UNINTERRUPTIBLE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN INVERTER PWM 3 LEVEL oleh Roy Kristanto NIM : 612007004 Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga Juli 2013
ii
iii
INTISARI UPS merupakan sebuah sistem yang dapat digunakan untuk mencatu suatu perangkat elektronik sementara waktu ketika terjadi pemadaman listrik. Dalam hal ini perangkat elektronik yang akan dicatu adalah sebuah komputer. UPS ini menggunakan aki kering sebagai sumber tegangannya. Agar dapat digunakan untuk mencatu beban AC, dibutuhkan sebuah inverter yang berfungsi untuk mengubah tegangan DC dari aki kering ini menjadi tegangan AC. Inverter yang dibuat pada UPS ini adalah inverter PWM 3 level. Inverter PWM 3 level ini memanfaatkan konfigurasi H-bridge yang mempunyai 4 buah inputan sinyal yang berbeda. Kemudian sinyal PWM 3 level ini dinaikkan tegangannya dan difilter dengan frekuensi pusat 50Hz. Sinyal PWM 3 level yang sudah difilter ini berupa sinyal sinus yang masih kurang bagus dengan amplitudo 145 VAC. THD sinyal sinus yang dihasilkan juga masih tinggi yaitu 6,5% sampai dengan 40% dan efisiensi daya rata-rata yang didapat hanya 47,85%. Oleh karena itu, inverter PWM 3 level ini masih kurang bagus dalam mencatu beban jika dibandingkan dengan inverter sinus murni yang sudah ada. i
ABSTRACT UPS is a system that can be used to distribute an electronic device while when a power outage. In this case the electronic device to be powered is a computer. UPS is using the battery dry as a voltage source. To be used to distribute AC load, it takes an inverter to convert the DC voltage function of the dry battery into AC voltage. UPS inverter is made in 3 level PWM inverter. This 3-level PWM inverter utilizing the H-bridge configuration which has 4 different pieces of the input signal. Then the 3-level PWM signal is increased voltage and filtered with a center frequency of 50Hz. 3-level PWM signal that has been filtered in the form of a sine signal with amplitude still not good enough compare to 145 VAC. THD sine signal generated is still high at 6.5% up to 40% and average power efficiency is obtained only 47.85%. Therefore, the 3-level PWM inverter is still not good enough to distribute the load when compared with pure sine inverter that already exists. ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas segala rahmat karunia yang senantiasa penulis terima dalam menyelesaikan perancangan serta penulisan skripsi sebagai syarat untuk menyelesaikan studi di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana. Terselesaikannya skripsi ini tentu juga tidak lepas dari dukungan, doa, serta kasih sayang dari keluarga dan teman-teman saya. Oleh karena itu saya berterima kasih pada kesempatan ini penulis juga hendak mengucapkan terima kasih kepada berbagai pihak yang baik secara langsung maupun tidak telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini : 1. Tuhan Yesus atas semua kasih karunia sehingga penulis dapat lepas dari 2. Kedua orang tua, yaitu Papa Kristanto Tan dan Mama Meiwati yang sudah merawat, membiayai, dan selalu memberikan semangat kepada penulis. 3. Bapak F. Dalu Setiaji, M.T.dan Bapak Ir. Lukas B. Setyawan, M.Sc. selaku pembimbing I dan pembimbing II, terima kasih atas bimbingan, arahan dan ideide cemerlang yang menginspirasi penulis selama mengerjakan skripsi ini. 4. Saudara-saudaraku Chandra, Yohan, Natalia, dan Anton yang selalu mengingatkanku agar rajin. 5. Cerian, Apeng, Krisna, Michael, Sadrakh, dan teman-teman monkeys lainnya yang selalu ada dan siap untuk membantu. 6. Semua teman-teman FTEK UKSW. 7. Seluruh staff dosen, karyawan dan laboran FTEK. 8. Berbagai pihak yang tidak dapat dituliskan satu persatu, penulis mengucapkan terima kasih. iii
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat berguna bagi kemajuan teknik elektronika. Salatiga, Juli 2013 Penulis iv
