Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus Menggunakan Metode Current Space Vector Modulation (CSVM) Untuk Aplikasi UPS

Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus Menggunakan Metode Current Space Vector

Modulation (CSVM) Untuk Aplikasi UPS

Haris Amrullah, Mochamad Ashari, Heri Suryoatmojo. Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111

Abstrak-UPS (Uninterrupted Power Supply) disebut sebagai backup tenaga jika tenaga listrik utama mengalami gangguan, sehingga saluran daya ke beban terus mengalir. UPS menjadi suatu solusi dimana masa sekarang masih kurang bermutunya saluran tenaga listrik jala-jala khususnya di daerah yang jauh dari pusat-pusat beban. Sistem UPS termasuk dalam kategori beban non linier yang dapat menyuntikkan harmonisa arus dan tegangan ke jala-jala. Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka diimplementasikan UPS dengan menggunakan topologi inverter sumber arus metode “current space vector modulation” dengan sumber arus yang di bangkitkan dari buck konverter dengan tegangan DC 250 VDC dengan arus keluaran 100 A konstan, untuk menghasilkan tegangan output bolak balik 380 VAC line to line, dengan Total Harmonic Distortion maksimum arus 2.5% dan tegangan adalah 5%. Pengujian sistem ini dengan metode stand alone.

Kata kunci: Inverter Sumber Arus, Pengaturan Tegangan, Space Vector Modulation

I. PENDAHULUAN

Saat ini, sistem kelistrikkan Indonesia selalu berkembang mengikuti perkembangan zaman. Semakin berkembangnya sistem berarti semakin tingginya konsumsi daya, yang tentunya disertai dengan kualitas yang menjanjikan, yaitu kualitas daya yang handal.

Inverter dapat digunakan sebagai penunjang kualitas daya antara lain pada penggunaan filter aktif, static synchronous compensation (STATCOM), Uninterruptible Power Supply (UPS), dan lain-lainnya. Dalam hal kelangsungan pasokan sumber daya yang berkelanjutan tanpa putus, di Indonesia belum dapat diandalkan, terlebih di daerah pelosok dan pesisir yang jauh dari pusat-pusat beban.

UPS adalah suatu sistem back up daya listrik darurat untuk mensuplai peralatan listrik atau beban ketika sumber listrik utama terjadi gangguan. UPS diperlukan sebagai benteng dari kegagalan daya serta kerusakan sistem dan perangkat keras akibat terputusnya daya tidak sesuai prosedur. Penggunaan UPS pada umumnya dipakai oleh penyedia jasa tele-komunikasi, jasa informasi, dan jasa internet. Dengan adanya UPS, memungkinkan akan memberi kesempatan waktu yang cukup untuk segera menghidupkan generator set sebagai pengganti listrik utama. Karena UPS hanya bersifat sementara dalam mensuplai daya dari battery.

Komponen utama dari UPS antara lain baterai, rectifier, dan inverter. Inverter yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah tipe inverter sumber arus dengan pengaturan modulator current space vector modulation (CSVM). Pada saat ini modulasi vektor ruang cenderung lebih disukai karena menawarkan berbagai kelebihan dibandingkan teknik modulasi lainnya yang membuat teknik ini

cukup populer pada masa kini, karena menyuplai harmonik yang lebih rendah dari modulasi lainnya yaitu salah satunya sinusoidal PWM.

Inverter sumber arus pada saat ini kurang populer dibanding dengan tipe inverter sumber tegangan, tetapi keuntungan yang ada pada CSI cukup besar yaitu tidak menginjeksi harmonisa arus, dan mengatur arus output dari inverter secara langsung. Hal inilah yang mendasari pemilihan teknik ini untuk implementasi kali ini.

II. INVERTER SUMBER ARUS dan CSVM

2.1 Inverter Tiga Fasa Sumber Arus

Tujuan utama dari konverter daya ini adalah menghasilkan bentuk gelombang keluaran arus AC untuk memasok beban tiga fasa dari sumber arus DC. Untuk menghasilkan sinyal bolak-balik AC, besarnya frekuensi, tegangan, dan fasa, maka harus dikontrol pada saklar-saklar inverternya. Kelebihan dari inverter ini adalah tahan terhadap hubung singkat saklar-saklar lengan fasanya, dan ketahanan konverter yang tinggi.

