Desain dan Simulasi Konverter Buck Sebagai Pengontrol Tegangan AC Satu Tingkat dengan Perbaikan Faktor Daya

(1)

Abstrak – AC-AC Buck Converter adalah perangkat yang digunakan untuk mengatur tegangan AC yang mana prinsip kerja dan topologinya menyerupai DC-DC Buck Converter. Konverter ini mempunyai dua buah saklar yaitu saklar bantu dan saklar utama. Kedua saklar tersebut bekerja secara bergantian dengan memanfaatkan sinyal PWM. AC-AC Buck Converter memiliki nilai power factor dan harmonisa arus input yang lebih baik dibandingkan dengan k onverter AC-AC konvensional tipe Phase Delay Control. Dari pengujian dan perbandingan yang telah dilakukan maka didapatkan hasil bahwa nilai THDi-input maksimum pada AC-AC Buck Converter hanya 6.38 % sedangkan untuk Phase Delay Control mencapai 50.9 %. Selain itu power factor Phase Delay Control mengalami penurunan mulai dari 0.9853 lagg hingga 0.1493 lagg. Sedangkan power factor untuk AC-AC Buck Converter cenderung stabil pada nilai 0.9028 lead hingga 0.9942 lead.

Kata kunci – AC-AC Buck Converter, Phase Delay Control, Harmonisa, Power Factor.

I. PENDAHULUAN

enggunaan

thyristor untuk konversi tegangan pada listrik arus bolak balik salah satunya dapat dilakukan dengan metode Phase Delay Control yaitu dengan menggunakan TRIAC atau thyristor yang dipasang secara dua arah yang saling berlawanan (bidirectional). Prinsip kerja dari metode ini adalah dengan menunda waktu penyalaan dari masing-masing thyristor. Semakin besar waktu tundanya maka semakin kecil tegangan output yang dihasilkan dan sebaliknya.

Setelah pengaturan waktu penyalaan thyristor atau TRIAC, bentuk gelombang arus input yang dihasilkan akan menjadi terpotong sebagian seperti pada gambar 1. Terpotongnya gelombang menyebabkan arus input tidak lagi berbentuk sinusoidal. Arus yang tidak sinusoidal menandakan adanya harmonisa. Semakin besar penundaan/delay maka akan semakin rendah nilai power factor nya dan semakin besar kandungan harmonisanya.

Gambar 1. Terpotongnya gelombang arus input akibat penundaan waktu penyalaan sebesar α

Untuk mengatasi permasalahan konversi listrik arus bolak balik dengan metode Phase Delay Control tersebut maka pada tugas akhir ini diusulkan perancangan suatu konverter yang dinamakan AC-AC Buck Converter. Konverter AC-AC yang diusukan ini akan dirancang agar mampu menjaga gelombang arus input untuk tetap berbentuk sinusoidal. Sehingga pada akhirnya AC-AC Buck Converter diharapkan dapat mengubah besaran listrik arus bolak balik dan sekaligus dapat menjaga nilai power factor sistem untuk tetap tinggi.

II. AC-AC BUCK CONVERTER

AC-AC Buck Converter mempunyai kemiripan topologi dengan konverter DC-DC tipe Buck. Perbedaannya terdapat pada tegangan input (Vin) dan saklar bantu (SS). Tegangan input (Vin) pada AC-AC Buck Converter berupa sumber tegangan AC sedangkan pada konverter DC-DC Buck tegangan input (Vin) berupa tegangan DC. Topologi AC-AC Buck Converter ditunjukkan pada gambar 2.

Selain itu konverter DC-DC Buck menggunakan dioda untuk melewatkan arus pengosongan induktor. Namun, pada AC-AC Buck Converter ini peran dioda akan digantikan oleh saklar bantu (SS) berupa MOSFET atau IGBT. Penggantian dioda menjadi MOSFET bertujuan agar arus AC tidak disearahkan saat melewatinya. Saklar bantu (SS) bekerja berlawanan dengan saklar utama (SM).

P

Desain dan Simulasi Konverter Buck Sebagai

Pengontrol Tegangan AC Satu Tingkat dengan

Perbaikan Faktor Daya

Dimas Setiyo Wibowo, Mochamad Ashari dan Heri Suryoatmojo

Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111

(2)

Gambar 2. Topologi AC-AC Buck Converter

Komponen lain yang ada pada AC-AC Buck Converter adalah terdapat filter L dan filter C. Kedua filter tersebut berguna untuk meredam efek switching pada arus input.

