PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 2

DESAIN INVERTER SATU FASE UNTUK PERBAIKAN KUALITAS TEGANGAN LISTRIK BERBASIS DDS

Turahyo1), F. Danang Wijaya2), Eka Firmansyah3)

1,2,3Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi

Universitas Gadjah Mada Jl. Grafika No.2, Yogyakarta, 55281

turahyoahyo@gmail.com

Abstract

Fluctuations in electrical voltage briefly due to increased loads or sudden load reduction is a disorder that is regarded as a serious problem in the electrical equipment, therefore required an apparatus that can reduce the electrical interference. Single-phase inverter is a device that can be utilized to improve the quality of voltage in consumer households. This paper discusses modeling one phase inverters mounted in series with the load. Single-phase inverter is used as a stabilizer control voltage input from PLN with output voltage that is more stable on the burden of household consumers. PLN lowered input voltage of the transformer and then rectified through the diode bridge and the DC output trim capacitor is used as the main power supply to the inverter. Direct digital synthesis (DDS) method is used as a way to generate the PWM pulse in one phase while the inverter IGBT semiconductors and transformator are used as the power amplifier on the inverter. The output voltage of the inverter control is done by adjusting the amount of direct digital synthesis modulation index in the generation of PWM pulses so that the resulting quality of the output voltage is more stable. The simulation results showed that the PWM signal can control the switching of both the H bridge inverter.

Keywords: Kualitas Tegangan, Inverter Satu Fase, Digital Direct Synthesis, PWM, IGBT

Abstrak

Fluktuasi tegangan listrik secara singkat karena bertambahnya beban atau berkurangnya beban secara mendadak merupakan gangguan yang dianggap sebagai permasalahan serius pada peralatan listrik, oleh sebab itu diperlukan suatu peralatan yang mampu meredam gangguan listrik tersebut. Inverter satu fase merupakan salah satu perangkat yang dapat digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan pada konsumen rumah tangga. Dalam paper ini membahas tentang pemodelan inverter satu fase yang dipasang secara seri dengan beban. Inverter satu fase digunakan sebagai penstabil tegangan masukan dari PLN dengan keluaran tegangan listrik yang lebih stabil pada beban konsumen rumah tangga. Tegangan masukan dari PLN diturunkan melalui transformator kemudian disearahkan dengan dioda bridge dan dengan kapasitor keluaran DC diratakan yang kemudian digunakan sebagai power supply utama pada inverter. Metode digital direct synthesis (DDS) digunakan sebagai cara untuk membangkitkan pulsa PWM pada inverter satu fase sedangkan semikonduktor IGBT dan transformator digunakan sebagai penguat daya pada inverter. Kontrol keluaran tegangan pada inverter dilakukan dengan mengatur besaran indeks modulasi digital direct synthesis pada pembangkitan pulsa PWM sehingga dihasilkan kualitas tegangan keluaran yang lebih stabil. Hasil simulasi menunjukan bahwa sinyal PWM dapat mengendalikan dengan baik pensaklaran pada H bridge inverter.

Kata Kunci: Kualitas Tegangan, Inverter Satu Fase, Digital Direct Synthesis, PWM, IGBT

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 3

PENDAHULUAN

Voltage sag dan voltage swell merupakan salah satu topik penelitian yang sangat

penting dalam area distribusi tenaga listrik. Menurunnya tegangan listrik secara singkat

karena bertambahnya beban adalah merupakan definisi dari voltage sag, sedangkan

bertambahnya tegangan secara singkat yang dihasilkan dari perubahan penurunan beban

secara mendadak disebut sebagai voltage swell ( Liu & Wang, 2012). Berdasarkan IEEE

, Voltage sag didefinisikan sebagai penurunan tegangan AC antara 10-90 % dalam rms

pada frekuensi listrik dalam durasi 0.5 siklus dalam satu menit (IEEE, 1995). Voltage sag

pada umumnya menyebabkan beban lebih sehingga seringkali membuat peralatan listrik

mengalami gangguan berupa system faults. Efek lain yang ditimbulkan oleh voltage sag

adalah menurunnya faktor daya listrik pada sisi konsumen (Antonov & Natalinus, 2013).

Sharanya & Basavaraja, (2012), Rajakumar. P, Saravanakumar & Thirumalaivasan

(2014), dan Paliwal & Verma, (2014) melakukan studi untuk memperbaiki kualitas

tegangan.Teknik yang digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik

diantaranya dengan menggunakan kompensasi tegangan seri dengan AC chopper yang

biasa disebut dynamic voltage restorer (DVR). Dalam teknik kompensasi seri ini

tegangan listrik yang digunakan untuk memperbaiki kualitas tegangan diinjeksikan ke

beban dengan menggunakan transformator.

