RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN DOUBLE SERIES BUCK-BOOST CONVERTER UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA (Sub Judul : PFC)

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN DOUBLE SERIES BUCK-BOOST CONVERTER UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA (Sub Judul : PFC) Ahmad Arifuz Z. 1, Ir.M. Zaenal Efendi,M.T. 2 Mahasiswa Elektr Industri, Pliteknik Elektrnika Negeri Surabaya, Surabaya, Indnesia 1* zazak76@yah.cm Dsen Pembimbing 1, Pliteknik Elektrnika Negeri Surabaya, Surabaya, Indnesia 2 ABSTRAK Pada peralatan-peralatan elektrnika biasanya memelurkan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. Knsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelmbang arus menjadi tidak rata atau terdistrsi. Oleh sebab itu dewasa ini banyak dikembangkan dan diteliti bentuk-bentuk baru dari knverter perbaikan faktr daya yang mempunyai kemampuan yang baik, seperti faktr daya tinggi, dan harmnisa yang rendah. Salah satu jenis knverter yang dapat diaplikasikan sebagai PFC (Pwer Factr Crrectin) adalah Buck-Bst. Agar rangkaian buck-bst dapat digunakan sebagai kreksi factr daya maka harus bersifat resistif. Untuk itu buck-bst harus bekerja pada kndisi tidak kntinyu, seperti diketahui bahwa jika penyearah menyuplai beban resistif maka arus beban yang kembali mengalir ke sumber memiliki bentuk gelmbang yang sama menyerupai bentuk gelmbang tegangannya.tegangan put yang dihasilkan sebesar 25 V dan arus put sebesar 0.5 A serta daya put 12.5 W. Csφ yang didapat adalah 0.98 yang mana jika dibandingkan dengan pwer supply knvensinal yang memiliki csφ 0.8 itu berarti sudah ada perbaikan faktr daya dari 0.8 menjadi Kata Kunci : Buck-Bst Cnverter, kndisi diskntinyu, PFC ABSTRACT Mst electrnic equipment is need pwer supply f direct vltage surce generated frm the rectifier circuit. The cnsequences f the rectifier causes the current wavefrm becmes uneven r distrted. Therefre, nwadays many develped and investigated new frms f pwer factr imprvement cnverter that has a gd ability, such as high pwer factr and lw harmnics.in rder fr buck-bst circuit can be used as pwer factr crrectin it must be resistive. Fr that, buck-bst shuld wrk n the discntinuus cnditins, as is well knwn that if the rectifier supply resistive lad, the lad current flwing back t the surce has the same wavefrm with the vltage wavefrm.the put vltage is prduced by 25 V and put current f 0.5 A and put pwer 12.5 W. Csφ btained was 0.98 which cmpared with a cnventinal pwer supply which has csφ 0.8 that means the existing pwer factr imprvement frm 0.8 t Keywrds: Buck-Bst cnverter, discntinuus cnditins, PFC I. PENDAHULUAN Pada peralatan-peralatan elektrnika biasanya memerlukan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. Rangkaian penyearah mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC. Kapasitr dipasang di sisi keluaran dari rangkaian digunakan untuk filter dan mengurangi ripple tegangan keluaran. Knsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelmbang arus menjadi tidak rata. Meskipun tegangan keluaran yang dihasilkan sudah dalam kndisi searah akan 1

