UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN DOUBLE SWITCH SEBAGAI PENYEARAH DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA

TUGAS AKHIR RE 1599 UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN DOUBLE SWITCH SEBAGAI PENYEARAH DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA FELDY MARTINUS CHANDRA NRP 2202100040 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Prof.Ir. Soebagyo, MSEE. PhD. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2006

TUGAS AKHIR RE 1599 UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN DOUBLE SWITCH SEBAGAI PENYEARAH DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA FELDY MARTINUS CHANDRA NRP 2202100127 Dosen Pembimbing Dr. Ir. Mochamad Ashari, M.Eng Prof. Ir. Soebagyo, MSEE. PhD. JURUSAN TEKNIK ELEKTRO Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2006

UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN DOUBLE SWITCH SEBAGAI PENYEARAH DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA TUGAS AKHIR Diajukan Guna Memenuhi Sebagian Persyaratan Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Pada Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember Menyetujui : Dosen Pembimbing I Dosen Pembimbing II Dr.Ir.Mochamad Ashari, M.Eng. NIP. 131 918 688 Prof.Ir. Soebagio, MSEE. PhD. NIP. 130 325 769 SURABAYA JULI, 2006 ii

Feldy Martinus Chandra "UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN DOUBLE SWITCH SEBAGAI PENYEARAH DAN PERBAIKAN FAKTOR DAYA" Dosen Pembimbing: Dr.Ir.M.Ashari,M.Eng Prof.Ir.Soebagio,MSEE.PhD ABSTRAK Sistem Uninterruptible Power Supply (UPS) merupakan peralatan yang banyak digunakan untuk berbagai beban kritis termasuk komputer, dan alat medis untuk mengatasi gangguan yang terjadi di jala-jala seperti voltage sag, voltage swell, dan outage. Efek samping dari penggunaan UPS adalah timbulnya masalah polusi harmonisa dan faktor daya rendah. Dengan bertambahnya penggunaan UPS, masalah polusi harmonisa pada jala-jala akibat penggunaan konverter di UPS akan semakin serius. Tugas akhir ini membahas topologi UPS yang menggunakan dua buah switch sebagai penyearah dan sekaligus sebagai booster. Strategi kontrol dirancang untuk mengurangi harmonisa pada UPS. Dari hasil simulasi didapatkan harmonisa arus input sebesar 4,06% dan faktor daya sebesar 0,99 (mendekati unity). Pada UPS konvensional memiliki harmonisa arus input sebesar 89% dan faktor daya sebesar 0,71. Kata kunci : Faktor daya, Harmonisa, UPS

Feldy Martinus Chandra "UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY USING DOUBLE SWITCH AS RECTIFIER AND POWER FACTOR CORRECTION" Mentor: Dr.Ir.M.Ashari,M.Eng Prof.Ir.Soebagio,MSEE.PhD ABSTRACT Uninterruptible Power Supply (UPS) Systems are being widely used for variety critical loads including computer, and medical equipment to overcome disruptions in power utility such as voltage sag, voltage swell, and outage. Side effect of using UPS systems is harmonics polution, and low power factor. Because of tremendous increase in the use of UPS systems, harmonics polution in power utility becomes more serious. This final project discussed a UPS topology which used two switches as rectifier and booster. Control strategy designed which could reduces harmonics in UPS. Simulation results show input current harmonics are 4.06% and power factor 0.99 (close to unity). In conventional UPS input current harmonics are 89% and power factor 0.71. Keyword : Harmonics, Power Factor, UPS