Perkembangan semikonduktor yang sangat pesat mempengaruhi perkembangan

penggunaan piranti elektronika ke dalam sistem tenaga listrik. Pengendalian listrik

menggunakan piranti semikonduktor semakin mudah untuk dilakukan tak terkecuali pada

inverter. Peralatan ini mampu mengubah bentuk tegangan DC menjadi bentuk tegangan

AC melalui sistem pensaklaran tertentu. Pada penelitian ini sistem pensaklaran yang

digunakan adalah menggunakan sistem sinusoidal pulse width modulation (SPWM).

Implementsi pembangkitan pulsa SPWM dilakukan dengan mengadopsi teknik direct

digital synthesis (DDS) yang dilakukan pada mikrokontroller.

Desain inverter satu fase ini dirancang untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik

pada sisi konsumen sehingga peralatan listrik terhindar dari system faults yang

diakibatkan oleh voltage sag dan voltage swell.

STRUKTUR DASAR DYNAMIC VOLTAGE RESTORER

Dynamic voltage restore (DVR) merupakan salah solusi yang digunakan untuk

mengatasi voltage sag pada sebuah system (Tiwari & Gupta, 2010). Struktur dasar dari

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 4

DVR ditunjukan pada gambar 1. DVR terbagi menjadi 6 bagian yaitu : (i) Energy Storage

Unit, (ii) Capasitor, (iii) Inverter, (iv) Pasif filter, (v) By-Pass Switch, dan (vi) Voltage

Injection Transformers. Tegangan yang dihasilkan DVR adalah sesuai dengan kebutuhan

sistem sedangkan frekuensinya sebesar 50 Hz pada terminal beban.

Gambar 1. Struktur dasar dynamic voltage restorer Sumber: Dynamic Voltage Restorer Based on Load Condition, 2010

ARSITEKTUR INVERTER SATU FASE

Inverter satu fase sebagai piranti untuk memperbaiki kualitas tegangan ini dipasang

secara seri dengan beban. Desain sistem ini terdiri dari desain hardware dan desain

software. Dalam desain hardware terdiri dari power supply sebagai penyedia tegangan

DC yang digunakan untuk menggerakan sistem, mikrokontroller yang berfungsi

membangkitkan sinyal SPWM dan mengendalikan tegangan keluaran dari inverter,

sedangkan untuk memonitor proses kerja dari sistem digunakan LCD display, full bridge

inverter menjadi penguat daya sistem, untuk menghindari agar mikrokontroller tidak

terbebani oleh sistem full bridge inverter driver digunakan sebagai penyangganya.

Transformator penaik tegangan digunakan untuk menaikan tegangan dari tegangan

rendah pada sisi primer transformator ke tegangan yang lebih tinggi pada sisi sekunder

transformator. Dalam sistem ini tegangan keluaran inverter di pantau melalui sensor

tegangan sebagai umpan balik ke mikrokontroller. Arsitektur inverter satu fase ditunjukan

pada gambar 2.

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 5

Gambar 2. Arsitektur inverter satu fase.

Teknik DDS digunakan dalam desain Software . Teknik ini digunakan untuk

pembangkit pulsa SPWM pada inverter. Dalam teknik DDS meliputi proses untuk

membangkitkan pulsa gelombang segitiga sebagai gelombang pembawanya dan pulsa

gelombang sinusoida sebagai gelombang pemodulasi yang kemudian di bandingkan

dalam komparator untuk menghasilkan pulsa PWM yang digunakan untuk pensaklaran

pada full bridge inverter.

DESAIN HARDWARE

Desain hardware pada sistem ini mencakup desain blok power supply, LCD display,

full bridge inverter, mikrokontroller, driver.

A. POWER SUPPLY

Tegangan listrik jala-jala dari PLN diturunkan menjadi dua bagian yaitu 24 volt dan

15 volt AC. Dengan menggunakan dioda bridge kedua tegangan AC disearahkan menjadi

tegangan DC kemudian diratakan menggunakan kapasitor. Tegangan DC 24 volt

digunakan sebagai power supply untuk full bridge inverter sedangkan tegangan 15 volt

DC diturunkan menjadi dua bagian yaitu tegangan 12 volt dan 5 volt DC. Tegangan 12

volt DC digunakan untuk mengerakan sistem driver full bridge inverter sedangkan

mikrokontroller digerakkan menggunakan tegangan 5 volt DC.

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 6

B. LCD Display

Dalam desain sistem ini menggunakan LCD display 16x2 dimana terdiri dari 16

karakter dalam satu baris dan 2 kolom. 4 buah bus LCD display 16x2 digunakan untuk

komunikasi secara pararel yang terhubung dengan mikrokontroller. LCD display ini

digunakan sebagai human machine interface (HMI) pada sistem. Tegangan masukan dan

tegangan keluaran dimonitor secara real time.

