BAB III Metode Penelitian
TINJAUAN PUSTAKA
2.5 Multilevel Inverter
-Gambar 2.3 Konfigurasi inverter CSI
2.4.1 Controller
Controller digunakan dalam rangkaian filter aktif sebagai pembangkit sinyal yang dipakai untuk menyalakan atau mematikan inverter. Komponen ini memegang peranan sangat penting di dalam implementasi filter aktif, karena ketika fungsi controll ini tidak bekerja dengan baik maka otomatis performansi filter aktif menjadi tidak maksimal. Kemungkinan terburuk adalah filter justru menambah masalah.
2.5 Multilevel Inverter
Pada awalnya inverter konvensional memiliki konfigurasi dua tingkat untuk menghasilkan tegangan AC dari tegangan DC seperti diperlihatkan pada Gambar 2.4. Dua tingkat inverter hanya bisa membangkitkan dua level tegangan output untuk beban, yaitu Vdc/2 atau -Vdc/2.
Gambar 2.4 Inverter dua level satu fasa (kiri) dan gelombang keluaran (kanan)
Untuk membangkitkan keluaran tegangan AC dua tingkat seperti pada Gambar 2.5, biasanya dilakukan dengan memodulasi lebar pulsa atau lebih dikenal
dengan PWM (Pulse Width Modulation). Metode ini efektif dalam menghasilkan
gelombang keluaran tetapi terdapat distorsi harmonik pada tegangan keuarannya. Hal ini mungkin tidak selalu menjadi masalah, tetapi untuk beberapa aplikasi tertentu dibutuhkan distorsi rendah dalam output tegangan [12].
Konsep Multilevel Inverter (MLI) untuk menghasilkan sinyal AC tidak hanya bergantung pada dua tingkat tegangan. Beberapa tingkat tegangan dapat ditambahkan untuk menciptakan gelombang yang semakin halus, dengan menghasilkan distorsi harmonisa yang rendah. Gambar 2.6 menunjukkan tegangan keluaran untuk tiga tingkat, dan Gambar 2.7 untuk lima tingkat.
Gambar 2.6 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 3 tingkat
Pada Gambar 2.8 yang merupakan tegangan untuk level tujuh tingkat, terlihat semakin banyak level tegangan yang dihasilkan maka gelombang akan semakin mendekati sinusoidal. Akan tetapi dengan berbagai tingkatan tersebut desain akan menjadi lebih rumit, lebih banyak komponen dan metode kontrol lebih sulit.
Gambar 2.8 Tegangan keluaran Multilevel Inverter 7 tingkat
Ada beberapa fitur menarik dalam multilevel inverter yaitu dengan tingkat
frekuensi yang lebih rendah maka tingkat stress komponen juga bisa dihindari..
Berikut keuntungan menggunakan multilevel inverter [12,13]:
1. Multilevel Inverter dapat menghasilkan tegangan keluaran dengan distorsi yang sangat rendah
2. Multilevel Inverter dapat menghasilkan arus masukan dengan distorsi yang sangat rendah.
3. Multilevel Inverter menghasilkan lebih kecil tegangan common-mode (CM), sehingga mengurangi stres.
4. Multilevel Inverter dapat beroperasi dengan frekuensi switching yang lebih rendah
Ada berbagai topologi multilevel inverter yang telah diusulkan beberapa tahun
terakhir seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 [13]. Berikutnya akan lebih difokuskan
pembahasan untuk Multilevel Inverter dengan sumber DC yang simetris, sesuai
dengan yang digunakan pada tesis ini.
A. Diode Clamped Connected
Topologi multilevel inverter yang paling umum digunakan adalah
“diode clamped connected”, yaitu dioda digunakan sebagai perangkat untuk
menjepit tegangan bus DC sehingga mencapai level output voltage.