Komponen utama yang digunakan dalam proses pensaklaran adalah peralatan-peralatan semikonduktor yang mampu berfungsi sebagai saklar/pencacah arus masukan DC. Model semikonduktor yang digunakan dalam Tugas Akhir ini adalah IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) yang diseri dengan dioda, dengan tujuan agar tidak ada arus balik melewati IGBT.

Inverter tiga fasa sumber arus memiliki sembilan kemungkinan kondisi saklar [1],[2], Terdiri dari enam keadaan aktif vektor yang menghasilkan arus output pada kawat fasa dan tiga keadaan vektor nol yang menghasilkan nol arus fasa, karena arus dc link-nya melewati dua saklar dalam lengan inverter yang sama, seperti ditunjukkan pada Tabel 2.1.

Gambar 2.1 Rangkaian inverter tiga fasa sumber arus Arus yang mengalir dalam sistem inverter harus kontinyu dari sumber ke beban maka dua saklar harus selalu konduksi yaitu satu saklar bagian atas dan satu bagian bawah. Salah satu sifat inverter

sumber arus yang menguntungkan adalah terbatasnya arus keluaran sehingga hubung singkat dari peralatan saklar tidak menyebabkan persoalan yang serius

2.2 Current Space Vector Modulation (CSVM)

Untuk menurunkan hubungan antara space vector dengan keadaan saklar berdasarkan pengoperasian inverter pada Gambar dengan tiga fasa seimbang maka dapat diperoleh persamaan

+ + =0 (2.1) Dimana I0A, I0B, dan I0C adalah arus output inverter untuk fasa A, B, C. Untuk mengoperasikan sistem 3 fasa yang diwakili oleh sistem ABC dengan perbedaan 1200 tiap fasanya ke dalam modulasi ruang vektor, maka perlu mengkonversi ke sistem acuan

αβ atau transformasi clarke yang hanya memiliki dua parameter. Representasi dan operasi matematis vektor arus sistem tiga fasa (I0A, I0B, I0C) dan sistem Iα, Iβ ditunjukkan pada persamaan 2.3 dan 2.4 =1 − − 0 √ −√ (2.2) = −− (2.3) =√− (2.4)

Gambar 2.2 Diagram Konversi Sistem Acuan ABC ke αβ dan Arus Referensi

Current Space Vector Modulation (CSVM) atau modulasi vektor ruang arus dalam implementasi inverter sumber arus tiga kawat fasa seimbang dapat didefinisikan sebagai berikut:

= + ! ⁄ + #!/% (2.5) Jika gelombang sinus tiga fasa periodik, dan masing-masing fasa dari tiap fasa disampling secara teratur dan dimasukkan ke dalam IA, IB, dan IC pada persamaan 2.31, maka akan didapatkan vektor arus yang berputar 360o dengan magnitude dan periode sesuai gelombang sinus tersebut.

Keadaan pensaklaran pada inverter yaitu keadaan nol dan keadaan aktif dapat direpresentasikan oleh vektor aktif dan vektor nol. Diagram vektor ruang untuk inverter sumber arus ditunjukkan pada Gambar 2.3, dimana -_& sebagai vektor aktif dan sebagai vektor nol. 1 I 0

I

2

I

3

I

5

I

4

I

6

I

ref

I

Gambar 2.3 Space Vector untuk inverter sumber arus [1] Salah satu konsep dari modulasi vektor ruang adalah mendekati vektor yang bergerak melingkar, yaitu dengan memanfaatkan 9 vektor, dengan cara membuat resultan-resultan 2 vektor aktif dan 1 vektor nol terdekat sedemikian rupa sehingga menghasilkan vektor baru yang disebut vektor arus referensi ref .

Magnitudo arus referensi Iref dan sudut ' terhadap sumbu Iα dalam bidang αβ yaitu:

()*= ++ (2.6) ' = ,-./0

/1 (2.7)

Sudut ' yang diperoleh digunakan untuk menentukan lokasi vektor arus berada sesuai dengan Gambar 2.9. Sebagai contoh jika

' yang disampling menghasilkan sudut pada 400 _{maka lokasi} vektornya berada pada sektor 1.

