konverter PWM DC-AC

Analisis Kontrol Converter PWM DC/AC pada Software MATLAB

FIKON YANUARIE

G1D007010

Abstarct

This study describes the PWM converter, the author gives a title; analysis of PWM converters DC / AC in Matlab 7.0.1. In this analysis conducted with the help of simulations using Simulink In the analysis of PWM control DC / AC, is one method of altering the source DC into AC source. From the simulation is run, then known to the simulation of the circuit is the field current, and voltage output of the inverter. In this analysis can be seen if we enter the source of DC voltage of 200 V will be out AC voltage of 160 V, and if set to a specific DC voltage source will produce 220 V AC output that can be used in household electrical appliances, but here the authors restrict analysis, the authors only analyze 200 V DC input, and can later be developed by the reader.

Keywords : converter, PWM method, PI control.

1. PENDAHULUAN

Kemajuan teknologi elektronika daya dan mokroeloktronika membuat penggunaan konverter semakin banyak dan luas. Dalam banyak penerapan, tegangan atau arus keluaran yang terkendali sangat diperlukan.

Tegangan keluaran konverter sangan dipengaruhi oleh gangguan yang berasal dari flukstuasi sumber masukan (input) dan beban konverter. Penelitian tentang penangan gangguan dari input dan beban konstan telah banyak dilakukan, namun untuk beban yang bersifat fluktuatif metode penanganan secara sederhana masih belum dilakukan.

Banyak dijumpai aplikasi yang mempunyai beban fluktuatif, beberapa contohnya adalah motor dalam sistem konveyet, sistem traksi dan penggerak lengan robot pada sistem otomatisasi. Besar beban pada konveyer ditentukan oleh jumlah barang yang diangkutnya, oleh karena itu besarnya berubah-ubah setiap saat. Perubahan arus beban pada motor traksi ditentukan oleh kondisi jalan yang dilaluinya atau ditentukan oleh operator. Pada sistem otomatisasi proses dalam industri banyak digunakan robot dalam membantu pekerjaan.

Pada beberapa jenis aplikasi, untuk menghasilkan algoritma kendali yang maksimal diperlukan pengukuran seluruh besaran sistem. Padahal tidak semua konverter dilengkapi oleh semua sensor yang sama banyaknya dengan besaran yang ada. Untuk itu perlu proses estimasi besaran yang tidak diketahui berdasarkan besaran yang diketahui.

Pengaruh gangguan pada konverter dapat dieliminasi malaui filter dan teknik kendali. Penggunaan filter mempunyai kelemahan karena membutuhkan dimensi ruang yang besar danbiaya yang tinggi. Sehingga eliminasi pengaruh gangguan melalui teknik kendali menjadi alternatif yang utama.

Untuk menghasilkan konverter denga kualitas yang baik yaitu tegngan keluarannya terkendali dan kokoh terhadap gangguan maka dikembangkan berbagai metode kendali. Untuk mempermudah pembahasan maka diambil konverter PWM dc/ac, walaupun teknik kendali yang diusulkan dapat diterapkan pada konverter jenis lain. Dengan metode tersebut gangguan yang berasal dari masukan (input) dapat ditanggulangi.

2. DASAR TEORI

Pembahasan kali ini adalah tentang Inverter, yaitu rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengkonversikan tegangan searah (DC) ke suatu tegangan bolak-balik (AC). Ada beberapa topologi inverter yang ada sekarang ini, dari yang hanya menghasilkan tegangan keluaran kotak bolak-balik (push-pull inverter) sampai yang sudah bisa menghasilkan tegangan sinus murni (tanpa harmonisa). Inverter satu fasa, tiga fasa sampai dengan multifasa dan ada juga yang namanya inverter multilevel (kapasitor split, diode clamped dan susunan kaskade).

Suatu rangkaian terdiri dari susunan saklar-saklar daya yang kerjanya tergantung dari cara/urutan (timing) disebut sebagai konverter daya atau disederhanakan dalam bahasa indonesia sebagai konverter. Dalam pengertian yang lebih umum konverter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengubah besaran listrik dari bentuk satu kebentuk yang lainnya sesuai acuannya.

Ada beberapa cara teknik kendali yang digunakan agar inverter mampu menghasilkan sinyal sinusoidal, yang paling sederhana adalah dengan cara mengatur keterlambatan sudut penyalaan inverter di tiap lengannya.