AC-AC Buck Converter mengadopsi cara kerja dari konverter DC-DC jenis Buck sehingga persamaan tegangan output (Vout) yang dihasilkan juga akan mirip dengan konverter DC-DC tersebut. Persamaan 1 [1] tegangan output rms (Vout rms) AC-AC Buck Converter adalah

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 𝑥𝑥 𝐷𝐷

(1) Dimana Vin adalah tegangan input dan D adalah duty cycle. Untuk PF input AC-AC Buck Converter dinyatakan dengan persamaan 2 [3].

PF =I input 1 rms_{I input rms} x Cos ∅1 (2) dimana I input1 rms adalah arus input fundamental, dan Ø1 adalah pergeseran sudut antara tegangan input dan arus input fundamental.

Pada Phase Delay Control arus yang mengalir pada sisi input sama dengan arus yang mengalir di sisi output sehingga PF Phase Delay Control dinyalatakan dengan persamaan 3 [4].

PF =_{VA in}Pout = Iout ².R_{Vin .Iin} = Iout .R_Vin (3)

A. PRINSIP KERJA

Prinsip kerja dari AC-AC Buck Converter dapat dibagi dalam empat siklus seperti terlihat pada gambar 3 sampai dengan gambar 6. Empat siklus tersebut adalah sebagai berikut,

1. Siklus positif sumber AC, SM ON dan SS OFF 2. Siklus positif sumber AC, SM OFF dan SS ON 3. Siklus negatif sumber AC, SM ON dan SS OFF 4. Siklus negatif sumber AC, SM OFF dan SS ON

Gambar 3. Siklus ke-1 AC-AC Buck Converter

Persamaan 4 [2] matematika siklus pertama ini adalah sebagai berikut

𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0

𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 (4)

Persamaan 5 [2] matematika siklus kedua ini adalah sebagai berikut

𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0

𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 (5)

Persamaan matematika siklus ketiga ini adalah sebagai berikut

𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉

Persamaan matematika siklus terakhir ini adalah sebagai berikut

𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 0 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉

(3)

Persamaan 4 [2], saat saklar utama SM ON dan saklar bantu SS OFF 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 + 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑉𝑉_{𝑑𝑑𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉} 𝑉𝑉_{∆𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉𝑉 − 𝑉𝑉𝑉𝑉}∆𝑉𝑉 𝑳𝑳 ∆𝒊𝒊 = (𝑽𝑽𝒊𝒊𝑽𝑽 − 𝑽𝑽𝑽𝑽) ∆𝒕𝒕𝑽𝑽𝑽𝑽 (6) Persamaan 5 [2] saat saklar utama SM OFF dan saklar bantu SS ON

𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉𝑑𝑑𝑉𝑉_{𝑑𝑑𝑉𝑉} 𝑉𝑉𝑉𝑉 = 𝑉𝑉_{∆𝑉𝑉 𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜}∆𝑉𝑉

Dengan memasukkan L ∆i pada persamaan 6 ke 5 maka akan didapatkan

𝑽𝑽𝑽𝑽 𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 = 𝑽𝑽𝒊𝒊𝑽𝑽 𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓𝒓 𝒙𝒙 𝑫𝑫

Jika empat siklus kerja dari AC-AC Buck Converter di atas direpresentasikan dalam bentuk gelombang dan timing diagram maka akan terlihat seperti gambar 7.

Gambar 7. Prinsip kerja AC-AC Buck Converter

Gambar 7 menjelaskan bahwa ketika PWM SM bernilai High dan PWM SS bernilai Low maka akan terjadi pengisian induktor L. Pengisian induktor L menyebabkan terbentuknya gelombang tegangan output (V–Output) yang naik hingga mencapai tegangan sumber (V–Input).

Sebaliknya, jika PWM saklar utama SM bernilai Low dan PWM saklar bantu SS bernilai High maka akan terjadi pengosongan induktor L. Pengosongan induktor L menyebabkan terbentuknya gelombang tegangan output (V–Output) yang turun lebih kecil dari tegangan sumber (V–Input). Dengan demikian akan terbentuk gelombang tegangan output yang sinusoidal yang didapatkan dari nilai rata-rata ketika naik dan turunnya gelombang pada saat proses proses pengisian dan pengosongan induktor L.

