Desain dan Implementasi
Z-Source Inverter 3 Fasa dengan Metode Simple Boost Control untuk Suplai Motor
Induksi
Abstrak
Pada saat ini penelitian mengenai photovoltaic dan fuel
cell banyak dikembangkan sebagai penelitian. Namun, kendala utama pada
photovoltaic dan fuel cell yaitu memiliki tegangan keluaran yang rendah
sehingga diperlukan sebuah konverter peningkat tegangan sebelum dapat
diaplikasikan untuk inverter. Penggunaan inverter dengan penambahan topologi
peningkat tegangan menyebabkan rugi – rugi konverter semakin besar. Selain itu,
kendala utama pada topologi voltage source inverter yaitu tidak dapat
beroperasi sebagai buck-boost konverter, diperlukannya dead time pada kontrol
gate, dan kondisi shoot through zero state akan menyebabkan kerusakan pada
inverter. Oleh karena itu, diperlukan desain topologi inverter yang memiliki
kemampuan konversi boost dan tahan terhadap kondisi shoot through zero state.
Z-Source inverter merupakan pengembangan dari voltage source inverter dengan
penambahan rangkaian sumber impedansi dan kontrol penyalaan menggunakan simple
boost control. Efisiensi Z- Source inverter dapat mencapai 88%. Faktor
peningkatan tegangan dapat mencapai 2.4 kali dengan menggunakan shoot through
duty ratio sebesar 16%. Z-Source inverter mampu mengontrol kecepatan motor
induksi berdasarkan v/f konstan dengan cara merubah nilai shoot through duty
ratio dan frekuensi fundamental. Jadi inverter ini sangat cocok untuk
diaplikasikan sebagai topologi dengan kemampuan meningkatkan tegangan input dan
digunakan sebagai kontrol kecepatan motor induksi.
PENDAHULUAN
Kebutuhan energi listrik setiap tahun mengalami
peningkatan seiring dengan laju pertumbuhan penduduk. Pengembangan dan
penelitian mengenai konversi energi listrik menjadi topik utama dari para
peneliti dan industri, terutama energi yang berasal dari energi terbarukan.
Pada saat ini sistem energi terbarukan yang paling banyak diteliti yaitu
photovoltaic dan fuel cell. Kedua sistem energi terbarukan tersebut berbasiskan
energi matahari dan hydrogen yang tidak menimbulkan pencemaran lingkungan.
Photovoltaic dan fuel cell telah banyak diteliti untuk
dimanfaatkan pada mobil listrik. Kendala utama pada photovoltaic dan fuel cell
adalah pada tegangan DC keluaran yang sangat rendah sehingga diperlukan
konverter peningkat tegangan sebelum masuk ke rangkaian inverter [1, 2]. Cara
yang paling umum digunakan untuk meningkatkan tegangan DC yaitu menggunakan
konverter Boost. Konverter Boost adalah alat yang digunakan untuk meningkatkan
tegangan DC keluaran dari photovoltaic atau fuel cell dengan cara mengatur duty
cycle. Semakin tinggi nilai duty cycle maka rasio peningkatan tegangan semakin
besar.
Berbagai topologi inverter telah diusulkan untuk
mendapatkan efisiensi konversi dan rasio peningkatan yang tinggi. Salah satunya
yaitu dengan menggunakan dual stage boost voltage source inverter (VSI) atau
current source inverter (CSI). Namun kelemahan dari topologi tersebut yaitu
konversi secara dual stage menyebabkan efisiensi yang turun karena rugi – rugi
switching semakin besar, gate driver harus didesain secara khusus agar pengaruh
dari medan elektromagnetik dapat dihindari karena shoot through zero state pada
topologi voltage source inverter dapat merusak komponen switching. Selain itu,
pada topologi voltage source inverter tidak dapat beroperasi dalam mode
buck-boost namun hanya dapat beroperasi dalam salah satu mode buck atau mode
boost [3].
URAIAN PENELITIAN
A.
Konfigurasi Sistem
Pada gambar 1 kita bisa lihat diagram blok terdiri dari
sumber DC, sumber impedansi, komponen pensaklaran, driver MOSFET, simple boost
control dan motor induksi 3 fasa. Diagram blok sistem mendefinisikan sistem
keseluruhan dari Z-Source inverter dengan metode simple boost control untuk
suplai motor induksi 3 fasa.