Gambar 2.1 sinyal sinusoidal

Cara yang paling umum digunakan adalah dengan modulasi lebar pulsa (PWM). Sinyal kontrol penyaklaran di dapat dengan cara membandingkan sinyal referensi (sinusoidal) dengan sinyal carrier (digunakan sinyal segitiga). Dengan cara ini frekuensi dan tegangan fundamental mempunyai frekuensi yang sama dengan sinyal referensi sinusoidal.

Konverter DC/AC Full-bridge Inverter adalah salah satu jenis konverter yang cukup sederhana. Bentuk gelombang keluarannya adalah deretan pulsa yang dibangkitkan melalui teknik modulasi lebar pulsa (PWM), sehingga keluaran tegangan rata-rata sesuai dengan yang diinginkan. Sumber tegangan masukan konverter umumnya berupa hasil penyearahan menggunakan dioda penyearah jembatan yang keluarannya ditapis oleh kapasitor. Pada sisi keluaran konverter tersebut digunakan filter LC untuk mereduksi riak tegangan yang dirasakan beban.

Untuk menghasilkan tegangan keluaran yang bisa diatur, chopper dapat dikendalikan dengan teknik modulasi lebar pulsa (PWM). Teknik PWM juga dapat mengurangi harmonisasi orde rendah digelombang keluaran chopper. Teknik PWM ini diimplementasikan seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini yaitu sustu gelombang refrensi dibandingkan dengan gelombang pembawa. Jika nilai sesaat gelombang refrensi lebih besar dari gelombang pembawa maka saklar akan menutup (T_on) dan sebaliknya saklar akan menutup (T_off).

Gambar 2.2 Teknik PWM

Dari gambar diatas , hubungan antara tegangan rata-rata pada dioda dengan tegangan masukan adalah :

(2.1)

Melalui perbandingan dalam sebuah segitiga diperoleh :

(2.2)

Dimana :

E = Tegangan sumber

= Periode penyaklaran

= faktor kerja saklar

Dari persamaan (2.2) diatas menunjukkan bahwa nilai rata-rata tegangan dapat diatue dengan mengatur rasio antara waktu nyala terhadap periode penyaklaran, atau mengatur kerja saklarnya.

Berdasarkan teknik modulasi lebar pulsa nilai rata-rata tegangan dioda (V_D) proporsional dengan nilai sesaat gelombang referensi, sehingga dengan meningkatnya nilai sesaat gelombang referensi, tegangan keluaran akan meningkat dan bila menurun tegangan keluaran juga akan menurun. Jadi pengatur teknik PWM dilakukan agar tegangan keluaran chopper tetap berada pada suatu level tegangan yang diinginkan (tegangan refrensi).

3. PERANCANGAN SISTEM

Untuk menghasilkan kualitas keluaran konverter yang baik yaitu tegangan keluaran terkendali dan kokoh terhadap gangguan maka dikembangkan berbagai metode dalam teknik kendali. Metode umpan balik dilakukan untuk mengendalikan tegangan dan arus. Jenis kendali proporsional integral (PI) umum digunakan untuk menghasilkan keluaran yang konstan dan error stedy-state mendekati nol.

Keluaran pengendali PI adalah suatu sinyal refrensi. Jika sinyal error positif maka sinyal refrensi akan naik, sedangkan jika negatif sinyal refrensi akan menurun, yang kemudian dibandingkan dengan pembawa untuk menghasilkan sinyal modulasi lebar pulsa.

Gambar 3.1 Rangkaian konverter PWM.

Dapat ditentukan persamaan dalam bentuk tegangan dan arus. Dengan menggunakan hukum kirchoff arus dan tegangan, akan diperoleh dua persamaan sebagai berikut :

Diperoleh bentuk dari transformasi laplace persamaan 3.1 :

Dan dari persamaan 3.2 :

Fungsi alih proporsional integral (PI) yang dugunakan untuk pengendali tegangan adalah:

4. EVALUASI

Di sinilah peran program MATLAB 7.0.1, yaitu sebuah sistem software yang digunakan dalam berbagai hal yang berhubungan dengan perhitungan, visualisasi, maupun pemrograman. Dalam software ini tersedia juga Simulink yang menyediakan aplikasi dari analisis maupun perencanaan secara komputerisasi. Berkaitan dengan simulasi analisis konverter PWM DC/AC, MATLAB 7.0.1 inilah salah satu software yang dapat kita gunakan untuk melakukan analisis tersebut. Dengan tegangan masukan DC 200V dan menghasilkan tegangan keluaran AC 160V.

