Simulasi dan Analisis Konverter Kaskade Buck- Boost Dua Arah sebagai Pencatu Tegangan Inverter Motor Induksi pada Mobil Listrik Ahsin Hariri, Mochamad Ashari, Sjamsjul Anam Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri ITS Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail : nykhariri@gmail.com 1 Abstrak - Mobil listrik memerlukan penggerak berupa motor. Motor induksi menjadi pilihan yang tepat untuk digunakan pada mobil listrik karena mempunyai beberapa keunggulan dibanding motor lain. Motor induksi memerlukan catu tegangan A sebesar 380 V, sehingga diperlukan tegangan D sebesar 540 V sebagai masukan dari IGBT inverter. Rasio kenaikan konverter yang efektif adalah dibawah empat kali. Sehingga digunakan dua buah konverter yang disusun kaskade untuk menaikkan tegangan 120 V menjadi 540 V. Tugas akhir ini akan membahas analisis dari hasil simulasi konverter kaskade buck-boost dua arah yang akan mengatur tegangan baterai sehingga mampu memeberikan catu tegangan pada motor induksi. Motor induksi digunakan sebagai penggerak dari mobil listrik. Konverter kaskade buckboost dua arah terdiri dari dua buah konverter bidirectional buck-boost yang disusun seri. Penyalaan dilakukan dengan memberikan sinyal PWM yang sama pada kedua konverter, sehingga memudahkan dalam kontrol tegangan outputnya. Tegangan input yang digunakan berasal dari baterai 120 V, 250 Ah. IGBT inverter berfungsi sebagai driver motor induksi, pengubah tegangan D ke A dan juga pengubah tegangan A ke D bila sinyal penyalaannya dimatikan. Simulasi dilakukan dengan memberikan fariasi torsi beban dan kecepatan motor. Hasil simulasi pada saat diberikan fariasi torsi beban, motor dapat mencapai referensi kecepatan yang diberikan. Simulasi berikutnya mobil dimisalkan melewati jalanan menurun maka pada simulasi diberikan kecepatan bernilai negatif pada motor, sehingga motor mampu membangkitkan tegangan yang bisa dimanfaatkan untuk mengisi baterai Kata Kunci : Mobil listrik, konverter kaskade buck-boost dua arah, IGBT Inverter, Motor induksi. I. PENDAHULUAN obil listrik menjadi solusi bertransportasi dalam masa Mkrisis energi seperti sekarang ini. Pengembangan mobil listrik didasari oleh permasalahan krisis energi, cadangan minyak dunia dalam beberapa tahun lagi akan habis, pemerintah Indonesia mulai membatasi subsidi bahan bakar minyak khususnya mobil pribadi. Selain itu dari aspek lingkungan mobil listrik tidak menghasilkan gas buang, sedangkan mobil bahan bakar minyak mempunyai gas buang berupa emisi karbon yang dapat meningkatkan efek pemanasan global. Mobil listrik akan bergerak dengan kecepatan yang berubah-ubah, maka diperlukan suatu rangkaian elektronik pengatur kecepatan motor penggerak. Motor induksi memerlukan tegangan A untuk dapat bergerak, untuk itu digunakan suatu inverter untuk mengubah tegangan D menjadi tegangan A. Inveter juga digunakan sebagai pengatur kecepatan motor induksi. II. LANDASAN TEORI A. MOBIL LISTRIK Pada dasarnya mobil listrik adalah mobil yang rodanya hanya dapat berputar apabila diberi arus listrik baik itu arus bolak balik (A) maupun arus listrik searah (D) tergantung jenis motornya. Karena mobil akan bergerak dengan jarak yang jauh meninggalkan sumber listriknya maka dibutuhkan alat penyimpanan energi yang sebagian basar menggunakan baterai atau accu, maka tidak salah bila sebagian orang menyebutnya mobil baterai. Motor listrik yang digunakan pada mobil listrik jenisnya sangat berfariasi ada yang menggunakan motor D Brushed, D Brushless, motor induksi 3 fasa, A permanent magnet motor serta modifikasi dalam hal pengaturan tegangan, arus, daya, torsi, bentuk mekanis serta desain dan perancangan menuju peningkatan efisiensi.[1] B. RANGKAIAN SYNHRONOUS NON-INVERTING BUK-BOOST (SNIBB) Rangkaian SNIBB berbeda dengan rangkaian konvensional Inverting Buck-Boost yang menggunakan satu buah switch sehingga polaritas tegangan output-nya berkebalikan dengan tegangan input (inverting).[2] S PWM L Gambar 1. Rangkaian Inverting Buck-Boost D R