DAFTAR ISI INTISARI... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR ISTILAH...x BAB I PENDAHULUAN...1 1.1 Tujuan...1 1.2 Latar Belakang...1 1.3 Spesifikasi Sistem...2 1.4 Sistematika Penulisan...3 BAB II DASAR TEORI...4 2.1 Teori Catu Daya Tak Terputus...4 2.2 Sinyal PWM (Pulse Width Modulation)... 5 2.3 Gelombang Tangga 3 Tingkat dan PWM 3 Level... 9 2.3.1 Gelombang Tangga 3 Tingkat... 9 2.3.2 Sinyal PWM 3 Level...10 2.4 Inverter...10 2.5 Aki Kering...11 2.6 IC XR2206...12 2.7 IC IR2110...13 2.8 Konfigurasi H-Bridge...13 2.9 Transformator...14 2.10 Filter...15 2.11 SCR (Silicon Controlled Rectifier)...17 BAB III PERANCANGAN SISTEM...19 3.1 Gambaran Sistem...19 3.2 Perancangan Perangkat Keras...19 3.2.1 Modul Charger Aki Kering...20 3.2.2 Modul Inverter...21 v
3.2.2.1 Modul Pembangkit Sinyal... 21 3.2.2.2 Modul H-Bridge... 27 3.2.2.3 Modul Step-up Tegangan... 29 3.2.2.4 Modul BPF (Band Pass Filter)... 30 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS... 32 4.1 Pengujian Charger Aki Kering... 32 4.2 Pengujian Modul Penghasil Sinyal... 34 4.3 Pengujian Modul H-Bridge... 37 4.4 Pengujian Modul Step-up Tegangan... 38 4.5 Pengujian Modul Filter... 39 4.6 Pengujian Sistem Keseluruhan... 41 4.6.1 Pengukuran Efisiensi Daya dan Kapasitas Maksimum... 41 4.6.2 Pengukuran Kemampuan Waktu Aki Kering...43 4.6.3 Pengukuran THD (Total Harmonic Distortion)...43 4.6.4 Pengukuran Regulasi Tegangan Saat Pembebanan...45 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN...47 5.1 Kesimpulan...47 5.2 Saran Pengembangan... 47 DAFTAR PUSTAKA... 48 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Sistem UPS offline... 5 Gambar 2.2. Sistem UPS online... 5 Gambar 2.3. Sinyal PWM... 6 Gambar 2.4. Tegangan rata-rata PWM berdasarkan lebar pulsa... 7 Gambar 2.5. Sinyal PWM digital... 8 Gambar 2.6. Blok diagram pembentukan sinyal PWM dengan membandingkan sinyal referensi dan sinyal carrier... 8 Gambar 2.7. Gelombang tangga 3 tingkat... 9 Gambar 2.8. Sinyal PWM 3 level... 10 Gambar 2.9. Konfigurasi IC XR2206... 13 Gambar 2.10. Konfigurasi IC IR2110...13 Gambar 2.11. Konfigurasi H-bridge... 14 Gambar 2.12. Bagian primer dan sekunder trafo... 15 Gambar 2.13. Bentuk tanggapan frekuensi filter... 17 Gambar 2.14. Simbol SCR... 17 Gambar 2.15. Karakteristik kurva I-V SCR... 18 Gambar 3.1. Blok diagram UPS... 19 Gambar 3.2. Modul charger aki kering... 20 Gambar 3.3. Diagram blok pembangkit sinyal... 22 Gambar 3.4. Rangkaian penghasil sinyal sinus dan kotak 1 50Hz... 23 Gambar 3.5. Sinyal sinus dengan frekuensi 50Hz... 24 Gambar 3.6. Rangkaian penghasil sinyal segitiga 1kHz... 24 Gambar 3.7. Sinyal segitiga dengan frekuensi 1kHz... 25 Gambar 3.8. Sinyal PWM (PWM 1)... 25 Gambar 3.9. Sinyal inverting PWM (PWM 2)... 26 Gambar 3.10. Sinyal kotak (kotak 1)... 26 Gambar 3.11. Sinyal inverting kotak (kotak 2)... 26 Gambar 3.12. Rangkaian sebelah kiri H-bridge... 28 Gambar 3.13. Rangkaian sebelah kanan H-bridge... 28 Gambar 3.14. Sinyal PWM 3 level... 29 vii
Gambar 3.15. Rangkaian step-up tegangan... 29 Gambar 3.16. BPF dengan komponen LC... 30 Gambar 3.17. Band Pass Filter LC... 31 Gambar 4.1. Pengujian modul charger aki kering tanpa beban... 33 Gambar 4.2. Modul penghasil sinyal... 34 Gambar 4.3. Sinyal PWM (PWM 1)... 35 Gambar 4.4. Sinyal inverting PWM (PWM 2)... 35 Gambar 4.5. Sinyal kotak (kotak 1)... 36 Gambar 4.6. Sinyal inverting kotak (kotak 2)... 36 Gambar 4.7. Modul H-bridge... 37 Gambar 4.8. Sinyal PWM 3 level... 38 Gambar 4.9. Modul step-up tegangan... 39 Gambar 4.10. Modul filter LC... 40 Gambar 4.11. Sinyal keluaran filter LC... 40 Gambar 4.12. Pengukuran efisiensi daya... 41 viii
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Pensaklaran H-bridge dengan MOSFET tipe-n... 27 Tabel 4.1. Uji beban modul charger aki kering... 33 Tabel 4.2. Hasil uji coba modul penghasil sinyal... 36 Tabel 4.3. Pengukuran efisiensi daya... 42 Tabel 4.4. Pengukuran waktu kemampuan aki kering... 43 Tabel 4.5. Pengukuran THD saat diberi beban... 44 Tabel 4.6. Tabel parameter untuk menentukan kualitas tegangan... 45 Tabel 4.7. Pengukuran regulasi tegangan saat pembebanan... 46 ix
DAFTAR ISTILAH UPS PWM DC AC IC PLN THD BPF SCR Uninterruptible Power Supply Pulse Width Modulation Direct Current Alternating Current Integrated Circuit Perusahaan Listrik Negara Total Harmonic Distortion Band Pass Filter Silicon Controlled Rectifier x