blok diagam pembangkit PWM Delta Modulato disajikan pada Gamba. Sebuah sinyal eeensi v dibandingkan dengan sinyal eedbak v dan menghasilkan suatu sinyal eo V e. Pada metode ini sinyal eedbak sekaligus meupakan sinyal aie. Sinyal aie didapatkan dai poses integasi sinyal output. Sinyal PWM, V pwm. dibangkitkan dai sebuah kompaato hysteisis yang mempunyai level yaitu ±E, dimana E adalah atu tegangan kompaato, Sinyal ini meupakan sinyal output yang selanjutnya digunakan untuk mengendalikan powe semionduto pada voltage soue invete.. PENDAHULUAN Voltage Soue Invete (VSI) banyak digunakan sebagai uninteuptible powe supply (UPS) []-[3], disamping sebagai pengendali moto induksi [4]-[5]. Dalam aplikasinya sebagai UPS, tegangan eekti dan ekuensi VSI dijaga aga nilainya konstan tehadap peubahan beban. Pada umumnya tegangan output VSI dibangkitkan dengan metode Sinusoidal PWM, yaitu membandingkan sinyal eeensi dan sinyal segitiga sepeti pada Gamba [6]. Teknik sinusoidal PWM ini memelukan sebuah kompaato dan pembangkit sinyal segitiga yang konstan. Tegangan output kompaato beupa pulsa-pulsa yang lebanya beubah mengikuti amplitudo sinyal eeensi (sinusoida). Tegangan output yang dihasilkan mempunyai distosi hamonisa yang elati endah. Delta modulato adalah metode altenati untuk membangkitkan sinyal PWM. Blok diagam metode pembangkitan delta PWM telihat pada Gamba. Teknik ini menggunakan hysteisis band dan tanpa memelukan osilato khusus sebagai pembangkit sinyal aie. Sinyal segitiga (aie) dibangkitkan dai umpan balik sinyal eo yang diintegasikan. Delta modulato menyajikan sistem kontol yang lebih mudah dan simple [7]-[9]. Pape ini menyajikan kaakteistik delta modulato untuk VSI, khususnya pada saat beopeasi dengan tegangan dan ekuensi yang konstan. Gb. : Diagam blok sinusoida PWM dan delta PWM Veo V e PWM Hysteisis Band Gb. : Bentuk gelombang sinyal o v e, dan v pwm pada pembangkitan Delta modulato

2 4 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil 3 Gamba menunjukkan bentuk gelombang sinyal v e, dan v pwm. Tegangan peak-to-peak dai sinyal eo disebut hysteisis band, H. Leba hysteisis H dapat diubah-ubah tegantung pada gain dan vaiasi komponen pada angkaian implementasi. Sinyal output PWM beupa pulsa yang lebanya bevaiasi. Sinyal PWM dipeoleh dai membandingkan gelombang sinusoida eeensi dan sinyal eedbak. Pada saat sinyal eedbak lebih besa dai pada sinyal eeensi, maka tegangan kompaato ekivalen dengan high. Sebaliknya, pada saat v < v, output kompaato adalah low. Leba pulsa pada saat peioda positi dan peiode negati dapat dihitung dengan pesamaan beikut [8]: Δ t H V t KE os( KE ) () KE V 4H K E min (7) Jadi, pembangkitan dengan Delta Modulato akan menghasilkan sinyal aie yang besanya tidak konstan. Fekuensi sinyal aie akan menapai maksimum pada saat gelombang eeensi menapai punaknya seta akan menapai minimum pada saat gelombang eeensi menapai nilai nol. 3. DIAGRAM UNTUK IMPLEMENTASI Diagam skema untuk implementasi pembangkitan PWM dengan delta modulato ditunjukkan pada Gamba 3. Op- Op- Δt H V t KE os( KE ) () C R Op-3 R R 3 dimana: H hysteesis band K time onstant integato E atu tegangan ompaato V amplitudo sinyal eeensi ω ekuensi angula sinyal eeensi