III. DESAIN DAN SIMULASI SISTEM

AC-AC Buck Converter mempunyai dua buah saklar yang bekerja saling berlawanan. Dua saklar tersebut dinamakan saklar utama (SM) dan saklar bantu (SS). Pada teorinya AC-AC Buck Converter disusun dari saklar bidirectional. Namun pada implementasinya saklar bidirectional tidaklah ada dalam dunia saklar semikonduktor.

Setidaknya ada 2 konfigurasi saklar yang dapat diterapkan pada AC-AC Buck Converter. Konfigurasi pertama adalah konfigurasi yang terdiri dari 2 buah MOSFET untuk mewakili satu buah saklar seperti terlihat pada gambar 8.

Gambar 8. Konfigurasi saklar dengan 2 MOSFET

Konfigurasi saklar yang kedua adalah konfigurasi yang terdiri dari 1 MOSFET dan 4 dioda untuk mewakili satu saklar seperti terlihat pada gambar 9.

Gambar 9. Konfigurasi saklar dengan 1 MOSFET 4 dioda Desain dilakukan untuk menentukan besarnya nilai komponen disesuaikan dengan tegangan yang akan diterapkan. Sebelum menentukan besarnya nilai komponen maka perlu di tetapkan terlebih dahulu parameter-parameter berikut ini :

Tabel 1. Parameter rangkaian AC-AC Buck Converter

Parameter Nilai

Tegangan Input 110 Vrms

Duty Cycle Min 10 %

Duty Cycle Max 100 %

Tegangan Output Min 11 Vrms Tegangan Output Max 110 Vrms

Beban 121 Ω

Arus Output Min 0.091 A

Arus Output Max 0.91 A

Frekuensi Switching 32.6 kHz Ripple Arus Induktor 10 % Ripple Tegangan Output 1 % Desain nilai Induktor L dan Filter L

(4)

Desain nilai Kapasitor C dan Filter C

C =_{8 . 𝑉𝑉 . 𝑜𝑜}(1 − 𝐷𝐷) . 𝑉𝑉𝑉𝑉₂_{. ∆𝑉𝑉𝑉𝑉 =}_{8 𝑥𝑥 3.3 𝑥𝑥 10}(1 − 0.9) 𝑥𝑥 99₋₃_{𝑥𝑥 1063 𝑥𝑥 10}₆_{𝑥𝑥 0.99} = 0.35 μF

Rangkaian simulasi dan implementasi masing-masing terlihat pada gambar 10 dan 11 di bawah

Gambar 10. Rangkaian simulasi AC-AC Buck Converter

Gambar 11. Desain implementasi sistem keseluruhan IV. PENGUJIAN DAN ANALISA SISTEM A. Pengujian Tegangan Output (Vout)

Pengujian tegangan output dilakukan untuk mengetahui tegangan yang dihasilkan dan membandingkan dengan perhitungan secara teori. Pengujian tegangan output dilakukan dengan nilai sudut penyalaan (α°) ataupun duty cycle (D) yang berbeda-beda pada masing-masing konverter yaitu Phase Delay Control dan AC-AC Buck Converter.

Tabel 2. Hasil pengujian Vout Phase Delay Control

α° Vout (V)

Teori Simulasi Implementasi

150 18.3 16.4 16.7

120 48.8 48.5 39.2

90 77.8 76.6 61.2

60 98.6 97.3 75.8

30 108.5 108.4 84.2

Untuk pengujian tegangan output simulasi Phase Delay Control mempunyai rata-rata error sebesar 2.68 % sedangkan untuk p engujian implementasi mempunyai rata-rata error sebesar 18.4 %.Hasil pengujian tegangan output simulasi dan implementasi Phase delay Control terlihat pada gambar 12 dan 13.

Gambar 12. Tegangan output simulasi Phase Delay Control dengan α = 120°

Gambar 13. Tegangan output implementasi Phase Delay Control dengan α = 120°

Untuk pengujian tegangan output simulasi AC-AC Buck Converter mempunyai rata-rata error sebesar 0.22 % dan pengujian implementasi mempunyai rata-rata error sebesar 21.1 %.