2 II. tetapi tegangan keluaran tersebut masih dalam kndisi yang belum sempurna, artinya masih terdapat beberapa harmnisa pada tegangan keluarannya. Harmnisa yang cukup besar tersebut menimbulkan beberapa masalah diantaranya : 1. Turunnya faktr kerja system 2. Mengganggu perasi peralatan lain seperti jalur telepn 3. Induktr, generatr dan transfrmatr sangat panas dan cepat rusak 4. Tidak berfungsinya peralatan pengaman Dari pengaruh harmnisa pada sistem, maka beberapa negara menggunakan standar besar harmnisa yang masih diijinkan pada suatu sistem, yaitu dengan standar IEC Dari akibat buruk yang ditimbulkan harmnisa dari rangkaian penyearah, maka diperlukan suatu rangkaian pwer supply yang mempunyai kualitas yang sangat tinggi seperti efisiensi yang tinggi dan harmnisa yang kecil. Untuk mengatasi permasalahan tersebut penulis mencba untuk merancang suatu rangkaian Buck-Bst Cnverter sebagai Pwer Factr Crrectin (PFC) yang diharapkan dapat meminimalisasi terjadinya hal-hal tersebut di atas. Faktr Daya Daya dalam rangkaian DC adalah sama dengan perkalian antara arus dan tegangan sedangkan dalam rangkaian AC sama dengan perkalian harga rata-rata dalam satu peride yaitu perkalian antara arus dan tegangan efektif. Daya dalam rangkaian AC terdapat beberapa kemungkinan yaitu : 1. Bersifat Resistif yaitu tegangan dan arus sefase atau Cs α sama dengan 1 P =VI Csα (Watt) (2.2) P = Daya Aktif 2. Bersifat Induktif yaitu arus tertinggal terhadap tegangan atau Cs α tertinggal (lagging) Q =VI sin α (VAR)...(2.3) Q = Daya Reaktif 3. Bersifat Kapasitif yaitu arus mendahului terhadap tegangan atau Cs α mendahului (leading) S= VI (VA)...(2.4) S = Daya Semu 2.1. Perbaikan Faktr Daya Pengurangan harmnisa saluran arus diperlukan dalam rangka penyesuaian dengan standarisasi harmnisa internasinal. Kndisi ini secara umum diarahkan pada PFC (Pwer Factr Crrectin), sehingga diperlukan beberapa cara untuk memperbaiki faktr daya, PF atau faktr daya didefinisikan sebagai perbandingan antara daya aktif (P) dengan daya nyata (S), sehingga dapat dinyatakan seperti Persamaan 2.5. PF =.....(2.5) Persamaan 2.5 hanya digunakan pada tegangan dan arus sinusidal (tidak dipengaruhi faktr harmnisa), sehingga didapatkan PF cs(φ). Cs(φ) merupakan faktr pergeseran antara tegangan dan arus input. untuk memperbaiki faktr pergeseran tersebut dilakukan dengan cara mengkmpensasi daya reaktifnya, hal ini hanya berlaku jika sumber tidak dibebani beban nnlinier, tetapi pada saat sumber menyuplai beban nnlinier, kemungkinan besar bentuk dari arus sumber menjadi nnsinusidal, karena adanya prses switching dari bahan semiknduktr. Sehingga persamaan faktr daya pada Persamaan 2.5 tidak dapat diaplikasikan pada beban nn linier. Berikut ini adalah bentuk persamaan untuk mengetahui nilai faktr daya, jika sumber dipengaruhi leh harmnisa : PF Vrms.I 1rms.cs φ I 1rms.cs φ Kd.csφ.. (2.6) Vrms.Irms Irms Pada Persamaan (2.6) tersebut, menjelaskan bahwa yang dimaksud dengan faktr daya tidak hanya cs(φ), melainkan perkalian antara kadar harmnisa dan cs(φ). Hal ini berarti bahwa tidak ada bentuk standar yang dapat digunakan untuk mendefinisikan Kd. Beberapa pengarang mengartikan Kd sebagai faktr kemurnian dan ada juga yang mengartikan sebagai faktr distrsi. Kd bernilai satu pada saat arus sumber bentuknya sinusidal murni, karena dari Persamaan (2.6) dapat disimpulkan bahwa jika tidak ada harmnisa maka arus fundamental (rms) akan sama nilainya dengan arus ttal 2