Dai pesamaan () dan () dapat dipeoleh peiode (T C ) dan ekuensi sinyal aie ( C ) yaitu: T C Δt t (3) Δ C Δt Δt Sehingga, pesamaan ekuensi aie adalah: KE.5V ( os t) 4H K E (4) (5) Dai pesamaan (5), ekuensi aie maksimum dan minimum dapat dihitung. Fekuensi maksimum dipeoleh pada saat ω tπ/, 3π/ dan seteusnya. Sebaliknya akan minimum pada saat ω t, π dan seteusnya. KE max (6) 4H Gb. 3: Rangkaian implementasi delta modulato Rangkaian pada Gamba 3 adalah besesuaian dengan diagam blok yang ditunjukkan pada Gamba. Opamp petama (Op-) adalah yang tehubung dengan sinyal eeensi v. Op-amp ini beungsi sebagai komponen penjumlah (summing point) antaa sinyal eeensi dan sinyal eedbak. Keluaan dai summing point selanjutnya dilakukan pembatasan leba pita hysteisis (H) oleh Op-amp kedua. Leba pita hysteisis adalah sebagai beikut: H RE R R 3 (8) Leba hysteisis dapat ditentukan menggunakan pesamaan (8) dengan memilih vaiasi nilai esisto R, R 3 dan tegangan kompaato E. Op-amp yang ketiga adalah integato yang beungsi untuk mengintegalkan output dai op-amp hysteisis, Op-. Op-amp ini menghasilkan sinyal eedbak (v ) yang beupa gelombang segitiga dan meupakan hasil integasi dai gelombang kotak. Konstanta waktu dai integato ditentukan oleh: K R C (9)

3 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil 3 5 Konstanta ini akan mempengauhi kemiingan gelombang segitiga yang tebentuk. Ketiga op-amp pada angkaian diatas diatu oleh sebuah sumbe tegangan simeti, ±E/. Tegangan atu ini haus didesain sangat stabil pada sebuah haga tetentu dan besa tegangannya tidak pelu diubahubah. Kestabilan tegangan atu akan mempengauhi unjuk keja kompaato. Simbol pentanahan (gound) pada angkaian diatas menunjukkan tegangan antaa, yaitu nol. H 3 volt K 5 Gamba 4 menunjukkan hasil simulasi bentuk gelombang v, v, v e. dan v pwm. Telihat bahwa sinyal eedbak (v ) mempunyai ekuensi yang tidak konstan. Hal ini telihat dai leba tiap gelombang segitiga yang bebeda. Leba gelombang di daeah punak sinusoida telihat lebih sempit, sebaliknya menjadi semakin leba didaeah pepotongan dengan sumbu x. Peubahan ekuensi aie ini dapat pula diamati dai sinyal eo v e. 4. ANALISIS, SIMULASI DAN DISKUSI Unjuk keja delta modulato dapat dianalisis dai pesamaan-pesamaan diatas. Beikut ini adalah pesamaan ekuensi aie sebagai hasil substitusi antaa (5), (8) dan (9). ( R R ) 3.5V R C ( os t 4RRC E ) () Fekuensi maksimum dan minimum dai sinyal aie adalah: ( R R ) 3 () max 4RRC ( R R ) 3 V R C 4RRC E min () Bedasakan pesamaan (), apabila diinginkan ekuensi maksimum sebesa khz, maka salah satu kombinasi nilai kapasito dan esisto adalah sebagai beikut: C. μf R kω R kω (3) R 3 7 kω Tegangan kompaato E, tegangan maksimum sinyal eeensi V dan ekuensi sinyal eeensi ditentukan sebagai beikut: E 4 volt V 9 volt (4) 5 Hz Dai kombinasi diatas maka didapatkan bebeapa paamete penting antaa lain: -max khz -min.944 khz (5) Feq (Hz) Gb. 4: Bentuk gelombang v, v, v e. dan v pwm Time (ms) Gb. 5: Vaiasi ekuensi aie Fenomena vaiasi ekuensi aie dapat lebih dijelaskan oleh diagam balok sepeti pada Gamba 5. Fekuensi tetinggi tejadi pada saat t5ms dan 5 ms yaitu sebesa khz, sedangkan ekuensi teendah sebesa.944 khz tejadi pada saat t ms dan ms.