2 (charging) dan arus induktor (IL) naik sampai arus maksimum dari induktor. Dengan rumus penurunan pada analisa switch tertutup adalah sebagai berikut: VL L L (1) Gambar 2. Rangkaian synchronous non-inverting buckboost (SNIBB) mode maju Rangkaian SNIBB menggunakan empat buah switch yang terdiri dari switch buck (S1) dengan satu switch singkronnya (S2) yang bekerja bergantian untuk menggantikan dioda buck dan switch boost (S3) dengan satu switch singkronnya (S4) yang menggantikan dioda boost Rangkaian SNIBB merupakan gabungan (cascade) dari synchronous boost dan synchronous buck dengan dua sinyal input PWM yakni sinyal PWM1 (sinyal buck) dan PWM2 (sinyal boost), dimana PWM buck akan mengatur dua switch buck pada S1 dan S2 yang saling singkron dan bekerja half-bridge karena S2 mendapat sinyal reverse dari sinyal PWM yang di-not kan oleh gerbang NOT. Sinyal PWM boost yang mengatur dua switch boost (S3 dan S4) yang saling singkron dengan bekerja pada mode halfbridge, karena S4 mendapat sinyal reverse dari sinyal PWM yang di-not kan oleh gerbang NOT. Rangkaian SNIBB mempunyai tiga mode pengoperasian, yakni mode buck, boost dan buck-boost dengan mengatur konfigurasi kedua sinyal PWM pada PWM1 dan PWM2. Prinsip kerja rangkaian mode buck-boost dibagi menjadi dua yaitu: analisa switch tertutup dan switch terbuka. S1 S2 L S4 S3 R Gambar 3. Rangkaian mode buck-boost analisa switch tertutup Pada Gambar 3 menunjukkan rangkaian buck-boost dengan analisa switch tertutup dimana switch (Sbuck S1 dan Sboost S3) ON (closed) dan switch singkronnya (S2 dan S4) open sehingga arus akan mengisi induktor L S2 S1 L S4 S3 R Gambar 4. Rangkaian mode buck-boost analisa saklar terbuka Pada Gambar 4 menunjukkan rangkaian buck-boost dengan analisa switch terbuka dimana kedua switch (Sbuck S1 dan Sboost S3) open. Sehingga kedua switch singkronnya (S2 dan S4) closed dan arus yang tesimpan pada induktor L menyuplai (discharging) ke beban. Dengan rumus penurunan pada saat mode saklar terbuka adalah sebagai berikut: VL L L TT L di. Toff (2) Sehingga ketika kedua persamaan 1 dan 2 pada mode saklar tertutup dan terbuka disubtitusikan, maka akan diperoleh persamaan tegangan output rangkaian buck-boost converter sebagai berikut: VVVV. TT Ton D. T Toff (1-D). T VVVV.(1 DD)TT Dimana: D Ton Toff T DD.TT VVVV (1 DD) DD VVVVVV. DD ( 1 DD ) : Tegangan sumber. : Tegangan output. : Duty-cycle. : Periode ON : Periode OFF. : Satu periode (3)
3 Pada mode buck-boost ini switch S1 dan S3 bekerja bersamaan, sedangkan switch S2 dan S4 sebagai switch sinkronnya juga bekerja secara bersama-sama. Sehingga control sinyal PWM dari S1 dan S3 dapat dijadikan satu. Rangkaian konverter kaskade buck-boost dua arah ini menggabungkan dua buah rangkaian SNIBB secara seri. Sehingga output tegangan dari rangkaian SNIBB pertama akan menjadi input dari rangkaian SNIBB kedua.[3] Gambar 5. Rangkaian SNIBB mode mundur Pada saat arah mundur maka beban berganti disebelah kiri dari rangkaian SNIBB, seperti pada gambar 5. Pada rangkaian mode mundur ini yang berfungsi sebagai saklar buck adalah S4 dan yang bekerja sebagai saklar boost adalah S2. Prinsip kerja pada saat mode mundur sama dengan pada saat mode maju, yaitu analisa switch terbuka dan tertutup. Gambar 6. Rangkaian mode buck-boost analisa switch tertutup Pada Gambar 6 menunjukkan rangkaian buck-boost dengan analisa switch tertutup dimana switch (Sbuck S2 dan Sboost S4) ON (closed) dan switch singkronnya (S1 dan S3) open sehingga arus akan mengisi induktor L (charging) dan arus induktor (IL) naik sampai arus maksimum dari induktor. Dengan