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL Halaman i ii iii iv v vii x BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Sasaran 1 1.3 Sistematika Pembahasan 2 1.4 Relevansi 3 BAB II Uninterruptible Power Supply 2.1 Jembatan penyearah Satu Fasa 5 2.1.1 Penyearah Dioda Satu Fasa 5 2.1.2 Penyearah Terkendali Satu Fasa 7 2.1.3 Parameter Penyearah 9 2.1.3.1 Faktor Daya 10 2.1.3.2 Harmonisa pada Penyearah 13 2.2 DC Chopper 16 2.2.1 Step-up chopper (Boost) 17 2.2.1.1 Prinsip Operasi Step-Up Chopper 18 2.2.2 Step-Down Chopper (Buck) 19 2.2.2.1 Prinsip Operasi Step-Down Chopper 20 2.3 Inverter Satu Fasa 21 2.3.1 Half bridge Inverter Satu Fasa 22 2.3.2 Kontrol Tegangan dari Inverter Satu Fasa 25 2.3.2.1 Single Pulse Width Modulation 26 2.3.2.2 Multiple Pulse Width Modulation 27 2.3.2.3 Sinusoidal Pulse Width Modulation 28 2.3.3 Filter Pasif L-C 30 2.3.4 Parameter Inverter 30 v

BAB III UPS dengan Teknik Penyearah Tegangan dan Perbaikan Faktor Daya menggunakan Konverter AC-DC Double Switch 3.1 Konfigurasi Sistem 33 3.2 Prinsip Operasi 34 3.2.1 Mode Normal 34 3.2.2 Mode Baterai 41 3.3 Pemodelan Komponen Simulasi 44 BAB IV Hasil Simulasi dan Analisa 4.1 UPS Konvensional 47 4.1.1 Mode Normal 48 4.1.2 Mode Baterai 54 4.2 UPS On-line dengan Double Switch 57 4.2.1 Mode Normal 57 4.2.2 Mode Baterai 63 4.3 Perbandingan UPS Konvensional dan UPS On-line dengan Double Switch 66 BAB V Penutup 5.1 Kesimpulan 69 5.2 Saran 69 DAFTAR PUSTAKA 71 vi

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Blok Diagram Off-Line UPS 3 Gambar 2.2. Blok Diagram Line-Interactive UPS 4 Gambar 2.3. Blok Diagram On-Line UPS 4 Gambar 2.4. Penyearah Dioda 1 Fasa 5 Gambar 2.5.a. Gelombang Tegangan dan Arus Sumber Penyearah 6 Gambar 2.5.b Gelombang Tegangan dan Arus Output Penyearah 6 Gambar 2.6. Penyearah Terkendali 1 Fasa 7 Gambar 2.7.a. Gelombang Tegangan Sumber Penyearah Terkendali 8 Gambar 2.7.b. Gelombang Tegangan Output Penyearah Terkendali 8 Gambar 2.8. Fasor Arus 10 Gambar 2.9. Fasor Daya 11 Gambar 2.10. Diagram Fasor Daya 12 Gambar 2.11. Gelombang Tegangan dan Arus Terdistorsi 13 Gambar 2.12. Tegangan dan Arus Input dengan Harmonisa 14 Gambar 2.13. Topologi Konverter Boost AC-DC 15 Gambar 2.14. Topologi Kontrol 16 Gambar 2.15.a. Rangkaian Step-Up Chopper 17 Gambar 2.15.b. Bentuk Gelombang Arus Induktor 17 Gambar 2.15.c Kurva Tegangan Output Vs Duty Cycle 17 Gambar 2.16. Rangkaian Step-Up Chopper dengan Beban Ro 18 Gambar 2.17.a. Rangkaian saat Switch On (Step-Up) 18 Gambar 2.17.b. Rangkaian saat Switch Off (Step-Up) 18 Gambar 2.18. Rangkaian Step-Down Chopper 20 Gambar 2.19.a. Rangkaian saat Switch On (Step-Down) 20 Gambar 2.19.b. Rangkaian saat Switch Off (Step-Down) 20 Gambar 2.20.a. Rangkaian Inverter 24 Gambar 2.20.b. Arus Beban dengan Beban sangat Induktif 24 Gambar 2.20.c. Bentuk Gelombang Tegangan Output dengan Beban Resistif 24 Gambar 2.21. Single PWM 27 Gambar 2.22. Multiple PWM 28 Gambar 2.23. Rangkaian Kontrol Multiple-PWM 28 Gambar 2.24. Sinusoidal PWM 29 Gambar 2.25. Rangkaian Kontrol Sinusoidal PWM 29 vii

