Rancang Bangun UPS Untuk Beban (900VA) Berbasis Mikrokontroller

Transkripsi

1 Rancan Banun UPS Untuk Beban (900A) Berbasis Mikrokontroller Joke Pratilastiarso ¹, ndro Wahjono ², Lexi Yustisia 3 Dosen Jurusan Teknik lektro Industri ² Dosen Jurusan Teknik lektro Industri 3 Mahasiswa D4 Jurusan Teknik lektro Industri Politeknik lektronika Neeri Surabaya ITS Kampus ITS Sukolilo,Surabaya 60 mail: [email protected] ABSTRAK Banyak pemadaman listrik dilakukan di daerah daerah secara berilir. Pemadaman listrik ini dilakukan karena kapasitas beban sudah melebihi kapasitas yan telah ditentukan. Kebutuhan eneri listrik untuk mensupply peralatan elektronik semakin meninkat. Namun eneri listrik yan disalurkan oleh PLN kepada konsumen tidak selamanya berjalan denan baik, sewaktu waktu bisa padam. Maka perlu diupayakan sumber enery listrik alternatif. Dalam proyek akhir ini Uninterruptible Power Supply (UPS) yan berbasis mikrokontroller dimanfaatkan sebaai catu daya peralatan elektronik supaya dapat bekerja dalam kondisi sumber eneri listrik dari PLN padam. Dalam UPS diunakan peralatan penyearah yan berupa bride rectifier bertujuan untuk menyearahkan teanan A menjadi teanan D. Kemudian keluaran dari rectifier diunakan sebaai masukan dari buck conerter yan bertujuan menurunkan teanan yan semula 0 menjadi ± 55 untuk mencharer accu 48. Kemudian terdapat rankaian boost conerter untuk menaikkan teanan dari keluaran accu menjadi 0, dan terdapat inerter yan diunakan untuk merubah teanan D menjadi teanan A, yan kemudian dari outputan inerter terhubun trafo step up yan berfunsi untuk menaikkan teanan menjadi teanan rumah tana sebesar 0ac. Denan daya maksimum 900A UPS ini dapat mensupply beban selama jam pada saat listrik dari PLN padam. Kata kunci : UPS, rectifier, boost conerter, inerter, trao step up. PNDAHULUAN Denan bertambahnya kebutuhan manusia maka teknoloi jua akan semakin berkemban, Fenomena ini akan semakin memacu konsumsi eneri listrik. Setiap kebutuhan manusia banyak menunakan peralatan peralatan elektrik yan lebih praktis dan efisien, sehina semakin tini tinkat konsumsi eneri listrik maka pihak PLN (Pembankit Listrik Neara) sebaai penyedia eneri listrik dan sebaai penelola eneri kelistrikan nasional memiliki kewajiban memenuhi kebutuhan eneri listrik nasional yan semakin tahun semakin meninkat. Hal tersebut maka pihak PLN serin melakukan pemadaman listrik secara berilir. Pemadaman listrik ini dilakukan karena kapasitas beban sudah melebihi kapasitas yan telah ditentukan, sehina pembankit listrik yan ada tidak mencukupi. Pemadaman listrik yan dilakukan secara tiba tiba akan menyebabkan peralatan elektronika menjadi cepat rusak dan pekerjaan (data) yan kita kerjakan akan hilan. Untuk menantisipasi terjadinya pemadaman listrik secara tiba tiba dibutuhkan suatu sumber eneri seperti UPS (Uninterruptible Power Sapply) yan dapat mensupply peralatan elektronika apabila ada anuan pemadaman eneri listrik. Di dalam UPS terdapat rectifier untuk merubah teanan A to D, dan terdapat pula Buck conerter, Buck conerter ini yan memean peranan pentin untuk mencharer battery, setelah itu yan terdapat inerter untuk merubah teanan D to A dari output battery yan kemudian outputanya ke trafo step up untuk menaikan teanan dari 4ac ke 0ac yan kemudian ke beban. Denan berkembannya teknoloi UPS, maka alat tersebut diharapkan mampu memberikan teanan reulasi yan baik serta mampu memberikan arus yan cukup kepada beban. Denan demikian bila terjadi pemadaman listrik secara tiba tiba, peralatan elektronik tidak mudah rusak dan masih dapat aktif selama beberapa saat.. DASAR TORI A. Full Wae Rectifier Fasa Secara umum dalam perancanan D power supply satu fase selalu diawali oleh proses penyearahan elomban sehina diperoleh bentuk elomban searah. Umumnya menunakan penyearah fullbride atau model jembatan dimana denan memasan 4 buah diode sebaai saklar atau switch untuk menatur arah aliran elomban ke output beban seperti pada ambar di bawah ini.

