SISTEM KENDALI LEVEL TEGANGAN PADA KONVERTER DC/DC TIPE BOOST UNTUK APLIKASI SISTEM FOTOVOLTAIK

Transkripsi

1 SISTEM KENDALI LEVEL TEGANGAN PADA KONVERTER DC/DC TIPE BOOST UNTUK APLIKASI SISTEM FOTOVOLTAIK Faizal Arya Samman 1, Abdul Azis Rahmansyah 2, Ibrahem Mohammed 3, Dewiani 4, Gassing 5, Adnan 6 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin 1 faizalas@unhas.ac.id, 2 maxmicro.azis@gmail.com, 3 ibrahemyami@yahoo.com, 4 dewiani_djamaluddin@yahoo.com, 5 gassing@unhas.ac.id, 6 adnan@unhas.ac.id Abstrak - Konverter DC/DC tipe Boost merupakan komponen penting dalam industri yang mengubah level tegangan rendah sebuah komponen listrik menjadi lebih tinggi. Paper ini menampilkan teknik sederhana untuk mengendalikan level tegangan sebuah konverter DC/DC tipe boost. Sistem kendali dirancang dengan cara membandingkan level tegangan keluaran rangkaian konverter dengan referensi tegangan yang telah ditetapkan. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software SPICE untuk menguji peforma rangkaian dengan kondisi beban yang berubah-ubah serta kondisi level tegangan masukan yang berubah-ubah. Hasil simulasi menunjukkan bahwa level tegangan keluaran dapat dipertahankan dengan baik, kecuali jika tegangan masukan memasuki fase tegangan yang mendekati titik nol. Kata Kunci : DC Converter, PSPice, Konverter Boost. I. PENDAHULUAN Pembangkit listrik yang menggunakan tenaga surya telah banyak dikembangkan karena bebas polusi serta tidak menimbulkan kebisingan jika di bandingkan dengan pembangkit yang menggunakan bahan bakar fosil. Suatu sistem tenaga surya adalah mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan efek photovoltaic (PV). Tegangan keluaran dari panel surya tersebut bervariasi tergantung suhu dan radiasi matahari yang ada [1]. Pada aplikasi panel surya, tegangan keluaran yang bervariasi tidak dapat di aplikasikan ke perangkat elektronik secara langsung karena dapat menyebabkan kerusakan pada alat tersebut. Karena mayoritas alat elektronik ber-input tegangan AC maka dibutuhkan suatu converter dari DC-AC. Tetapi karena output tegangan dari panel surya kecil dan tidak stabil maka diperlukan suatu converter boost untuk meningkatkan tegangan. Output DC-DC konverter boost akan berubah-ubah tergantung tegangan inputnya [2]. Panel Surya Modul MPPT Beban Boost Converter Inverter Gambar 1. Model diagram pada sistem fotovoltaik sederhana. Selain itu, pada tinjauan beban, keluaran juga perlu diperhatikan, karena perubahan beban juga akan menyebabkan perubahan tegangan pada bagian output dari 45 boost converter. Dari masalah yang ditemukan penulis, maka diperlukan untuk merancang boost converter yang mampu mempertahankan tegangan keluarannya agar konstan sesuai yang diharapkan. Pada penelitian sebelumnya telah dijelaskan bahwa kontrol saklar pada konverter boost dengan frekuensi tinggi dipengaruhi oleh kondisi input dan kondisi output dengan output keluaran berupa tegangan DC berupa pulsa berfrekuensi tinggi [7]. Selain itu, terdapat juga model konverter boost menggunakan FET (Field Effect Transistor) dengan pengontrolan hanya dipengaruhi oleh input tegangan [8]. II. TINJAUAN PUSTAKA DC-DC Konverter tipe Boost Konverter boost merupakan salah satu konverter DC- DC, dimana konverter ini merubah energi listrik arus searah menjadi energi listrik arus searah dengan meningkatkan tegangan output menggunakan beberapa komponen aktif seperti saklar elektronik dan