C. FULL BRIDGE INVERTER

Teknik pensaklaran inverter yang sering digunakan adalah teknik pensaklaran full

bridge inverter atau yang lebih dikenal dengan H bridge bipolar (Tajudin, 2010). Dalam

pensaklaran H bridge bipolar pasangan switch S1, S4 dan S2, S3 bekerja secara bersama-

sama. Teknik pensaklaran H bridge bipolar ini dipilih karena mempunyai efisiensi

hampir 98 % dengan total harmonik distortion (THD) yang baik serta penyerapan

konsumsi daya yang lebih kecil (Variath, Andersen, Nielsen & Hyldgard, 2010). H bridge

inverter ditunjukan pada gambar 3. Frekuensi yang digunakan dalam desain inverter ini

adalah 50 Hz sehingga dalam 20 ms terdapat 50 pulsa pensaklaran seperti yang ditunjukan

dalam gambar 4 (Sidik, 2013). Tranformator penaik tegangan digunakan untuk menaikan

tegangan dari 24 volt ke 220 volt AC sedangkan untuk memfilter tegangan keluaran dari

sistem digunakan kapasitor dan induktor .

Gambar 3. H bridge inverter.

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 7

Gambar 4. Pulsa pensaklaran dalam satu periode.

D. MIKROKONTROLLER

Mikrokontroller dsPIC30F4011 digunakan dalam desain sistem ini untuk

mengendalikan tegangan keluaran dari sistem dan membangkitkan sinyal SPWM sebagai

pulsa pensaklaran pada H bridge inverter satu fase. Mikrokontroller ini mempunyai

output PWM sebanyak 3 pasang akan tetapi yang digunakan dalam sistem ini hanya 2

pasang saja karena dalam sistem ini pensaklaran menggunakan H bridge inverter hanya

membutuhkan 4 buah saklar yaitu S1, S2, S3, S4. Rangkaian mikrokontroller

dsPIC30F4011 dapat di tunjukan pada gambar 5.

E. DRIVER

Dalam desain sistem ini IC driver yang digunakan adalah IR2110 yang mempunyai

2 pin input dan 2 pin output sehingga dalam desain ini membutuhkan 2 buah IC driver

IR2110. Pra-kondisi input pensaklaran H bridge inverter dilakukan juga dalam rangkaian

driver ini . Pra- kondisi dibutuhkan oleh sistem H bridge inverter untuk mencegah saat

kondisi on pertama kali tidak terjadi kondisi on yang bersamaan pada saklar S1, S2, S3,

S4 sehingga IGBT terhindar dari kerusakan akibat hubung singkat. Driver H bridge

inverter ditunjukkan pada gambar 6.

Gambar 5. Rangkaian mikrokontroller dsPIC30F4011

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 8

Gambar 6. Driver H bridge inverter

DESAIN SOFTWARE

Teknologi DDS adalah teknologi generasi ke tiga setelah teknologi direct frequency

synthesis dan phase-locked frequency synthesizer (Larson, 1998). DDS merupakan teknik

yang menggunakan block prosesing data digital untuk membangkitkan sinyal keluaran

yang berupa frekuensi dan fase yang dapat ditunning (Analog Devices, 1999). Setiap time

addressing pada phase ROM register, ROM akan mengeluarkan sinyal berbentuk binary

code yang sesuai dengan nilai fase dan amplitudo. Phase to amplitude look-up table

menghasilkan data yang diperlukan dengan cara pembacaan secara maju kemudian

kembali lagi ke look-up table (Analog Devices, 1999) dan (Jouko, 2000). Diagram blok

DDS ditunjukan pada gambar 7 sedangkan gambar 8 menunjukan alir proses sinyal pada

arsitektur DDS.

Gambar 7. Diagram blok DDS

Sumber: A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, 1999

Gambar 8. Alir proses sinyal pada arsitektur DDS.

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 9

Sumber: A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis, 1999

Keluaran sinyal frekuensi DDS dapat dirumuskan :

. /2 (1)

Dimana K adalah frequency control word, N adalah bit pada phase accumulator,

sedangkan merupakan reference clock. Ketika K = 1 minimum resolusi frekuensi

DDS adalah :

/2 (2)

Gambar 9. Diagram alir utama program

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 10

HASIL SIMULASI

Tabel 1 Spesifikasi parameter simulasi

Parameter Spesifikasi Tegangan sumber 24 volt DC Peak Amp sinus referensi 220 volt frekuensi 50 Hz V Peak to peak pembawa 440 volt frekuensi 2550 Hz Kontroller PI Gain 0.5 Time constant 0.11 V Setpoint 220 volt Gain Vsensor 1 SUM Gain_1(+) 1 Gain_2(-) -1 SUMP1 Gain_1 1 Gain_2 1

Gambar 10.Skema Diagram simulasi inverter satu fase

Simulasi dengan menggunakan software PSIM telah dilakukan dalam penelitian ini.