3 (rms), sehingga perbandingan antara arus fundamental dan arus ttal sama dengan satu, nilai tersebut akan turun ketika kadar harmnisa arus meningkat, tetapi kadar harmnisa yang rendah bukan jaminan faktr daya yang tinggi, Kd mendekati satu, tapi cs(φ) rendah menyebabkan PF rendah, dan begitu juga dengan kndisi jika cs(φ) tinggi tetapi Kd rendah, PF tetap rendah, sehingga untuk perbaikan faktr daya yang harus dilakukan adalah perbaikan pada nilai Kd ((harmnisa) dan juga nilai faktr pergeseran ( cs(φ) ). III. PERENCANAAN SISTEM 3.1 KONFIGURASI SISTEM Blk diagram secara keseluruhan dari sistem ditunjukkan pada Gambar 2.1. Sumber AC 220 yang disearahkan dengan rectifier untuk supply buck-bst sebagai PFC. Kemudian keluarannya sebagai supply buckbst sebagai regulatr. Gambar 2.2 Rangkaian DC pwer supply 3.3 PERENCANAAN DAN PEMBUATAN BUCK- BOOST CONVERTER Buck-Bst cnverter merupakan salah satu jenis rangkaian elektrnika daya dengan frekuensi tinggi. Rangkaian buck-bst cnverter ditunjukkan pada Gambar 2.3 Gambar 2.3 Rangkaian Buck-Bst Cnverter Gambar 2.1. Blk diagram sistem PFC 3.2 PERENCANAAN DAN PEMBUATAN RECTIFIER DC pwer supply digunakan untuk menyuplai tegangan dari buck-bst cnverter. Tegangan put yang diinginkan adalah V. Rangkaian DC pwer supply ditunjukkan pada Gambar 2.2. V = = Dalam mendesain buck-bst cnverter harus memperhatikan parameter-parameter yang diinginkan antara lain tegangan masukan, tegangan keluaran, arus keluaran yang diinginkan, frekwensi switching serta luas cre inti ferit dan lain-lain.perlu diingat juga buck-bst di sini bekerja pada kndisi tidak kntinyu. Pada awal perancangan nilai-nilai parameter ditetapkan sebagai berikut: Tegangan input (Vs) = Vlt Tegangan put (V) = 66 Vlt Ripple tegangan = 0,1% Arus put (I) = 1.22 A = 198,17 vlt 3

4 Ripple arus = 25% Frekuensi switching = 50 KHz n L B max I max A c Perhitungan duty cycle D V V in 1 D D V 1 D V in V D V V D V D in in V V V in V V 66 R 54 I Perhitungan nilai dari induktr 2 (1 D ) R L min 2 f L min D V 2 ( ) H Pada mde knduksi tidak kntinyu harus memenuhi syarat seperti berikut: Lm=(1/4) x µh = 75 µh 3. Perhitungan nilai dari kapasitr V 0,1 % V 0, Q Q V DT R Q 6.1 C 92.4 F V Perhitungan jumlah lilitan inductr where B A max 1,61 cm Jadi lilitan yang dibutuhkan 4 lilitan. 3.4 Desain Kntrller c Kntrler yang digunakan hanya menggunakan ptensi yang mana menggunakan prgram ADC untuk mengatur duty cycle. Berikut adalah prgramnya pada AVR : a=read_adc(0); a=read_adc(0); delay_us(1); a=read_adc(0); OCR2=a; if (a<=35) OCR2=35; if (a>=75) OCR2=75; else OCR2=OCR2; : 0,25 tesla m 1.83 n 10 0,25 1, IV. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM Pengujian dimaksudkan untuk mendapatkan evaluasi terhadap rangkaian, agar diperleh kinerja yang lebih baik. Kinerja yang lebih baik didapatkan dengan melakukan perbaikan terhadap kmpsisi rangkaian yang mengalami kekeliruan yang diketahui saat melakukan pengujian Pengujian rectifier Rangkaian penyearah yang digunakan adalah rangkaian penyearah jembatan penuh. Rangkaian tersebut membutuhkan 4 buah dida dalam hal ini dipakai dida jembatan. 4