komponen pasif seperti kapasitor [12]. Vdc L Load Gambar 2. Rangkaian sederhana konverter DC/DC boost. Pada model di atas, untuk mendapatkan tegangan keluaran,saklar akan menjadi bagian yang penting dalam menaikkan tegangan. Jika kondisi off, tegangan keluaran akan sama dengan Vdc dijumlahkan dengan V L. Jika kondisi on, maka induktor akan menjadi media penyimpan tegangan hingga waktu tertentu sesaat sebelum saklar kembali Off. Naiknya tegangan akan mempengaruhi arus yang di hasilkan karena daya dari input akan sama dengan daya dari output. Sehingga walaupun tegangan output naik akan berdampak dengan arus output yang akan turun linear dengan turunnya tegangan [3][11]. Pada rangkaian di atas saklar dapat di ganti dengan saklar elektronik seperti atau IGBT. Analisa DC-DC Konverter Boost Pada kasus ini digunakan DCM (Discontinous Conduction Mode) pada DC-DC konverter boost di mana output mempengaruhi kecepatan PWM. Sinyal saklar dapat dilihat pada Gambar 3. Dm C

2 Dari gambar tersebut dapat terlihat T sebagai Periode, 1 sebagai waktu periode untuk tegangan induktor yang negatif, 2 sebagai waktu periode untuk tegangan induktor yang bernilai nol, dan k sebagai duty-cycle, V L adalah tegangan pada induktor, Vin adalah tegangan input, dan Vout adalah tegangan output. Sehingga diperoleh tegangan induktor dalam satu periode. V in kt + (V in V out ) 1 T = 0 V out = 1+k 1 V in (1) Untuk konverter boost dalam mode DCM, tegangan output umumnya tetap konstan sementara rasio Duty cycle bervariasi tergantung pengaruh tegangan output [9][10]. Gambar 4. Simbol (Sumber. r_mosfet.svg). III. PERANCANGAN SISTEM Konverter boost ini dirancang dengan keluaran konstan pada tegangan 40 volt. Dengan batasan duty cycle antara 0 100%, sinyal kontrol PWM dicatu ke Gate Power Mosfet untuk menghasilkan tegangan keluaran yang diinginkan. Besar duty-cycle tergantung dari output keluaran. Jika tegangan keluaran turun, maka duty cycle perlu diperbesar. Sebaliknya, jika tegangan keluaran naik mencapai batas yang ditentukan, maka duty cycle perlu diperkecil. Vy 150uH Vx 10 V Dm Mosfet 20uF 1kohm T=0-40ms 5kohm T=50-70ms 10kohm T= v Modul Kendali Gambar 3. Sinyal konverter boost pada mode DCM (Sumber. Referensi [9] halaman 2). Salah satu saklar elektronik yang dapat digunakan adalah MOS (Metal Oxide Semiconductor) yang dikembangkan pada tahun 1980-an. MOS tersebut menjadi sebuah sirkuit terpadu sehingga membentuk komponen baru yakni MOS Field Effect Transistor (). memberi tingkat daya input yang sangat rendah dan tidak ada batasan dalam kecepatan switching. Jadi, frekuensi operasinya dapat ditingkatkan. Beberapa penelitian menyatakan bahwa dapat bekerja jika tegangan yang melewatinya tidak lebih dari 500V [4], [5]. Pada prinsipnya sebuah saluran (channel) akan terbentuk ketika sebuah E- saluran-n (N channel) diberikan tegangan positif pada gate dantegangan tersebut berada di atas nilai ambang batas (threshold value). Saluran (channel) pada E- saluran-n (N- Channel) terbentuk dengan adanya lapisan tipis muatanmuatan negatif pada daerah substrat yang berbatasan dengan lapisan 2 OSi. Saluran (channel) tersebut memiliki konduktivitas yang akan meningkat sesuai dengan peningkatan tegangan gate-source. Tegangan gate-source tersebut akan menarik lebih banyak elektron ke dalam saluran. Saluran (channel) tersebut tidak akan terbentuk bila tegangan yang diberikan kepada gate tidak melebihi nilai ambang batas (threshold value) [6]. 