Tabel 3. Hasil pengujian Vout AC-AC Buck Converter

D Vout (V)

Teori Simulasi Implementasi

0.17 18.7 18.7 1.62

0.44 48.4 48.6 40.5

0.71 78.1 78.3 66.0

0.90 99.0 99.0 80.2

0.98 107.8 108.5 88.2 Hasil pengujian tegangan output simulasi dan implementasi pada AC-AC Buck Converter masing-masing terlihat pada gambar 14 dan 15.

(5)

turunnya nilai tegangan bukan disebabkan karena terpotongnya gelombang namun karena turunnya nilai amplitudo gelombang tegangan output. Dengan demikian maka gelombang tegangan output tetaplah berbentuk sinusoidal.

Gambar 14. Tegangan output simulasi AC-AC Buck Converter dengan duty cycle 0.44

Gambar 15. Tegangan output implementasi AC-AC Buck

Converter dengan duty cycle 0.44

B. Pengujian Total Harmonic Distortion arus input (THDi-in)

Pengujian THDi-in dilakukan untuk mengetahui kadar harmonisa yang terkandung pada arus input pada konverter Phase Delay Control maupun AC-AC Buck Converter. Pengujian yang akan dilakukan adalah pengujian simulasi dan implementasi pada tiap-tiap sudut penyalaan (α°) maupun duty cycle (D) yang berbeda.

Gambar 16. Pengujian THDi-in Phase Delay Control dengan α=120°

THDi-in pada Phase Delay Control seperti pada gambar 16 akan semakin meningkat dengan semakin lebarnya sudut penyalaan (α). Nilai THDi-in pada pengujian simulasi berkisar pada nilai 9.04% hingga 50.9%, sedangkan pada pengujian implementasi nilai THDi-in berkisar antara 15.5% hingga 147%.

THDi-in pada AC-AC Buck Converter akan semakin meningkat dengan semakin kecilnya duty cycle (D). Pada pengujian simulasi THDi-in terendah adalah 5.57% dan THDi-in tertinggi adalah 6.38%. Sedangkan pada pengujian implementasi THDi-in cenderung naik turun pada kisaran nilai 7.14% hingga 27.6%. Gambar pengujian THDi-in implementasi untuk AC-AC Buck Conveter terlihat pada gambar 17.

Gambar 17. Pengujian THDi-in AC-AC Buck Converter dengan D=0.44

Dari kurva pada gambar 18 dapat dianalisa bahwa dengan nilai duty cycle (D) yang sebanding dengan sudut penyalaan (α°) yang sama maka THDi-in untuk AC-AC Buck Converter lebih rendah dibanding dengan Phase Delay Control baik pada pengujian simulasi maupun implementasinya.

Gambar 18. Kurva perbandingan THDi-in antara Phase Delay

Control dengan AC-AC Buck Converter

C. Pengujian Power Factor (PF)

Pengujian PF dilakukan untuk mengetahui seberapa besar keefektifan penggunaan daya aktif (P) untuk konverter Phase Delay Control maupun AC-AC Buck Converter.

Pengujian pada Phase Delay Control dilakukan untuk mendapatkan nilai arus input rms (Iinput rms).

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.17 150° 140°0.26 130°0.35 120°0.44 110°0.53 100°0.62 0.71 90° 0.84 70° 0.90 60° 0.98 30° THDi -in (%)

(6)

Setelah didapatkan nilai arus input rms maka nilai PF dapat dihitung secara manual menggunakan persamaan 3 [4].

Tabel 4. Iinput rms dan PF Phase Delay Control α

(°) Simulasi Implementasi Iinput rms (A) PF Phase Delay Control Simulasi Implementasi 150 0.1357 0.1731 0.1493 lag 0.1904 lag 120 0.4007 0.3278 0.4408 lag 0.3606 lag 90 0.6331 0.5164 0.6964 lag 0.5680 lag 60 0.8043 0.6419 0.8847 lag 0.7061 lag 30 0.8957 0.7047 0.9853 lag 0.7752 lag Adapun pada AC-AC Buck Converter pengujian dilakukan untuk mendapatkan nilai arus input rms (I input rms), arus input fundamental rms (I input 1 r ms) dan pergeseran sudut antara arus input fundamental dengan tegangan input (Ø1) kemudian nilai PF dapat dihitung secara manual menggunakan persamaan 2 [3].