rumus penurunan pada analisa switch tertutup adalah sebagai berikut: Gambar 7. Rangkaian mode buck-boost analisa saklar terbuka Pada Gambar 7 menunjukkan rangkaian buck-boost dengan analisa switch terbuka dimana kedua switch (Sbuck S2 dan Sboost S4) open. Sehingga kedua switch singkronnya (S1 dan S3) closed dan arus yang tesimpan pada induktor L menyuplai (discharging) ke beban. Dengan rumus penurunan pada saat mode saklar terbuka adalah sebagai berikut: VL L L TT L di. Toff (5) Sehingga ketika kedua persamaan 4 dan 5 pada mode saklar tertutup dan terbuka disubtitusikan, maka akan diperoleh persamaan tegangan output rangkaian buck-boost converter sebagai berikut: VVVV. TT Ton D. T Toff (1-D). T VVVV.(1 DD)TT Dimana: D Ton Toff T DD.TT VVVV (1 DD) DD VVVVVV. DD ( 1 DD ) : Tegangan sumber. : Tegangan output. : Duty-cycle : Periode ON : Periode OFF. : Satu periode (6) VL L L (4)
4. RANGKAIAN KONVERTER KASKADE BUK- BOOST DUA ARAH Gambar 8. Rangkaian konverter kaskade buck-boost dua arah Rangkaian konverter kaskade Buck-Boost dua arah ini terdiri dari dua buah rangkaian konverter synchronous noninverting Buck-Boost (SNIBB) yang dirangkai seri. Rangkaian SNIBB sendiri merupakan rangkaian konverter dua arah. Konverter kaskade buck-boost dua arah ini terdiri dari dua buah rangkaian konverter buck-boost dua arah yang disusun seri. Seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.3 terdiri dari konverter I dan konverter II. Konverter A terdiri dari 4 buah saklar yang bekerja secara bergantian. Saklar S1A bekerja bersama dengan saklar S4A. Sedang saklar S2A bekerja bersama S3A. Saklar S1A dan S4A bekerja bergantian dengan saklar S2A dan S3A. Saat saklar S1A dan S4A terbuka maka saklar S2A dan S3A tertutup. Sehingga sinyal PWM hanya diberikan sekali pada S1A dan S4A, sedangkan pada saklar S2A dan S3A diberikan gerbang NOT sehingga memperoleh sinyal yang berlawanan dengan sinyal yang diberikan pada saklar S1A dan S4A. Konverter B sama dengan konverter A terdiri dari 4 saklar. ara kerja saklar pada konverter B juga sama dengan saklar pada konverter A. Saklar S1B sama dengan saklar S1A, saklar S2B sama dengan S2A, saklar S3B sama dengan saklar S3A, saklar S4B sama dengan S4A. Penjelasan tentang sinyal PWM akan dijelaskan pada sub bab berikutnya. Peng-kaskadean konverter buck-boost dua arah ini bertujuan untuk memperkecil nilai duty cycle penyaklaran pada konverter. Karena dalam implementasinya tidak dimungkinkan penyaklaran dalam rasio tinggi dengan duty cycle diatas 80%. Prinsip kerja dari konverter kaskade buck-boost dua arah sama seperti prinsip kerja dari rangkaian SNIBB. Pada gambar 5 menunjukkan keluaran dari rangkaian SNIBB (1) pertama akan menjadi masukan dari rangkaian SNIBB yang kedua. Sedangkan merupakan keluaran dari rangkaian konverter kaskade buck-boost dua arah. dapat dicari dengan persamaan berikut ini. Dari persamaan 3 didapat VVVVVVVV 1 VV iiii.dd (1 DD) VVVVVVVV VVVVVVVV 1.DD (1 DD) Jadi VVVVVVVV VV iiii. DD DD (1 DD) (1 DD) VVVVVVVV VVVVVV{ DD (4) (1 DD) }2 (5) III. PERANANGAN SISTEM Desain sistem simulasi secara keseluruhan dapat dilihat pada gambar 9. Gambar ini menunjukkan bahwa konverter kaskade buck-boost dua arah dapat beroperasi memberikan catu tegangan ke motor dan juga dapat digunakan untuk mengisi baterai. Jalur yang berwarna merah menunjukkan aliran arus dari baterai menuju ke motor. Sedangkan panah berwarna hijau menunjukkan aliran arus dari motor menuju ke baterai. m Battery Gambar 9. Desain keseluruhan sistem A. BATERAI Baterai yang digunakan adalah jenis Lithium Ion, baterai ini dapat diisi ulang, sehingga sangat cocok digunakan pada mobil listrik. Selain itu baterai ini mempunyai ukuran yang lebih kecil dibandingkan dengan baterai isi ulang yang lain seperti Niad atau baterai