Pada dasarnya space vector modulation adalah menghitung waktu penyaklaran untuk tiap saklar. Sebagai contoh acuan dengan meletakkan Iref pada sektor 1 yang dibentuk dari resultan vektor saat penyalaan inverter selama satu periode penyaklaran ts yaitu saat kondisi 223 selama t1, 2223 selama t2, dan 2223 selama t0, dapat direpresentasikan seperti Gambar 2.4 berikut:

2 2_I t t s 1 1 _I t t s

Gambar 2.4 Grafik pendekatan resultan vektor menggunakan 2 vektor terdekat pada sektor 1

Selama satu periode penyaklaran ts besarnya Iref di sektor 1 yaitu

= 45sin !_& ' 9 (2.9) 9 (2.10) Dimana ma = /_/:;<

=> ; indeks modulasi, tetapi pada penelitian kali

ini, pengaturan indeks modulasi langsung dari referensi yaitu Iref=ma. Persamaan ini untuk sektor I, tetapi dapat digunakan untuk sektor lainnya dengan cara mengganti θ menjadi θ’= θ-(k-1)π/3, maka t1, t2, dan t0 menjadi:

45sin!_& θ k 1A 9 (2.11) 45sin !_& θ k 1A 9 (2.12) 9 (2.13) Perhitungan waktu diatas digunakan sebagai waktu pada pensaklaran inverter yang mempunyai sarat minimum pada pensaklaran yaitu, pergantian keadaan pensaklaran hanya membutuhkan dua saklar, satu saklar on dan yang lainnya off, selain itu peralihan Iref dari satu sektor ke sektor lain, membutuhkan minimum pensaklaran. Penentuan saklar on dan off sesuai urutan vektor tiap sektor, misal pada sektor 1 maka vektor yang dinyalakan adalah 2223_&-223-2223-2223_&-223, seperti pada tabel berikut:

Tabel 2.1 Urutan switching Iref untuk sektor 1 [2] Keada an switch 3 3 3 3 3 S1 S2 S3 S4 S5 S6 t1 t2 t0 t1 t2 t0 Ts Ts

Gambar 2.5 Bentuk gelombang ideal CSI menggunakan modulasi vektor ruang. a) sinyal modulasi αβ, b) keadaan saklar S1, c) keadaan saklar S3, d) keluaran arus AC inverter [1]

Bentuk gelombang keluaran inverter sumber arus jika memakai modulasi vektor ruang seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5

2.3 Buck Converter

Buck converter adalah konverter DC-DC jenis penurun tegangan atau step down DC konverter. Converter ini mampu menghasilkan nilai tegangan output sama atau lebih kecil dari tegangan inputnya.

Gambar 2.6 Rangkaian Dasar Buck Converter

Terdapat dua mode saklar yaitu on dan off. Mode saklar on disebut juga mode charging, maka sesuai rangkaian ekuivalennya dapat diturunkan persamaan berikut:

BCD E_∆G∆C_HI BJ (2.14) Mode saklar off disebut juga mode discharging, berdasarkan rangkaian ekuivalennya dapat diturunkan persamaan:

BJ E_∆G∆C_H<< (2.15) Dari persamaan dan menghasilkan persamaan keluaran Buck converter yaitu:

BJ KBCD (2.16) Komponen yang paling penting dalam penentuan nilai keluaran Vo adalah nilai induktor, PWM generator sebagai penyulut saklar, dan kapasitor minimum sebagai filternya. Penentuan awal dalam perencanaan pembuatan Buck converter adalah nilai tegangan masukan, tegangan keluaran, resistor, duty cycle, dan frekuensi switching-nya, maka nilai, induktor dapat ditemukan dengan persamaan:

E BCD BJLG _NM_O P_/:QR S (2.17) III. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Pemodelan Sistem

Pada Tugas Akhir ini, software simulasi yang digunakan adalah PSIM 9.03. Dalam bab ini akan disimulasikan dan analisa dari sistem pengaturan tegangan pada inverter sumber arus dengan pengaturan current space vector modulation. Berikut adalah tahap-tahap yang dilakukan pada bab ini:

1. Pemodelan sistem pengaturan tegangan pada inverter sumber arus dengan pengaturan current space vector modulation, 2. Menganalisa dan mengevaluasi respon tegangan pada variasi

beban resistif, dan campuran yaitu resistif dan induktif, 3. Menganalisa dan mengevaluasi respon tegangan output akibat

perubahan beban, dan perubahan set poin. On

Gambar 3.1 Pemodelan inverter sumber arus

Gambar 3.2 Pemodelan current space vector modulator 3.2 Inverter dan Penyulutannya

Pada pengujian switching inverter S1 sampai S6 yang masing-masing menggunakan IGBT diseri dengan dioda, akan menghasilkan gelombang positif pada fasa A saat berada pada daerah sektor VI, I,II yaitu ketika saklar 1, 2, dan 6 berada pada kondisi “ON” sepenuhnya pada sektor tersebut. Sedangkan gelombang negatif dihasilkan saat berada pada sektor III, IV, dan V, yaitu ketika saklar 3,4,dan 5 6 berada pada kondisi “ON” sepenuhnya pada sektor tersebut. Jadi dalam satu sektor hanya ada satu saklar yang “ON” sepenuhnya. Maka dalam satu siklus 50 Hz terjadi dua gelombang yaitu positif dan negatif secara bergantian secara terus menerus.

3.3 Analisa Sistem Beban Induktif

Pada simulasi dipasang beban induktif yang terdiri dari komponen resistansi dan induktansi. Bagian yang diukur adalah tegangan output dengan arus input yang konstan, daya input dan output untuk mengetahui efisiensi sistem, total distorsi harmonik (THD) baik arus maupun tegangan.

Tabel 3.1 Data hasil pengujian beban cos φ 0.85 langging set point 1.79, arus input 100 A Beban 3 fasa (VA) Iin Buck VDC (inv) VLL (Volt) IL (A) Daya (Watt) VTHD (%) ITHD (%) 6000 21 54.96 395 9.42 5481.6 0.78 0.26 9000 31.65 81.3 392 14.46 8114.5 0.77 0.29 12000 42 106.8 389 18.6 10668 0.8 0.28 15000 51.7 131.6 387 23.1 13158 0.86 0.33 18000 61.5 156 384 27.52 15573 0.98 0.45 22500 75.6 191.2 380 33.08 19093 1.1 0.84 24000 80.2 202.6 379.5 35.24 20236 1.17 0.63 27000 89.4 225 377 40.47 22469 1.3 0.38

Data tabel 4.1 menunjukkan respon tegangan line-line output hubung Y mengalami drop tegangan jika beban terus bertambang secara signifikan, dan batas yang diizinkan sesuai standard IEEE adalah ±5% dengan batas bawah dari 380 VLL adalah 361 VLL dan batas atasnya adalah 399 VLL.

Gambar 3.3 Grafik respon total harmonik tegangan dan arus, Iin= 100A

Efisiensi input output sistem masih dalam batas normal yaitu lebih besar dari 80%, sedangkan total harmonic distortion tegangan dan arus adalah normal. Dimana standard IEEE 519-1992, THD maksimum untuk arus adalah 2.5% sedangkan THD tegangan maksimum adalah 5%. Respon THD terhadap perubahan beban dapat dilihat pada Gambar 4.4.

3.4 Analisa Sistem Akibat Perubahan Beban Secara Signifikan

Gambar 3.5 Respon tegangan output terhadap perubahan beban Simulasi dengan beban yang berubah dalam periode yang singkat, dengan kronologi dari beban penuh diturunkan secara signifikan dengan periode sekitar 0.1 detik lalu dinaikkan kembali.

Pada Gambar 4.5 menunjukkan respon tegangan akan naik jika beban diturunkan, tetapi masih dalam batas yang wajar yaitu tidak melebihi 5% dari tegangan normal. VL-N beban minimum adalah 228 VL-N, VL-N beban maksimum adalah 220 VL-N.