Gambar 2.9 Klasifikasi topologi Cascade Multilevel Inverter Cascade Multilevel Inverter Berdasarkan Koneksi H-Bridges Koneksi
Bintang Koneksi Delta
Berdasarkan Sumber DC Sumber DC Asimetris Sumber DC Simetris H-Bridge Connected Flying Capacitor Connected Diode Clamped Connected
Beberapa kebutuhan komponen inverter tingkat n adalah:
a. Sumber tegangan (bisa berupa kapasitor) = (n - 1)
b. Perangkat switching (berupa relay) = 2 (n - 1)
c. Dioda = (n - 1) (n - 2)
Dengan meningkatnya jumlah level tegangan, kualitas tegangan keluaran menjadi lebih dekat dengan gelombang sinusoidal. Gambar 2.10 menunjukkan
topologi diode-clamped tiga tingkat (a) dimana bus DC terdiri dari dua kapasitor,
yaitu C1 dan C2. Tegangan di setiap kapasitor terpasang sebesar VDC / 2.
Gambar 2.10 Topologi Multilevel InverterDiode-Clamped
Untuk menjelaskan bagaimana level tegangan dibangkitkan, titik
netral n dianggap sebagai keluaran fasa titik referensi tegangan. Kombinasi
Tabel 2.4 Kombinasi switch untuk menghasilkan variasi tegangan keluaran
Level Voutput S1 S2 S1’ S2’
1 Vdc/2 1 1 0 1
0 0 0 1 1 0
-1 -Vdc/2 0 0 1 1
Untuk menentukan nilai dari VD bisa digunakan Persamaan 2.5 [14].
...(2.5)
Dengan:
m = nilai tingkat inverter
k = konstanta dari 1 sampai (m-1)
Vdc = Tegangan DC link
B. H-Bridge Cascaded Multilevel Inverter
Konsep inverter ini adalah menghubungkan inverter H-bridge secara
seri untuk mendapatkan tegangan keluaran. Tegangan keluaran adalah jumlah dari tegangan yang dihasilkan oleh masing-masing tingkat. Jumlah tersebut
merupakan tegangan output tingkat 2n +1, dengan n adalah jumlah tingkat.
Salah satu keuntungan dari jenis inverter multilevel ini adalah
mengurangi jumlah komponen dibandingkan dengan diode-clamp maupun
C. Multilevel InverterFlying Capacitor
Struktur inverter ini mirip dengan diode-clamped, bedanya adalah
komponen dioda digantikan oleh kapasitor seperti pada Gambar 2.11. Inverter
n-level akan membutuhkan:
a. Kapasitor untuk masing-masing fasa = (n - 1) × (n - 2) / 2
b. Kapasitor utama = (n - 1)
Jika dibandingkan dengan metode diode clamp, jumlah kapasitor pada
type ini jauh lebih banyak karena komponen untuk dioda digantikan oleh kapasitor. Lain halnya untuk sumber tegangan membutuhkan jumlah
komponen yang sama yaitu sebesar n-1.
2.6 Transformasi p-q
Filtering merupakan suatu proses untuk mendapatkan sinyal arus harmonisa dengan cara memfilter sinyal arus dan tegangan pada sistem. Sinyal arus dan tegangan pada sistem memiliki dua komponen yaitu sinyal fundamental pada frekuensi 50 Hz dan sinyal harmonisa dengan frekuensi kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental sistem. Untuk mengidentifikasi harmonisa arus digunakan p-q theory [8,9,15].
2.6.1 Low Pass Filter
Filter adalah adalah sebuah rangkaian yang dirancang agar melewatkan suatu pita frekuensi tertentu dan pada saat yang bersamaan melemahkan sinyal yang diluar frekuensi tersebut. Pengertian lain dari filter adalah rangkaian pemilih frekuensi agar dapat melewatkan frekuensi yang diinginkan dan menahan atau membuang (by pass) frekuensi lainnya. Adapun jenis filter antara lain adalah Low Pass Filter (LPF), jenis filter yang melewatkan frekuensi rendah serta meredam/menahan frekuensi tinggi. Bentuk respon LPF seperti ditunjukkan Gambar 2.12.