Dari hasil simulasi diperoleh empat buah PWM dimana sinyal S1 berkomplemen dengan

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 11

sinyal S2 dan S3 berkomplemen dengan S4 seperti yang ditunjukkan pada gambar 11.

Frekuensi keluaran yang dihasilkan sebesar 50 Hz dimana dalam satu periode 20 ms

terdapat 50 kali pensaklaran . Frekuensi dan tegangan output sistem mulai stabil setelah

sistem bekerja pada waktu lebih dari 0.015 detik seperti yang diperlihatkan pada gambar

13. sedangkan gambar 12. memperlihatkan bentuk tegangan keluaran inverter satu fase

dengan tegangan output 220 volt. Perbedaan fase sumber tegangan referensi sinusoida

sebesar 180˚ menghasilkan tegangan output pada sisi atas dan sisi bawah pensaklaran

IGBT (dalam bentuk tegangan AC).

Gambar 11. Hasil simulasi pulsa PWM S1-S4

Gambar 12. Hasil simulasi tegangan keluaran inverter

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 12

Gambar 13. Hasil simulasi respon tegangan terhadap waktu pada kontroller PI

SIMPULAN

Desain inverter satu fase ini laik diimplementasikan ke dalam desain hardware yang

dapat digunakan sebagai perangkat untuk memperbaiki kualitas tegangan listrik pada

konsumen rumah tangga karena mempunyai frekuensi keluaran sebesar 50 Hz dengan

tegangan 220 volt AC stabil setelah sistem bekerja pada waktu 0.015 detik . Perlu

dilakukan penelitian tentang cara menentukan besaran gain dan time constant pada

kontroller PI agar menghasilkan tegangan keluaran yang lebih konstan dengan respon

waktu stabil yang lebih cepat.

DAFTAR PUSTAKA

Analog Devices. (1999). A Technical Tutorial on Digital Signal Synthesis.

IEEE. (1995). Recommended Practice for Electric Power Quality, IEEE Std.1159.1995.

Jouko,V. (2000). Direct Digital Synthesizers: Theory, Design and Applications. Helsinki University of Technology (Espoo, Finland).

Larson, D. C. (1998). High Speed Direct Digital Synthesis Techniques and Application. IEEE. Gallium Arsenide Integrated Circuit (GaAs IC) Symposium. Atlanta, vol.4, 209–212,

Liu, H., & Wang, J. (2012). Analysis and control of a single phase AC chopper in series connection with an auto-transformer, presented at the ICAC 12 - Proceedings of the 18th International Conference on Automation and Computing: Integration of Design and Engineering, 49–54.

Paliwal, M., & Verma,R.C. (2014).Voltage Sag Compensation Using Dynamic Voltage Restorer. Advance in Electronic and Electric. Engineering, vol. 4, no 6, 645–654.

Antonov, & Natalinus. (2013). Pengaruh perubahan tegangan sumber terhadap karakteristik faktor daya pada lampu hemat energi, Jurnal Teknik Elektro ITP, vol. 2, no. 1.

PROSIDING SENTRINOV Vol. 001, Tahun 2015 | ISSN: 2477 – 2097 13

Rajakumar, P., Saravanakumar, R., & Thirumalaivasan, R. ( 2014). Power quality enhancement using photovoltaic based dynamic voltage restorer. The 2014 International Conference on Advances in Electrical Engineering, ICAEE .

Sharanya, M., & Basavaraja, B. (2012). An Overview of Dynamic Voltage Restorer for Voltage. Int. J. Eng. Adv. Technol. IJEAT, vol. 2, no. Issue-2.

Tajuddin, M., Ghazali. N, Daut, I., & Ismail, B. (2010). Implementation of dsp based spwm for single phase inverter. in Power Electronics Electrical Drives Automation and Motion (SPEEDAM), 2010 International Symposium on, 1129 –1134.

Tiwari, H. P., & Gupta, S. K. (2010). Dynamic Voltage Restorer Based on Load Condition. International Journal of Innovation, Management and Technology, Vol. 1, No. 1.

Variath, R. C., Andersen, M. A. E, Nielsen, O. N., & Hyldgard, A.(2010). A review of module inverter topologies suitable for photovoltaic systems IPEC Conference Proceedings, 310-316.

Sidik,Y. F., Wijaya, F. D & Firmansyah, E. (2013). Sinusoidal pulse width modulation berbasis lookup table untuk inverter satu fase menggunakan 16-bit digital signal controller. JNTETI, Vol. 2, No. 2, 47-50.