4 6 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil 3 Pada kombinasi ini pebedaan antaa ekuensi minimum dan maksimum adalah sebesa 5.5%. Adanya vaiasi ekuensi aie akan menyebabkan tingkat aat hamonisa semakin tinggi. Gamba 6 menunjukkan spetum hamonisa dai sinyal delta PWM yang tebangkit. Hamonisa tebesa yang munul petama kali adalah disekita ekuensi aie, yaitu sekita khz. Telihat bahwa amplitudo ekuensi dasa hampi sama dengan hamonisa yang beada disekita khz. Kaena ekuensi aie bevaiasi, maka amplitudo hamonisa disekita khz telihat meleba, tidak meuning ke satu ekuensi tetentu. Di daeah ini tedapat empat ekuensi dominan yaitu 8 Hz, 85 Hz, 95 Hz dan Hz. Hamonisa-hamonisa kelipatan tinggi juga munul pada daeah khz dan 3 khz, tetapi amplitudonya semakin endah. Dai pesamaan (8), tegangan V dan ekuensi untuk UPS adalah konstan, sehingga peubahan ekuensi aie hanya tegantung pada hysteisis (H), kontanta integato (K) dan atu tegangan kompaato (E) sepeti pada pesamaan (9). Δ (9) HKE 4.. Pengauh Leba Hysteisis H Leba H ditentukan oleh nilai R, R 3 dan E, sepeti yang tetulis pada pesamaan (8), sedangkan dai pesamaan (), nilai esisto R dan R 3 akan mempengauhi ekuensi aie yang tebangkit. Jadi dengan mengubah nilai R, dan R 3 akan mengubah leba H dan ekuensi aie sekaligus. Gamba 7 dan 8 menunjukkan vaiasi ekuensi aie dan hysteisis H untuk kombinasi dasa sepeti pada (3) dan (4). Fekuensi (Hz) H -min -max Hysteisis (V) Gb. 6: Spektum PWM Delta Modulato Resisto R (Ohm) Untuk aplikasi pada UPS, dipelukan suatu PWM yang mampu bekeja pada tegangan dan ekuensi output yang konstan seta mengandung aat hamonisa yang elati endah. Untuk menekan aat hamonisa, maka vaiasi ekuensi aie pada delta modulato haus dipekeil. Besa pebedaan ekuensi maksimum dan minimum didapatkan dai penguangan pada pesamaan () dan (). Δ (6) max min Gb. 7: Fekuensi aie dan hysteisis untuk R antaa Ω ~ 5 Ω Peubahan nilai R menyebabkan peubahan yang linie tehadap nilai hysteisis H dan exponensial tehadap ekuensi aie. Sebaliknya, jika diinginkan peubahan yang linie pada ekuensi aie maka nilai esisto R 3 yang haus diubah. Apabila Δ disajikan dalam posentase tehadap nilai -max, maka vaiasi nilai R dan R 3 tidak mengubah posentase tesebut. Dai pesamaan (8) dan (6) dipeoleh: ( R R ) V R C 3 Δ (7) 4RE Δ max V () V Δ (8) 4HKE

5 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil hamonisa lain yang teletak diantaa ekuensi tesebut telah teeduksi. 5 -max Fekuensi (Hz) 5 5 H -min Hysteisis (V) Resisto R3 (k-ohm) Gb. 8: Fekuensi aie dan hysteisis untuk R 3 antaa 5 kω ~ kω 4.. Pengauh Konstanta Integato K Konstanta integato meupakan ungsi dai esisto R dan C. Dai pesamaan () dan (7) dapat dilihat bahwa peubahan pada nilai R dan C akan mempengauhi ekuensi maksimum dan posentase peubahan ekuensi aie. Gb. : Spektum tegangan PWM untuk K Fekuensi Max (Hz) Peubahan Feq -max Peubahan Fekuensi (%) Konstanta Integato (K) Gb. 9: Pengauh K tehadap ekuensi maksimum dan posentase peubahan ekuensi Gamba 9 menunjukkan bahwa untuk haga K yang semakin keil ekuensi maksimum yang tebangkit semakin endah. Posentase pebedaan antaa ekuensi maksimum dan minimum juga semakin besa. Sebaliknya, jika nilai K dipilih elati besa maka ekuensi aie hampi konstan disekita ekuensi maksimumnya. Pada nilai K yang lebih besa dipeoleh distosi hamonisa yang lebih endah. Gamba adalah spetum tegangan PWM untuk K. Dibandingkan dengan Gamba 6, dimana K5, distosi hamonisa pada K telah tejadi penuunan yang ukup signiikan pada distosi hamonisa. Hamonisa-hamonisa hanya munul pada ekuensi Hz dan kelipatannya. Hamonisa- Gb : Spektum tegangan PWM untuk K Gamba adalah spetum tegangan PWM untuk K. Pada kondisi ini ekuensi aie tebangkit sebesa 4 khz dan hamonisa yang munul adalah kelipatan 4 khz. Pada haga ini tejadi peeduksian hamonisa yang sangat besa dibanding dengan haga K sebelumnya Pengauh Catu Tegangan E Gamba menunjukkan eek tegangan E tehadap peubahan leba hysteisis H dan ekuensi aie minimum -min. Kuva hysteisis dan ekuensi meupakan posentase tehadap nilai auan, yaitu pada saat E4 V, H3V dan -min 944 Hz.