NiMH. Spesifikasi baterai yang dipilih disesuaikan dengan beban motor dengan daya 37 kw. Voltage Voltage + _ 140 120 100 140 120 PWM discharge baterai Set point di Konverter kaskade buck- PWM discharge baterai IGBT Inverter ontrol speed Vector ontrol pulses Nominal urrent Discharge haracteristic at 0.2 (50A) speed Discharge curve Nominal area Exponential area 0 50 100 150 200 250 300 350 Ampere-hour (Ah) E0 124.4922, R 0.012, K 0.29221, A 15.6, B 0.014118 100 0 50 100 150 200 250 300 350 Ampere-hour (Ah) Gambar 10. Karakteristik discharge baterai + - g A B m Tm A B Induction Motor 50 HP / 220 V
5 Dari gambar 7 dapat dilihat tegangan nominal dari baterai sebasar 120 volt dan arusnya sebesar 250 Ah.[4] Spesifikasi ini cukup untuk mencatu beban motor dengan daya 37 kw selama kurang dari satu jam. Pada baterai ini akan dimonitor tiga buah parameter yaitu tegangan, arus, dan SO (state of charging). B. IGBT INVERTER IGBT inverter berfungsi sebagai pengubah tegangan D menjadi tegangan A. IGBT inverter juga berfungsi sebagai driver dari motor induksi. IGBT inverter ini terdiri dari enam buah saklar semikonduktor jenis IGBT. Penyalaan dilakukan dengan memberikan sinyal PWM pada masing-masing saklar yang dikombinasikan sehingga dihasilkan tegangan A tiga fasa. IV. HASIL SIMULASI DAN ANALISA SISTEM A. SIMULASI KONVERTER KASKADE BUK-BOOST DUA ARAH Simulasi konverter kaskade buck-boost dua arah ini dilakukan dengan dua mode, yaitu mode maju dan mode mundur. Mode maju adalah mode dimana baterai memberikan catu daya pada motor. Sedangkan mode mundur adalah mode dimana baterai mendapatkan catu daya dari motor yang bekerja sebagai generator, atau dengan kata lain baterai mengalami pengisian. Simulasi pertama dilakukan dengan mode maju. Simulasi ini dilakukan dengan memberikan sinyal PWM sebesar 0.68. Gambar 11. IGBT inverter Selain sebagai inverter, IGBT inverter juga berfungsi sebagai driver dari motor induksi. Kecepatan motor induksi diatur oleh blok vector control. Blok ini mengolah kecepatan referensi dalam satuan ωω. Kecepatan referensi ini akan dibandingkan dengan kecepatan yang terukur pada rotor motor induksi. Proses ini terjadi berulang-ulang sehingga didapatkan kecepatan yang terukur pada rotor mendekati kecepatan referensi. Keluaran dari blok vector control merupakan sinyal penyalaan pada IGBT inverter sehingga memberikan catu daya ke motor induksi dan memutar motor induksi dengan kecepatan sesuai referensi yang ditentukan.[5]. MOTOR INDUKSI Motor yang digunakan dalam simulasi simulink MATLAB ini adalah motor induksi dengan spesifikasi daya sebesar 50 HP, tegangan sebesar 220/380 V, frekuensi 50 Hz, dan kecepatan putar 1780 RPM. Parameter ini sudah ada pada model motor induksi pada simulink MATLAB. Dipilih parameter untuk mechanical input adalah Torque Tm, tipe rotor squirrel-cage (rotor sangkar), dan jumlah kutub adalah dua pasang. Pada motor terdapat dua pilihan input beban. Yaitu beban torsi dan beban kecepatan. Pada simulink MATLAB motor induksi dapat difungsikan sebagai generator dengan cara memberikan beban torsi negatif pada input bebannya. Gambar 12. Output konverter kaskade buck-boost dua arah mode maju Hasil simulasi seperti pada gambar 12 menunjukkan bahwa dengan tegangan masukan 120 V, dan duty cycle sebesar 0.68, tegangan output dari konverter kaskade buckboost dua arah dapat mencapai 540 V. Hal ini sesuai dengan hasil perhitungan VV oooooo ( DD 1 DD )2 VV iiii VV oooooo 0.68 1 0.68 2 xx120 VV oooooo 541.9VV (6) B. SIMULASI KESELURUHAN SISTEM Simulasi ini dilakukan dalam beberapa mode, pertama dengan memberikan kecepatan yang berubah-ubah dan torsi beban yang tetap. Hal ini memisalkan mobil berjalan pada kondisi jalan yang rata. Hasil simulasi ini menunjukkan respon motor dalam mencapai kecepatan referensi yang diberikan. Gambar 13. Respon kecepatan motor