5 Tegangan dari jala-jala 220vlt disearahkan atau diubah dari tegangan AC menjadi tegangan DC leh dida jembatan. Setelah disearahkan put dari dida jembatan diberi filter kapasitr yang kecil senilai 1 nan Farad. Tabel 3.1 menunjukkan hasil pengujian rectifier. Tabel 3.1 Tabel Hasil pengujian rectifier. Vin (Vlt) V (Vlt) V (Vlt) teri Errr ,14 0,6 4% ,15 0,08% ,15 1,02% ,16 0,08% ,17 1,09% 4.2. Pengujian Buck-Bst Pengujian buck bst dilakukan dengan sumber DC Pwer supply dari tegangan input 10 vlt sampai 35 vlt untuk fungsi buck dan input 5 vlt sampai 20 vlt untuk fungsi bst. dengan menggunakan beban lampu 100 watt 220 vlt. Hasil yang diperleh seperti pada Tabel 3.2 dan Tabel 3.3 di bawah Tabel 3.2 Tabel pengujian buck bst fungsi buck Tabel 3.3 Tabel pengujian buck bst fungsi bst Vin (Vlt) Iin (A) V (Vlt) I (A) 5 0,13 5,6 0, ,26 17,2 0, ,46 35,5 0, ,65 54,5 0,2 4.3 Pengujian pwer factr crrectin Pengujian selanjutnya adalah pengujian mengenai pwer factr crrectin (PFC). Pada pengujian knverter ini yang diamati adalah sisi input dengan cara memasang fluke meter. Karena buck-bst bekerja pada kndisi tidak kntinyu seperti yang telah dibahas pada bab 2, bahwa factr daya tidak hanya dipengaruhi leh sifat beban saja (induktif atau kapasitif) melainkan dipengaruhi juga leh factr distrsi yang ditimbulkan leh beban nn linear. Berikut adalah Gambar 4.7(a) bentuk gelmbang tegangan, Gambar 4.7(b) bentuk gelmbang arus sumber, Gambar 4.7(c) bentuk gelmbang daya yang ditunjukkan pada fluke meter, pengujian tersebut menggunakan rectifier knvensinal dengan tegangan input ac sebesar 110 V menggunakan beban mtr DC 28 V. Serta Tabel 4.4 yang merupakan hasil pengukuran pada fluke meter. Vin (Vlt) Iin (A) V (Vlt) I (A) 10 0,02 3,2 0, ,03 4,7 0, ,05 7,9 0, ,05 10,3 0, ,07 15,5 0, ,08 18,4 0,13 Gambar 4.7 (a) Bentuk gelmbang tegangan input pada Fluke meter 5

6 meter meter Gambar 4.7 (b) Bentuk gelmbang arus input pada Fluke Gambar 4.7 (c) Bentuk gelmbang daya pada Fluke Tabel 4.4 Hasil pengukuran pada fluke meter Gambar 4.7 (d) Hasil pembacaan tegangan input, arus input dan daya pada fluke Berdasarkan Gambar 4.7 (b) terlihat bahwa bentuk gelmbang arus tidak sinusidal. Ini berarti masih ada kandungan harmnisa karena adanya beban nn linier. Gambar 4.7 (b) yang kedua menunjukkan spektrum arus yang mana harmnisa yang timbul sampai harmnisa ke -11. Pada Tabel 4.4 daya dan arus yang terukur bukanlah yang sebenarnya, karena saat pengukuran digunakan kabel yang dililit 5 kali agar arus yang kecil bisa terbaca dengan fluke meter, sehingga daya dan arus sebenarnya adalah sesuai pada Tabel 4.5 berikut. Tabel 4.5 Nilai parameter sebenarnya Parameter Data Fluke meter Real Daya aktif 90 W 18 W Daya Reaktif 50 VAR 10 VAR Daya Semu 110 VA 22VA Arus 1.03 A 0.21 A Tegangan V V Sesuai dengan Tabel 4.4, bahwa faktr daya yang didapat adalah 0.82, sehingga dapat ditentukan nilai dari faktr distrsi (Kd), yaitu : PF = Kd. Cs φ Kd = PF/ cs φ = 0.82/0.89 = 0.92 Kemudian kita bandingkan dengan rectifier yang diseri dengan rangkaian buck-bst dengan beban yang sama. Berikut adalah Gambar 4.8(a) bentuk gelmbang tegangan, Gambar 4.8(b) bentuk gelmbang arus, Gambar 4.8(c) bentuk gelmbang daya sumber, serta 6

7 Tabel 4.6 yang merupakan hasil pengukuran pada fluke meter. Gambar 4.8 (c) Bentuk gelmbang daya pada Fluke meter Gambar 4.8 (a) Bentuk gelmbang tegangan input pada Fluke meter Tabel 4.6 Hasil pengukuran pada fluke meter Gambar 4.8 (b) Bentuk gelmbang arus input pada Fluke meter Gambar 4.8 (d) Rangkaian Pwer supply knvensinal Berdasarkan Gambar 4.8 (b) terlihat bahwa bentuk gelmbang arus hampir sinusidal. Ini berarti kandungan harmnisa sudah berkurang. Gambar 4.8 (b) yang kedua menunjukkan spektrum arus yang mana 7