6 8 JAVA Jounal o Eletial and Eletonis Engineeing, Vol., No., Apil 3 Peubahan H (%) Fekuensi Hysteisis H Peubahan E (%) Gb. : Eek peubahan tegangan E tehadap hysteisis H dan ekuensi aie -min Peubahan eq (%) Apabila tegangan kompaato tuun sebesa 5% dai 4 V, maka leba H akan mengalami penuunan sebesa 5%, sedangkan ekuensi aie minimum juga tuun sebesa 4.6%. Nilai ekuensi aie minimum dipengauhi oleh tegangan E, sedangkan ekuensi maksimum -max behaga tetap. 5. KESIMPULAN [4] W Choi, H.W. Kim and S.K. Sul, New Cuent Contol Conept Minimum Time Cuent Contol in the Thee Phase PWM Convete, IEEE Tans. Powe Eleton., vol., pp.4-3, 997. [5] D.C. Lee, S.K. Sul, and M.H. Pak, High Peomane uent egulato o a ieldoiented ontolled indution moto dive, IEEE Tans. Ind. Appliat., vol. 3, pp , Sep/ Ot 994. [6] Mihael Boost and P.D. Ziogas, "State-o At Caie PWM Tehniques: A Citial Evaluation", IEEE Tans. on Industy Appliat., vol. 4, no., Mah/ Apil 988, pp.7-8. [7] Nase Abdel Rahim and john Equaioe, A Single Phase Delta Modulated Invete o UPS Appliation, IEEE Tans. On Ind. Eletonis, vol. 4, No. 3, June 993, pp [8] M. A. Rahman, J.E. Quioe and M.A. Choundhuy, Peomane Analysis o Delta PWM Invetes, IEEE Tans. On Powe Eletonis, Vol. PE-, July 987, pp [9] C.F. Chistiansen, M.I. Valla, and C.H. Rivetta, A synhonization tehnique o stati delta PWM invetes, IEEE Tans. on Ind. Eletonis, vol. 35, no. 4, pp.5-57, Nov Adanya vaiasi ekuensi aie pada delta modulato menyebabkan tingkat distosi hamonisa menjadi ukup tinggi. Besa vaiasi ekuensi aie adalah bebanding tebalik dengan haga hysteisis H, konstanta integato K dan atu tegangan E. Sehingga haga-haga H, K dan E haus dipilih yang sebesa mungkin aga dipeoleh distosi hamonisa yang minimum. PUSTAKA ACUAN [] Ashai, M., W.W.L. Keethipala and C.V. Naya, A Single Phase Paallely Conneted Uninteuptible Powe Supply/ Demand Side Management System, IEEE Tansations on Enegy Convesion, vol. 5, No., Mah, pp.97-. [] Naya, C.V., M. Ashai and W.W.L Keethiphala, A Gid-inteative Photovoltai Uninteuptible Powe Supply System Using Battey Stoage and a Bak up Diesel Geneato, IEEE Tansa. on Enegy Convesion, vol. 5, no. 3, Sep., PE-85- EC (3-), pp [3] Ashai, M., C.V. Naya and S. Islam, An Impoved Uninteuptible Powe Supply System, Poeeding o 9 th Intenational Coneene on Hamonis and Quality o Powe, vol., -4 Otobe, Univesity o Floida, USA, pp Mohamad Ashai mempeoleh gela Insinyu pada tahun 989 dai Teknik Elekto Institut Teknologi Sepuluh Nopembe (ITS) Suabaya. Pada tahun 997 dan, dia menyelesaikan studinya untuk pogam S (M.Eng) dan S 3 (PhD) dalam bidang Eletial Engineeing dai Cutin Univesity o Tehnology, Austalia. Pada tahun dia menjadi eseah ellow pada Cente o Renewable Enegy and Sustainable Tehnologies Austalia (CRESTA), Cutin Univesity. D. Ashai begabung dengan ITS sejak tahun 989 sebagai sta pengaja di Juusan Teknik Elekto. Poyek industi yang akti dikejakan meliputi studi/ peenanaan ilte hamonisa, pebaikan powe ato, koodinasi elay dan sistem integasi kelistikan. Topik iset yang akti dikejakan meliputi powe elektonik untuk industi, powe konvete, powe quality dan pemanaatan enegi tebaukan.