2 Gambar. Rankaian Full Wae Rectifier fasa Nilai teanan ratarata dari beban ( L Aerae) dapat dihitun denan rumus : B. Buck conerter Buck conerter adalah konerter daya yan diunakan untuk merubah suatu teanan D masukan (a) ke teanan keluaran D yan lebih kecil (s). Seperti halnya tranformator pada teanan A. Komponen yan diunakan untuk menjalankan funsi penhubun tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFT, IGBT, GTO. Berikut ambar 3 merupkan skematik buck chopper. Nilai teanan RMS dari beban ( L rms) dapat dihitun denan rumus setelah menunakan filter : () Gambar 3. Buck onerter ara kerja rankaian dapat dibai menjadi dua mode. Mode dimulai pada saat mosfet Q dionkan pada t=0, arus masukan, yan meninkat, menalir melalui filter induktor L, filter kapasitor dan beban resistor R. Mode dimulai pada saat transistor Q dioffkan pada t=t. Dioda freewheelin Dm terhubun karena eneri yan tersimpan pada induktor dan arus induktor tetap menalir melalui L,, beban dan dioda Dm. Arus induktor turun sampai mosfet Q dionkan kembali pada siklus berikutnya. Rankaian ekuialen untuk kerja modemode ditunjukan pada ambar 4 saat mode on dan ambar 5 saat mode off. Gambar. Bentuk elomban teanan input output Denan melihat elomban teanan yan ditunjukkan pada ambar kita dapat menhitun nilai ratarata dari arus beban (I ae ) denan rumus : Gambar 4. mosfet modeon kondisi mode ae R Iae () Nilai arus RMS dari beban (I L rms) dapat dihitun denan rumus : I rms rms R (3) Gambar 4. mosfet modeoff kondisi mode

3 . Battery/Accu Baterai atau serin disebut sel kerin, adalah salah satu komponen pendukun dalam kendaraan bermotor, baik mobil atau motor, semua memerlukan accu untuk dapat menhidupkan mesin kendaraan (mencatu arus pada dinamo stater kendaraan). Accu mampu menubah tenaa kimia menjadi tenaa listrik. Dikenal dua jenis elemen yan merupakan sumber arus searah (D) dari proses kimiawi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. lemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen kerin. Reaksi kimia pada elemen primer yan menyebabkan elektron menalir dari elektroda neatie (katoda) ke elektroda positif (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penantian bahan pereaksinya (elemen kerin). Sehina dilihat dari sisi ekonomis elemen primer dapat dikatakan cukup boros. ontoh elemen primer adalah batu baterai (dry cells). lemen sekunder dalam pemakaiannya harus diberi muatan terlebih dahulu sebelum diunakan, yaitu denan cara menalirkan arus listrik. Akan tetapi tidak seperti elemen primer, elemen sekunder dapat dimuati kembali berulan kali. lemen sekunder ini lebih dikenal denan accu. Dalam sebuah accu berlansun proses elektrokimia yan reersible (bolakbalik) denan efisiensi yan tini. Yan dimaksud denan proses elektrokimia reersible yaitu di dalam accu saat dipakai berlansun proses penubahan kimia menjadi tenaa listrik (discharin). Sedankan saat diisi atau dimuati, terjadi proses tenaa listrik menjadi tenaa kimia (charin). Besar l yan dihasilkan satu sel aki adalah olt. Sebuah aki mobil terdiri dari enam buah aki yan disusun secara seri, sehina l totalnya adalah olt. Accu mencatu arus untuk menyalakan mesin (motor dan mobil denan menhidupkan dinamo stater) dan komponen listrik lain dalam mobil. Pada saat mobil berjalan accu dimuati (diisi) kembali sebuah dinamo (disebut dinamo jalan) yan dijalankan dari putaran mesin mobil atau motor. Pada accu kendaraan bermotor arus yan terdapat di dalamnya dinamakan denan kapasitas accu yan disebut Ampere Hour/AH (Amperejam). ontohnya untuk accu denan kapasitas arus 60 AH, maka aki tersebut dapat mencatu arus 60 Ampere selama jam atau Ampere selama 60 jam. D. Boost onerter Prinsip Kerja Boost onerter, ambar dibawah ini menunjukkan ambar rankaian dasar Boost onerter. Gambar. Rankaian dasar Boost onerter Prinsip kerja dari boost konerter ini terbai menjadi mode yaitu : Mode Mode dimulai ketika M di onkan pada t = 0. Arus masukan yan meninkat menalir melalui induktor L dan Sw. Karena teanan pada kapasitor masih 0 sehina beban tidak mendapat suplai teanan saat M pertama kali di onkan. Gambar 3. Rankaian kialen Mode Mode Mode dimulai pada saat M di offkan pada t = t. Arus yan menalir melalui Sw akan menalir melalui L,, beban, dan diode Dm. Arus induktor akan turun sampai transistor di onkan kembali pada siklus lebih lanjut. neri yan tersimpan pada induktor L dipindahkan ke beban. Gambar 4. Rankaian kialen Mode Dan ketika Sw di onkan kembali maka arus pada induktor L akan meninkat dan eneri yan tersimpan pada kapasitor akan menalir ke beban, sehina aliran teanan yan menalir ke beban tidak akan pernah terputus / kontinyu. Sehina teanan ratarata dari Boost Konerter dapat dirumuskan seperti dibawah ini: S O k t k t t dimana: o= Teanan Output, s = Teanan Input, k = Duty ycle t = waktu untuk mode, detik t = waktu untuk mode, detik Boost onerter dapat menaikkan teanan keluaran tanpa memerlukan trafo. Karena memiliki buah transistor. Arus masukan kontinyu namun arus puncak yan tini menalir melalui transistor.