8 harmnisa yang timbu hanyal sampai harmnisa ke- 3. Pada Tabel 4.6 daya dan arus yang terukur bukanlah yang sebenarnya, karena saat pengukuran digunakan kabel yang dililit 5 kali agar arus yang kecil bisa terbaca dengan fluke meter, sehingga daya dan arus sebenarnya adalah sesuai pada Tabel 4.7 berikut. Tabel 4.7 Nilai parameter sebenarnya Parameter Data Fluke meter Real Daya aktif 110 W 22 W Daya Reaktif 10 VAR 2 VAR Daya Semu 110 VA 22VA Arus 1.07 A 0.21 A Tegangan V V Sesuai dengan tabel 4.6, bahwa faktr daya yang didapat adalah 0.98, sehingga dapat ditentukan nilai dari faktr distrsi (Kd), yaitu : PF = Kd. Cs φ Kd = PF/ cs φ = 0.98/0.99 = 0.99 Dari beberapa data yang diperleh tadi, menunjukkan bahwa rangkaian buck-bst dapat memperbaiki faktr daya dari 0.8 menjadi Kesesuaian antara perencanaan dan hasil Setelah dilakukan perencanaan dan pembuatan rectifier, hasil yang dicapai yaitu tegangan put dari rectifier sesuai dengan yang diharapkan. Dan juga dari desain Buck-Bst knverter sebagai PFC bisa mencapai pwer factr yang diinginkan yaitu mendekati unity (1), yang mana diperleh pwer factr Tetapi untuk mencapai tegangan put yang diinginkan agar tercapai pwer factr yang baik masih sulit dalam pengaturan duty cycle. Ini karena kualitas dari kmpnen yang dipakai belum sesuai yang diharapkan dan adanya prses perancangan alat yang kurang presisi. V. KESIMPULAN 1. Pengujian Buck-Bst secara fungsinal telah tercapai dengan percbaan Buck yang tegangan input 10 V kemudian tegangan put menjadi 3.2 VI. V, serta percbaan Bst yang tegangan input 10 V kemudian tegangan put menjadi 17.2 V. 2. Pada pengujian Buck-Bst pertama yang bekerja secara tidak kntinyu dengan tegangan input V, arus input 0.21 A serta daya 22 W kemudian diintegrasikan dengan Buck-Bst kedua telah mendapat tegangan put 25 V dengan beban mtr DC 28 V. Sedangkan pwer faktr yang terukur adalah Pada sistem ini sudah ada perbaikan faktr daya dari rectifier knvensinal yaitu 0.8 menjadi 0.98 setelah menggunakan rangkaian Buck-Bst cnverter. KESIMPULAN 1. Penggulungan induktr harus dilakukan dengan sebaik mungkin agar spike tegangan dan arus yang sangat tinggi bisa dihindari. Ini berakibat pada tuning ptensi pengatur duty cycle untuk mendapatkan tegangan put yang diinginkan agak sulit. 2. Peredaman spike tegangan pada msfet dapat dilakukan dengan knfigurasi rangkaian snubber dan perhitungan yang tepat. Tetapi jika hasilnya masih kurang maka harus dilakukan tuning nilai kmpnen snubber. 3. Pada Buck-Bst knverter ini menggunakan msfet IRFP 460 atau 450 untuk switchingnya. Untuk hasil yang maksimal diharapkan menggunakan kmpnen yang mempunyai rating arus dan tegangan lebih besar (misal : menggunakan IGBT). Sehingga pada pryek akhir ini msfet sering rusak. 4. DAFTAR PUSTAKA [1] Grigre, Vlad.Desertasi Isu PFC [2] M Nazarudin ZA, Harmnics standards verview.scaffner EMC inc. Edsin. NJ. USA [3] L. Wuidart. Understanding pwer factr. STMicrelectrnics Grup f cmpanies [4] Wardhana, Lingga. Belajar Sendiri Mikrkntrler ATMega. ANDI [5] Datasheet f ATmega16 8-bit Micrcntrller with 16K Bytes InSystem Prgrammable Flash 8

9 9