46 Gambar 5. Model rancangan sistem Dari Gambar 5, digunakan sebuah power sebagai saklar elektronik dimana Gate akan terhubung dengan modul yang mencatu power dengan keluaran berupa sinyal PWM. Rancangan untuk model pengujian ini menggunakan 3 beban yang berbeda dengan saklar untuk mengaktifkan beban resistif. Selain itu, Pengujian juga dilakukan dengan tegangan input yang divariasikan tetapi untuk pengujian awal digunakan tegangan input 10 volt. Rancangan ini akan disimulasikan menggunakan salah satu software Open source PSpice. MULAI Pulsa PWM Baca Vout Switch S1 ON saat time 0-40 ms Switch S2 ON saat time ms Switch S3 ON saat time ms Time = target time Selesai Vout = Vreff? Mengurangi Duty Cycle Vout > Vreff Gambar 6. Flowchart sistem kerja rangkaian. Menambah Duty Cycle

3 Flowchart pada Gambar 6 menggambarkan proses pengujian rangkaian, dimana pulsa PWM akan dibangkitkan untuk mencatu power. Selanjutnya, ada kondisi dimana pewaktuan untuk beban diatur untuk masing-masing beban yang memiliki nilai berbeda-beda. Tahap berikutnya adalah tahap dimana batas waktu rangkaian ON. Jika belum mencapai batas waktu maka Vout akan dibandingkan dengan Vreff. Perbandingan ini akan menghasilkan pengaturan Duty Cycle dari sinyal PWM. IV. PENGUJIAN DAN SIMULASI Pada Paper ini pengujian melalui simulasi dilakukan dengan 2 kondisi yakni: 1. Kondisi beban berubah dengan tegangan masukan konstan 2. Kondisi beban tetap dengan tegangan masukan berubah. Masing-masing kondisi memiliki karakteristik yang berbeda. Hal ini akan menjadi perbandingan untuk tegangan keluaran dari rangkaian A. Kondisi Beban Berubah dengan Tegangan Masukan Konstan Pada kondisi dimana beban berubah dengan level tegangan konstan, data simulasi rangkaian dapat di lihat pada Tabel I. Tabel 1. Status Rangkaian Pengujian Beban Berubah Komponen V input Saklar Induktor Dioda Kapasitor Beban 1 (R1) Beban 2 (R2) Beban 3 (R3) Status 10 Volt 150 uh Standar 20 uf 1 kohm 5 kohm 10 kohm Gambar 7. Hasil Pengujian Simulasi pada PSpice untuk Beban yang berubah. 47

4 Terlihat dari Gambar 7, tegangan input konstan 10 Volt dengan kode V(1). Untuk kode i(r1), i(r2), dan i(r3) mewakili beban pada output. ng menyatakan bahwa adanya arus yang mengalir pada beban tergantung Time yang di tentukan. Untuk bagian ke 3 merupakan output pada beban dengan kode v(5) terlihat tegangan konstan pada tegangan 40 volt walaupun beban berubah-ubah. Hasil pengujian memperlihatkan bahwa walaupun beban berubah-ubah antara 1 10 kilo ohm tidak memberi efek kepada output tegangan. Hal ini disebabkan karena tegangan output memberi umpan balik kepada kontrol PWM sehingga kecepatan PWM dapat di atur dengan algoritma tertentu. Ada kekurangan ketika menggunakan beban 1 kohm terlihat seperti plot ke 3 dimana output tegangan terlihat berriak berbeda jika menggunakan beban 5 kohm dan 10 kohm yang lebih stabil B. Kondisi Beban Konstan dengan Tegangan Masukan Berubah Pada kondisi beban konstan dengan Tegangan Masukan berubah, data rangkaian dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Status Rangkaian Pengujian Tegangan Input Berubah Komponen V input Saklar Induktor Dioda Kapasitor Beban (R) Status 10 Volt 20 Volt 0 Volt 150 uh Standar 20 uf 10 kohm Gambar 8. Hasil Pengujian Simulasi pada PSpice untuk Tegangan Input yang berubah. Dari Gambar 8 terdapat 3 plot diagram waktu: Plot yang pertama mewakili tegangan input dengan kode v(1) dimana tegangan