Selain LPF masih ada beberapa tipe dari filter tergantung dari kebutuhan dan fungsi masing-masing filter, misalnya High Pass Filter (melewatkan frekuensi tinggi dan meredam frekuensi yang rendah), Band Pass Filter, atau Band Stop Filter. Pemilihan konfigurasi filter tersebut
Gambar 2.12 Respon magnitudo LPF
LPF digunakan untuk membatasi frekuensi paling tinggi dari suatu sinyal. LPF akan melewatkan frekuensi rendah atau dengan kata lain LPF akan memberikan tegangan keluaran yang konstan dari DC hingga frekuensi cutoff (frekuensi 0,707 atau frekuensi -3dB). Area frekuensi LPF dapat dibagi menjadi tiga. Pertama, area perpanjangan passband dari 0 sampai frekuensi tepi passband nya (fpass). Kedua, area perpanjangan stopband dari frekuensi tepi stopband (fstop) sampai tak terbatas. Kemudian yang ketiga adalah daerah transisi antara keduanya, antara fpass dan fstop.
Pada tesis ini digunakan LPF dengan frekuensi yang dilewatkan adalah sebesar 50Hz, sedangkan frekuensi yang lebih tinggi (harmonisanya) di tahan. Sedangkan orde yang digunakan adalah bernilai 5, orde ini berkaitan dengan
tingkat kecuraman dari filter. Semakin kecil nilainya (misalnya satu) maka filter akan semakin curam dan semakin besar nilainya akan semakin landai.
2.6.2 Implementasi transformasi Park
Tranformasi Park secara matematik biasanya digunakan pada mesin sinkron 3 fasa yaitu untuk menyerderhanakan transformasi variabel tertentu dari sistem 3 fasa abc ke sumbu dq0. Variabel tersebut biasanya berupa arus, tegangan atau fluks linkage dalam bentuk variabel aktual kumparan stator. Kuantitas baru didapatkan dari proyeksi variabel aktual pada ketiga sumbu sepanjang sumbu direct kumparan rotor yang disebut sumbu direct (d), dan sepanjang sumbu netral kumparan medan yang disebut sumbu quadrature atau disebut sumbu stasioner. Untuk memudahkan biasanya sumbu fasa a dianggap sebagai fasa referensi dan pergeseran sudut fasa referensi disebut θ.
Park transformasi (dq) adalah untuk menyederhanakan transformasi semua kuantitas stator dari sumbu abc yang diubah kedalam referensi variabel baru yang disebut rotor. Jika kita mempunyai 3 variabel ia, ib dan ic maka kita perlu menggunakan 3 variabel baru sehingga dengan transformasi Park menjadi 2 variabel baru yaitu variabel komponen id dan iq dan variabel komponen ketiganya atau i0 adalah arus stationer yang sebanding dengan arus urutan nol. Untuk ketiga fasa yang seimbang sumbu nol biasanya dianggap nol. Gambar 2.13 adalah pemodelan persamaan untuk proyeksi perkalian
Perhitungan p dan q Perhitungan Arus
Referensi Low Pass Filter
ic1 ic2 ic3 vs1 vs2 vs3 iref1 iref2 iref3
p q qh ph
Gambar 2.13 Proses transformasi pq
Tegangan sumber (Vs1, Vs2, Vs3) dan arus sumber (ic1, ic2, ic3) ditransformasikan menjadi sistem bi-phase menurut Persamaan (2.6):
[ ] √ [ √ √ ] [ ]
...(2.6)
Daya aktif dan daya reaktif sesaat pada sistem dihitung berdasarkan Persamaan (2.7):
Setelah itu, untuk mendapatkan arus referensi harmonisa dilakukan transformasi sesuai dengan Persamaan (2.8):
[ ] [ ] [ ̃ ̃] ... (2.8)
Untuk mendapatkan arus referensi harmonisa yang sesungguhnya, maka arus harmonisa dalam sistem biphase harus ditransformasikan dengan invers dari transformasi α-β, dimana ditunjukkan pada Persamaan (2.9):
[ ] √ [ √ √ ] [ ] ...(2.9)