3.5 Analisa Sistem Dengan Perubahan Referensi Tabel 3.3 Data perubahan tegangan line to line

Set Point VLL (rms) ILL( rms) VTHD (%) ITHD (%) 1.7 358 32 1.14 1.53 1.71 361 32.3 1.1 1.34 1.72 365.8 32.8 1.17 1.58 1.73 368 33 1.2 1.4 1.74 370 33.1 1.14 0.92 1.75 372 33.37 1.127 1.18 1.76 374 33.53 1.3 0.81 1.77 376 33.74 1.24 1.12 1.78 378 33.96 1.13 1.56 1.79 378 34 1.11 1.11 1.8 382 34.3 1.12 0.81 1.81 385 34.5 1.1 1.47

Simulasi dengan beban 22.5 kVA cos φ: 0.85 langging dengan respon terhadap perubahan referensi set point. Dengan arus input 100A.

Dari hasil simulasi, perubahan set ipoint pada space vector berdampak signifikan terhadap perubahan tegangan rms line-line-nya. Pada arus output-nya terjadi kenaikan tetapi relatif lebih kecil sekitar 6 % kenaikan dari arus output minimum dan maksimumnya. Sedangkan untuk THD arus dan tegangannya berubah ubah, tetapi masih dalam nilai yang normal.

IV. KESIMPULAN

Dalam pembuatan Tugas Akhir ini yang berjudul “Desain dan Simulasi Inverter Tiga Fase Sumber Arus Menggunakan Metode Current Space Vector Modulation (CSVM) Untuk Aplikasi UPS” dengan melalui studi literatur, perancangan, analisa dan pengujian, maka dapat disimpulkan bahwa:

1. Inverter sumber arus membutuhkan sumber arus DC konstan, yang dihasilkan oleh buck konverter dengan pengaturan arus output yang konstan, 2. Inverter sumber arus DC yang konstan

menghasilkan keluaran arus AC yang berubah ubah dengan tegangan yang tetap pada perubahan jumlah beban,

3. Dalam pengukuran keluaran inverter tiga fasa dengan beban campuran yaitu induktif dan resistif, tegangan line to line rms berbanding lurus dengan set point-nya, dengan arus keluaran rms yang konstan,

4. Total harmonisa arus dan tegangan sudah sesuai dengan standard IEEE 519-1992.

V. DAFTAR PUSTAKA

[1] Muhammad H Rashid , “Power Electronics Handbook”, Academic Press, 2001

[2] Bin Wu, ”High-Power Converters and AC Drive ”, IEEE Press. 2006

[3] Vicenzo D. Colli, P. Canceliere, F. Marignetti, R. Di Stefano, ”Voltage Control of Current Source Inverters”, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 21, No. 2, June 2006

[4] Daniel N. Zmood, Donald G. Holmes, ”Improved Voltage Regulation for Current Source Inverter”, IEEE Transaction on Industy Applications, Vol. 37, No. 4, July/August 2001 [5] Fajar Sastrowijoyo, ”Implementasi Modulasi Vektor

Ruang Untuk Inverter Daya Besar Menggunakan Mikrokontroler 8-Bit Sederhana”, Proyek Akhir Institut Teknologi Bandung, 2009

[6] Zanu Rachmad W, ”Perancangan dan Implementasi

Direct Torque Control Pada Motor Induksi”, Tugas

Akhir Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuuh November, 2011

VI. RIWAYAT PENULIS

Haris Amrullah, dilahirkan di Kebumen-Jawa Tengah, pada 28 Mei 1987 dari pasangan dari Muniri dan Markhasanah sebagai anak pertama. Menyelesaikan studi di Program Diploma 3 Teknik Elektro Universitas Gadjah Mada pada tahun 2008, dengan Tugas Akhir berjudul ”Pembuatan Antena Omni Directional Untuk Koneksi Nirkabel 2.4 GHz”. Pada tahun 2007 penulis pernah menjadi Asisten Laboratorium Listrik Dasar di Program Diploma 3 Teknik Elektro UGM. Pada tahun 2009 melanjutkan studi di Institut Teknologi Sepuluh November Surabaya melalui program Lintas Jalur dan mendalami ilmu Sistem Tenaga Listrik. Penulis dapat dihubungi lewat amruharis@yahoo.co.id