6 Gambar 13 merupakan hasil simulasi dari respon kecepatan rotor yang mampu mencapai kecepatan referensinya pada kondisi set point yang berubah-ubah. Rata-rata respon motor dalam mencapai kecepatan referensinya adalah sekitar 2 detik. Saat terjadi perubahan set point kecepatan maka torsi akan berubah sesaat setelah itu akan kembali stabil. Apabila terjadi penambahan kecepatan maka akan terjadi gaya tolak oleh rotor sehingga torsi akan naik. Apabila terjadi penurunan kecepatan maka akan ada gaya dorong sesaat pada rotor sehingga akan mengurangi torsi selama beberapa saat. Simulasi selanjutnya adalah simulasi mobil saat melewati jalan menurun. Apabila mobil melewati jalanan menurun maka mobil akan bergerak tanpa harus ada yang memberikan dorongan berupa penggerak motor. Putaran roda yang satu poros dengan motor akan dimanfaatkan untuk membangkitkan tegangan yang dapat digunakan untuk mengisi baterai. Pada simulasi ini motor diberi masukan berupa kecepatan sudut sebesar -100 rad/s. Sedangkan IGBT inverter difungsikan menjadi rectifier yaitu dengan cara memutus sinyal penyalaannya. Setelah tegangan yang dihasilkan motor melewati rectifier maka akan dihasilkan tegangan D sebesar 150 V, seperti pada gambar 14. Gambar 14. Tegangan output rectifier Dari tegangan D yang dihasilkan oleh rectifier maka dapat dilihat daya pada baterai akan mengalami peningkatan. Karena tegangan yang dihasilkan oleh rectifier ini akan dialirkan oleh konverter kaskade buck-boost dua arah ke baterai. Gambar 15. State of charging baterai Dari gambar 15 dapat dilihat bahwa state of charging baterai mengalami kenaikan, hal ini menunjukkan bahwa baterai mengalami pengisian. V. PENUTUP A. KESIMPULAN Dari penelitian dan simulasi yang telah dilakukan, dapat diambil beberapa kesimpulan. Konverter kaskade buck-boost dua arah sangat cocok digunakan pada mobil listrik, karena dapat menaikkan tegangan baterai pada saat memberikan catu tegangan pada motor induksi dan juga mengatur tegangan pada saat pengisian baterai. Untuk menaikkan tegangan baterai 120 V menjadi tegangan yang diperlukan IGBT inverter yaitu 540 V, diperlukan dua buah rangkaian buck-boost converter yang dirangkai seri (kaskade). Dengan digunakannya konverter kaskade buckboost dua arah, maka tidak diperlukan lagi pengatur tegangan yang digunakan pada saat pengisian baterai. IGBT inverter mempunyai beberapa fungsi yaitu sebagai pengubah tegangan D menjadi A, sebagai driver motor induksi, dan juga sebagai rectifier. Motor induksi selain mempunyai beberapa keunggulan dari motor jenis lain, juga dapat digunakan sebagai generator dengan menambahkan sumber daya reaktif berupa kapsitor. B. SARAN Perlu adanya kontroler loop tertutup yang tepat untuk mengatur konverter kaskade buck-boost dua arah agar didapat respon yang tercepat dalam mencapai tegangan output, sehingga motor cepat memperoleh catu tegangan dan dapat mencapai kecepatan putar sesuai dengan referensi kecepatan. DAFTAR PUSTAKA [1] Design mobil listrik, URL < http://senyumitb.blogspot.com/2012/03/desain-mobil-listrik.html > [2] Ashari, Mochamad, Sistem Konverter D. Desain Rangkaian Elektronika Daya, ITS press, Surabaya, Juli 2012. [3] Khakam M.N, Desain dan Implementasi Sistem Manajemen Pengisian Baterai dan Beban pada Pembangkit Listrik Mandiri Menggunakan Synchronous Non-Inverting Buck-Boost Dc-Dc onverter, Institute Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2013. [4] Portable 120-volt A power source based on lithium ion battery introduced by Larson, URL<http://www.militaryaerospace.com/articles/2013 /02/Larson-battery-power.html> [5] Pasilia, Felix, dkk, Desain Flux Vector ontrol Inverter 3 Fasa Pada Motor Induksi 1.5 HP Menggunakan Power Blockset, Universitas Kristen Petra, Surabaya, maret 2003.