input awal adalah 10 volt dan naik hingga 20 volt pada detik ke 50ms dan di turunkan menjadi 0 volt pada detik ke 80 ms. Plot ke 2 mewakili arus yang mengalir di beban dengan kode i(r) terlihat arus naik dari 0 hingga 4 ma dan terus konstan hingga kurang lebih 80 ms walaupun tegangan input berubah-ubah. Setelah detik ke 80 ms arus perlahan menurun dengan menurunnya tegangan input karena tegangan input bernilai 0 volt hal ini di sebabkan karena kapasitor masih menyimpan muatan dalam jumlah tertentu dan akan turun secara perlahan. Plot ke 3 mewakili tegangan output pada beban. Terlihat walaupun tegangan input berubah-ubah nilai tegangan output konstan hingga waktu mencapai 80ms dimana tegangan input menjadi 0 volt. Tegangan output pada detik setelah 80 ms tidak langsung drop ke 0 volt tetapi perlahanlahan hal ini dipengaruhi oleh kapasitor yang menjadi tempat penyimpanan sementara ketika dalam kondisi ON. 48

5 V. KESIMPULAN Dari Pengujian di atas, meskipun disimulasikan dengan kondisi tegangan input berubah atau beban berubah, modul kendali rangkaian konverter boost dapat membuat tegangan output tetap konstan pada level tegangan yang dinginkan. Pengaturan level tegangan dilakukan melalui penghasutan sinyal kontrol PWM untuk saklar elektronik (). Konverter boost juga dapat menaikkan tegangan input 10 Volt menjadi 40 volt dengan nilai keluaran tegangan stabil pada tegangan 40 volt. Riak tegangan input di sekitar titik 10 volt tidak mempengaruhi tegangan output. Namun demikian, tegangan output menjadi turun drastis ketika sumber tegangan input turun mendekati 0 Volt. DAFTAR PUSTAKA [1] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis dan N. C. Voulgaris, Development of a microcontroller based photovoltaic maximum power point tracking system, IEEE Trans. On Power Electronics, vol. 16, no. 1, pp , [2] J. H. R. Enslin, M. S. Wolf, D. B. Snyman dan W. Swiegers, Integrated photovoltaic maximum power point tracking converter, IEEE Trans. On Industrial Electronics, vol 44, no. 6, pp ,1997 [3] Module 3 Power Supplies, E. COATES [4] Kharagpur, Lesson 6 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor () Module 1, Version 2 EE IIT [5] Christopher V.Baiocco, Daniel J. Jaeger, Carl J. Radens, dan Helen Wang. Metal Oxide Semiconductror Field Effect Transistor () Gate Termination, Patent No. US 8,704,332 B2, Pub. Apr.22,2014 [6] Alpha & Omega Semiconductor, Power Basics, diakses [7] Stefan Reithmaler. DC-DC High Frequency Boost Converter. Texas Instruments Incorperated. Patent No. US 7,180,275 B2, Pub. Feb.20, [8] Allen Cheng, Wai-Keung Peter Cheng. Boost Converter With Integrated High Power Discrete FET and Low Voltage Controller. Patent No. US 2013/ A1. Pub. Oct.10,2013 [9] Pui-Weng Chan, Syafrudin Masri. DC-DC Boost Converter with Constant Output Voltage for Grid Connectred Photovoltaic Application System, Universiti Sains Malaysia. [10] Timothy L. Skvarenina. The Power Electronics Handbook. Purdue University. CRC PRESS. [11] Aimtron, Basic Principle of Boost. Manual Book, diakses [12] Robert W. Erickson. DC-DC Power Converters. University of Colorado. Willey Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. [13] Muhammad H. Rashid. Power Electronics Handbook Third Edition. University ofwest Florida.ISBN: [14] Muhammad H. Rashid, Hasan M. Rashid. SPICE for Power Electronics And Electric Power, Second Edition. University of West Florida. Taylor & Francis CRC.ISBN