Gambar 2.26. Filter Pasif L-C 30 Gambar 3.1. Blok Diagram UPS On-Line dengan Double 33 Switch Gambar 3.2. RangkaianUPS menggunakan Double Switch 34 Gambar 3.3. Rangkaian pada Mode Normal 35 Gambar 3.4. Rangkaian pada Mode Normal positive half cycle 36 Gambar 3.5. Rangkaian pada mode normal negative half cycle 37 Gambar 3.6.a. Rangkaian Boosting Kapasitor pada Mode Normal positive half cycle 37 Gambar 3.6.b. Rangkaian Boosting Kapasitor pada Mode Normal negative half cycle 37 Gambar 3.7. Rangkaian Kontrol AC-DC 40 Gambar 3.8. Rangkaian Kontrol SPWM 41 Gambar 3.9. Rangkaian pada Mode Baterai 41 Gambar 3.10. Rangkaian pada Mode Baterai positive half cycle 42 Gambar 3.11. Rangkaian pada Mode Baterai negative half cycle 43 Gambar 3.12. Rangkaian Kontrol DC-DC 43 Gambar 4.1. Rangkaian UPS On-Line Konvensional 47 Gambar 4.2. Rangkaian UPS Konvensional Mode Normal 48 Gambar 4.3.a. Tegangan Output UPS Konvensional Mode 49 Normal Gambar 4.3.b. Arus Output UPS Konvensional Mode Normal 49 Gambar 4.4. Rangkaian Kontrol Inverter UPS Konvensional 50 Gambar 4.5.a. Gelombang Arus dan Tegangan Sumber UPS 51 Konvensional Gambar 4.5.b. Spektrum Arus Sumber UPS Konvensional 51 Gambar 4.6. Grafik Daya Output Vs Faktor Daya pada UPS Konvensional Mode Normal 53 Gambar 4.7. Grafik Daya Output Vs Efisiensi UPS pada UPS Konvensional Mode Normal 53 Gambar 4.8. Grafik Daya Output Vs THDi pada UPS Konvensional Mode Normal 54 Gambar 4.9. Rangkaian UPS Konvensional Mode Baterai 54 Gambar 4.10.a. Tegangan Output UPS konvensional Mode Baterai 55 Gambar 4.10.b Arus Output UPS Konvensional Mode Baterai 55 Gambar 4.11. Grafik Perubahan Beban Vs Efisiensi UPS Konvensional Mode Baterai 56 viii

Gambar 4.12. Rangkaian UPS On-Line Double Switch Mode Normal 57 Gambar 4.13.a. Tegangan Output UPS Double Switch Mode Normal 58 Gambar 4.13.b. Arus Output UPS Double Switch Mode Normal 58 Gambar 4.14.a. Gelombang Arus dan Tegangan Sumber UPS Double Switch 59 Gambar 4.14.b. Spektrum Arus Sumber UPS Double Switch 59 Gambar 4.15. Grafik Daya Output Vs Faktor Daya pada UPS Double Switch Mode Normal 61 Gambar 4.16. Grafik Daya Output Vs Efisiensi pada UPS Double Switch Mode Normal 61 Gambar 4.17. Grafik Daya Output Vs THDi pada UPS Double Gambar 4.18. Switch Mode Normal 62 Rangkaian UPS On-Line Double Switch Mode Baterai 63 Gambar 4.19.a. Tegangan Output UPS Double Switch Mode Baterai 64 Gambar 4.19.b. Arus Output UPS Double Switch Mode Baterai 64 Gambar 4.20. Grafik Perubahan Beban Vs Efisiensi UPS Double Switch Mode Baterai 65 Gambar 4.21. Grafik Perbandingan Faktor Daya 66 Gambar 4.22. Grafik Perbandingan Effisiensi 67 Gambar 4.23. Grafik Perbandingan THDi 67 ix

DAFTAR TABEL Halaman Tabel 4.1 Perubahan Beban UPS Konvensional Mode Normal 52 Tabel 4.2 Perubahan Beban UPS konvensional Mode Baterai 56 Tabel 4.3 Perubahan Beban UPS Double Switch Mode Normal 60 Tabel 4.4 Perubahan Beban UPS Double Switch Mode Baterai 65 Tabel 4.5 Tabel Perbandingan Unjuk Kerja UPS 66 x