4 Teanan keluaran sanat sensitif terhadap perubahan duty cycle k dan sanat sulit untuk menstabilkan reulator.. Inerter Konerter D ke A dinamakan inerter. Funsi sebuah inerter adalah menubah teanan input D menjadi teanan output A.Teanan outpunya bisa tertentu dan bisa pula diubahubah denan frekuensi tertentu atau frekuensi yan diubahubah. Teanan output ariabel didapat denan menubahubah teanan input D dan aar ain inerter konstan. Disisi lain, apabila teanan input D adalah tertentu dan tidak bisa diubahubah, bisa didapatkan teanan output yan ariabel denan menubahubah ain dari inerter, yan biasanya dilakukan denan kontrol PWM didalam inerter. Gain inerter didefinisikan sebaai rasio teanan output A terhadap teanan input D. Bentuk elomban teanan output inerter ideal adalah sinus. Tetapi kenyataannya bentuk elomban teanan output inerter tidaklah sinus dan menandun harmonisa tertentu. Untuk penerapan denan daya rendah dan menenah, elomban kotak simetri ataupun tidak simetri bisa diunakan, sedankan untuk penerapan denan daya tini dibutuhkan untuk elomban sinus denan sedikit distorsi. Denan kemampuan piranti semikonduktor daya kecepatan tini yan tersedia, kandunan harmonisa dalam bentuk elomban output bisa dikurani denan teknik penyakelaran (switchin). Dari Persamaan (4) dan (5) maka teanan keluaran rms ( 0RMS ) dari inerter square wae adalah : orms orms orms orms 0 T T 0 dt d t (6) d t (7) (8) (9) o RMS (0) Berdasarkan bentuk elomban teanan pada Gambar 5. Dapat dikembankan untuk menyatakan teanan keluaran sesaat dalam deret Fourier sebaai : 4 sin nt o () n,,3,... n 4 t sin t sin 3t... () o Dan untuk n=, maka nilai teanan rms komponen fundamental sebaai: (3) Gambar 5. Full bride Inerter satu fasa Persamaan arus beban sesaat I 0 untuk beban RL adalah: 4 I o sinnt (4) n,3... n n R nl Dan untuk n =, maka nilai arus rms komponen fundamental sebaai: 4 I o sin t (5) R L Gambar 6. Bentuk teanan keluaran inerter elomban kotak Berdasarkan Gambar 6. maka teanan keluaran 0 ωt : 0 ωt = untuk 0 ωt π (4) 0 ωt = untuk π ωt π (5) Dimana: tan L / (.8) R F. Sensor Teanan Sensor teanan menunakan resistor pembai teanan dipasan secara paralel antara