Gambar 4.1 Rangkaian simulasi analisis kontrol konverter PWM DC/AC.

Gambar 4.2 Blok parameter Universal Bridge 2 arms 1 (konverter PWM).

Pembahasan tulisan ini dibatasi pada penggunaan simulink pada Matlab sebagai alat pencarian data dan optimasi yang didasari oleh mekanika alamiah untuk menghasilkan nilai optimal suatu nilai atau sistem serta pengaruh perubahan parameter yang digunakan terhadap konverter PWM DC/AC mulai start hingga berhenti. Penggunaan parameter lain hanyalah sebagai pembanding dan tidak akan dibahas secara mendalam. Program dan simulasi menggunakan bahasa komputasi Matlab sebagai bahasa komputasi teknis.

Implementasi pada Simulink Program Matlab

Sistem ini dapat pula mengamati apakah simulasi akan berjalan dengan baik atau tidak sehingga pengoperasian dapat dilakukan dengan optimal untuk mendapatkan hasil yang maksimal. Simulasi program diatas berjalan atas parameter-parameter yang akan dimasukkan dengan melakukan double klik atau klik kanan pilih mask parameter pada blok konverter PWM. Adapun parameter-parameter masukkan dapat dilihat seperti gambar 4.1.

Gambar 4.2 I load

Hasil simulasi untuk gambar 4.2 diatas, ini adalah gelombang I load yang terukur oleh current measurement dengan puncak gelombang arus yang mendekati pungak atas 96 A dan untuk puncak bawah -74 A, dan jika kita perbesar pada puncak gelombang akan terdapat riak yang hampir tidak nampak, riak ini disebabkan perbedaan antara arus pada koluaran dengan dengan tahanan yang terdapat di ujung rangkaian ( sebelum keluaran ). Riak ini tidak terlalu berarti karena gelombang riak ini tidak terlalu mengganggu frekuensi pada keluaran arus AC yang dihasilkan oleh rangkaian ini.

Untuk bentuk gelombang nya menurun, ini di set selama 0.1 detik. Jika kita set di 1 detik maka akan terlihat gelombang akan steady-state di nilai 74 A.

Gambar 4.3 V inverter

Hasil simulasi tegangan output diperlihatkan pada gambar 4.3, gelombang keluaran yang telihat berkisar antara 160 V, karena gelombang ini terdapat over hingga mencapai 200V seperti nilai masukan pada rangkaian. Jika diset hingga 1 detik maka gelombang ini membentuk gelombang sinusoidal seperti keluaran sebenarnya yaitu tegangan AC.

5. KESIMPULAN

Untuk kesimpulan yang didapat dari analisis konverter PWM DC/AC ini adalah :

a. Ada beberapa cara teknik kendali yang digunakan agar inverter mampu menghasilkan sinyal sinusoidal, yang paling sederhana adalah dengan cara mengatur keterlambatan sudut penyalaan inverter di tiap lengannya.

b. Cara yang paling umum digunakan adalah dengan modulasi lebar pulsa (PWM). Sinyal kontrol penyaklaran di dapat dengan cara membandingkan sinyal referensi (sinusoidal) dengan sinyal carrier (digunakan sinyal segitiga). Dengan cara ini frekuensi dan tegangan fundamental mempunyai frekuensi yang sama dengan sinyal referensi sinusoidal.

c. Untuk nilai masukan tegangan DC 200 V akan didapat keluaran tegangan 160 V, dan arus keluaran rat-rata sekitar 96 A.

6. DAFTAR PUSTAKA

Muhammad, Harunur rashid, Power Electronic, Circuit, Devices and Aplication (New York:Prantice hall, 1996), hal 226.

Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elaktronika Daya, Jakarta. Gramedia Pustaka Utama, 1998, hal 220.

***Maaf, untuk hasil simulasi sengaja tidak diterbitka, harap hubungi ficonyanuarie@gmail.com jika memerlukan.