Tabel 5. Iin rms, Iin1 rms dan Ø1 AC-AC Buck Converter

D Iin rms Simulasi Implementasi

(A) Iin1 rms (A) Ø1 (°) Iin rms (A) Iin1 rms (A) Ø1 (°) 0.17 0.0304 0.0300 23.81 0.2214 0.2132 -10.87 0.44 0.1790 0.1779 4.096 0.9061 0.9002 1.079 0.71 0.4622 0.4595 1.485 1.4550 1.4500 0.000 0.90 0.7355 0.7314 0.777 1.0170 1.0050 - 2.877 0.98 0.8857 0.8806 0.532 0.7879 0.7669 - 8.623

Tabel 6. PF AC-AC Buck Converter

Gambar 19. Kurva perbandingan power factor (PF) simulasi dan implementasi antara Phase Delay Control dan AC-AC Buck

Converter

Dari kurva pada gambar 19 jelas terlihat bahwa nilai power factor (PF) untuk AC-AC Buck Converter pada duty cycle (D) 0.17 hingga 0.98 cenderung stabil sedangkan power factor (PF) untuk Phase Delay Control mengalami penurunan seiring dengan naiknya sudut penyalaan (α°).

V. KESIMPULAN

1. Konfigurasi rangkaian AC-AC Buck Converter mengadopsi rangkaian DC-DC Buck Converter sehingga persamaan tegangan output untuk AC-AC Buck Converter sama dengan DC-DC Buck Converter. 2. Total Harmonic Distortion arus input (THDi-in) untuk

AC-AC Buck Converter lebih rendah dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control.

3. Pada pengujian simulasi, maksimum THDi-in pada AC-AC Buck Converter sebesar 6.38 % dan pada Phase Delay Control mencapai 50.9 %.

4. Pada pengujian implementasi, maksimum THDi-in pada AC-AC Buck Converter sebesar 27.6 % dan pada Phase Delay Control mencapai 147 %.

5. Power Factor (PF) untuk AC-AC Buck Converter lebih tinggi dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control.

6. Pada pengujian simulasi, minimum power factor pada AC-AC Buck Converter sebesar 0.9028 lead dan pada Phase Delay Control mencapai 0.1493 lagg.

7. Pada pengujian implementasi, minimum power factor pada AC-AC Buck Converter sebesar 0.9192 lead dan pada Phase Delay Control mencapai 0.1904 lagg. 8. Ditinjau dari segi THDi-in dan power factor maka

AC-AC Buck Converter lebih unggul dibandingkan dengan AC-AC tipe Phase Delay Control.

DAFTAR PUSTAKA

[1] .F. L. Lou, Hong Ye, “Research on DC-Modulated Power Factor Correction AC/AC Converters, ”Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society (IECON), Taiwan, November, 2007

[2] ..Ashari, M., “Sistem Konverter DC Desain Rangkaian Elektronika Daya”, ITS Press, Surabaya, Bab. 6, 2012 [3] ..Ashari, M. “Power Semiconductor and Power Concept”

[Power Point Slides]. Retrieved from lecture slide in Department Of Electrical Engineering Sepuluh Nopember Institute Of Technology Surabaya

[4]...Rashid, M. H, “Power Electronics Handbook”,

Academic Press, Pensacola, Florida, Ch.13, 16 and 18, 2001

BIODATA PENULIS

Dimas Setiyo Wibowo, telah menempuh pendidikan D3 pada Jurusan Teknik Elektro Industri PENS-ITS pada tahun 2008-2011. Kemudian Penulis melanjutkan pendidikan sarjana pada Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Sistem Tenaga, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya pada tahun 2012-2014. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.17 150° 140°0.26 130°0.35 120°0.44 110°0.53 100°0.62 0.71 90° 0.84 70° 0.90 60° 0.98 30° Po w er fa ct or

Duty Cycle (D) ≈ Sudut Penyalaan (α°)

Phase Delay Simulasi AC-AC Buck Simulasi Phase Delay Implementasi AC-AC Buck Implementasi D PF AC-AC Buck Converter