5 phasa dan netral. Funsi resistor ini adalah untuk menurunkan teanan dari teanan sumber menjadi teanan yan dikehendaki. out = R RR G. Transformator in (6) Transformator adalah suatu alat listrik yan dapat memindahkan dan menubah eneri listrik dari satu atau lebih rankaian listrik ke rankaian listrik yan lain. Melalui suatu andenan manet dan berdasarkan prinsip induksielektromanet. Trnsformator diunakan secara luas,baik dalam bidan tenaa listrik maupun elektronika. Penunaan transformator dalam sistem tenaa memunkinkan terpilihnya teanan yan sesuai dan ekonomis untuk tiaptiap keperluan misalnya kebutuhan akan teanan tini dalam peniriman daya listrik jarak jauh. Dalam bidan elektronika,tranformator diunakan antara lain sebaai andenan impedansi antara sumber dan beban;untuk memisahkan satu rankaian dari rankaian yan lain;dan untuk menhambat arus searah sambil tetap melakukan atau menalirkan arus bolakbalik antara rankaian. Gambar 7. Transformator Pada dasarnya transformator terdiri dari dua kumparan yaitu kumparan primer dan kumparan sekunder. Dimana teanan pada pada kumparan primer akan ditransformasikan (diubah) pada kumparan sekunder,yan besarnya terantun dari masinmasin jumlah lilitan pada kedua kumparan tersebut. Bila pada kumparan primer terdapat N lilitan yan diberi sumber teanan dan pada kumparan sekunder terdapat N lilitan maka pada kumparan sekunder terdapat teanan sebesar : Denan: N N (7) : teanan sekunder () : teanan primer () N : jumlah lilitan sekunder : jumlah lilitan primer N Didalam transformator terjadi dua prinsip yaitu pada kumparan primer terjadi hukum Oersted dan pada kumpan sekunder terjadi hukum Faraday,yan mana bunyi dari kedua hukum adalah sebaai berikut Hukum Faraday berbunyi bahwa medan manet statis yan bererak menurut funsi waktu akan menhasilkan teanan induksi yan kemudian menhasilkan arus listrik induksi. Hukum Oersted menyatakan bahwa arus listrik yan menalir pada kawat penhantar,maka disekitar kawat penhantar tersebut terjadi medan manet. 3. MTOD PRANANGAN SISTM Gambar 8. Blok Diaram Sistem

6 i i Gambar 8 menunjukkan diaram sistem secara keseluruhan Dalam UPS diunakan peralatan penyearah yan berupa bride rectifier bertujuan untuk menyearahkan teanan A menjadi teanan D. Kemudian keluaran dari rectifier diunakan sebaai masukan dari buck conerter yan bertujuan menurunkan teanan yan semula 0 menjadi ± 55 untuk menchare accu 48. Kemudian terdapat rankaian inerter yan diunakan untuk merubah teanan D menjadi teanan A, yan kemudian dari outputan inerter terhubun trafo step up yan berfunsi untuk menaikkan teanan menjadi teanan rumah tana sebesar 0ac dan denan daya 900A. 4. HASIL PNLITIAN MLALUI SIMULASI Dari hasil perancanan, dilakukan realisasi/pembuatan baik perankat keras maupun lunak. Dan diadakan penukuran/penujian masinmasin baian (subsistem) dari perankatperankat tersebut sebelum dilakukan interasi. Untuk menetahui semua sistem yan telah dirancan sesuai denan hasil yan diharapkan, maka dilakukan simulasi terlebih dahulu. Gambar 0. Gelomban Teanan Output UPS 5. KSIMPULAN DAN SARAN Dari hasil percobaan dapat ditarik kesimpulan sebaai berikut : Dalam Uninterruptible Power Supply (UPS) dimanfaatkan sebaai catu daya peralatan elektronik supaya dapat bekerja dalam kondisi sumber eneri listrik dari PLN padam. Pada Paper ini telah dilaksanakan pembuatan rectifier, buck conerter, boost conerter, charer, inerter, trafo step up, dan masih perlu dilanjutkan atau dikembankan lai. 6. DAFTAR PUSTAKA [] Afif, Salakhudin, Rancan Banun Inerter Satu Fase Sebaai Daya adanan Rumah Tana, Tuas Akhir, Teknik lektro ontinuous powerui Scope 6 Scope Iin _ups rms sinal RMS i Iout A oltae Source Diode Diode Diode 3 00uF Diode 4 Saturation onstant Gain Saturation Repeatin m Sequence D S Mosfet L _out Diode AND Scope 5 Saturation onstant Gain Saturation 3 Repeatin m Sequence D S Mosfet L _out 5 Diode 5 _out 4 AND Scope Battery m _ <oltae ()> <SO (%)> <urrent (A)> Display 7 00 Display Scope i_in _in onstant Gain Repeatin Sequence L Mosfet 3 D m S Scope 0 AND Saturation 4 Saturation 5 Scope 9 Diode 7 Scope 8 Scope 7 i_out Generator IGBT IGBT 3 Generator 3 IGBT IGBT Iout _Inerter 07.8 I out Inerter i Iout out out Inerter I out Inerter oltae Measurement Linear Transformer.75 Display 8 I out Inerter oltae Measurement R ohm.33 Display 0.30 Display Display Display 5 Scope out Inerter Display S_io Gambar 9. Simulasi UPS pada Proram MATLAB 3 Industri, PNSITS, 007. [] Noianto, Atim, Rancan Banun UPS Normally On Berbasis Mikrokontroller, Tuas Akhir, Teknik lektro Industri, PNSITS, 008. Generator Generator 4