Gambar 1. Diagram Blok
Keseluruhan Sistem Inverter
- Z-Source Inverter 3 Fasa
Z-source converter adalah jaringan impedansi yang terdiri
dari dua buah induktor dan dua buah kapasitor yang terhubung silang. Z-source
converter memiliki kemampuan sebagai peningkat (boost)
maupun penurun (buck) tegangan tanpa memerlukan komponen switching
tambahan. Selain sebagai peningkat atau penurun tegangan, jaringan impedansi
tersebut berperan sebagai filter orde dua sehingga mampu mereduksi ripple
tegangan, arus inrush serta harmonisa lebih baik. Jaringan impedansi tersebut
dapat dihubungkan dengan sumber DC yang dapat berupa baterai, fuel cell maupun
photovoltaic.
Z-source converter dapat
diaplikasikan sebagai konverter DC ke AC, AC ke DC, AC ke AC dan DC ke DC. Pada
umumnya, Z-Source converter digunakan sebagai converter DC ke AC yang membutuhkan
faktor peningkatan maupun penurunan tegangan pada sisi output. Aplikasi
Z-source inverter dapat dilihat pada gambar 2. Z-source inverter mampu
meningkatkan tegangan output dengan menggunakan metode pensaklaran dengan
menambahkan shoot-through zero states pada kontrol PWM [6].
Gambar 2. Topologi
Z-Source inverter 3 fasa
Topologi Z-source inverter mampu mengatasi permasalahan
pada inverter tradisional (CSI dan VSI). Pada VSI dan CSI, inverter tidak dapat
beroperasi sebagai peningkat maupun penurun tegangan satu tingkat namun harus
menggunakan proses konversi dua tingkat yaitu dengan menambahkan buck atau
boost converter. Selain itu, gate driver harus didesain khusus untuk mengurangi
pengaruh dari electromagnetic interference (EMI) yang menyebabkan kondisi shoot
through zero state sehingga menyebabkan kerusakan pada VSI atau CSI. Topologi
Z-source inverter hanya membutuhkan satu tingkat proses konversi tegangan,
tidak memerlukan dead time dan penambahan shoot through sehingga tidak membuat
inverter rusak [3,6].
Tabel 1. Merupakan kondisi pensaklaran yang dapat
digunakan pada Z - Source inverter 3 fasa. Z-source inverter 3 fasa memiliki
sembilan kondisi yang dapat berlaku dalam proses pensaklaran. Kondisi
pensaklaran tersebut yang membedakan dengan voltage source inverter yang hanya
memiliki delapan kondisi yang diperbolehkan [7].
Z-source inverter memiliki enam kondisi aktif ketika
sumber DC mengalir melalui beban tiga fasa dan dua buah kondisi null yaitu
ketika pada komponen pensaklaran bagian atas atau bawah mengalami kondisi
hubung singkat. Kondisi kesembilan yaitu shoot through zero states yaitu
kondisi dimana pada komponen pensaklaran bagian atas dan bawah mengalami hubung
singkat. Pada kondisi kesembilan tersebut merupakan hal yang harus dihindari pada
voltage source inverter untuk mencegah terjadinya hubung singkat pada inverter.
Shoot through zero states didapatkan berdasarkan tujuh buah kombinasi hubung
singkat yaitu melalui salah satu fasa pensaklaran, kedua buah fasa pensaklaran
maupun ketiga fasa pensaklaran. Jaringan impedansi berfungsi sebagai peningkat
rasio tegangan pada saat terjadi shoot through zero states. Terdapat beberapa
teknik pensaklaran yang dapat digunakan pada z-source inverter yaitu simple
boost control maximum boost control, dan maximum constant boost control with
third harmonic injection [4,8,9]
- Mode Operasi Konverter
Berdasarkan kondisi pensaklaran pada tabel II, Z-source
inverter dapat dibagi kedalam tiga buah mode operasi yaitu mode aktif, null dan
shoot through zero states.
Mode I: inveter beroperasi dalam salah satu mode aktif
dan rangkaian ekuivalen dapat dilihat pada gambar 3. Selama dalam kondisi
aktif, sumber DC mengalir ke rangkaian impedansi yang terdiri dari induktor dan
kapasitor. Kapasitor akan mengalami charge hingga kondisi steady state dan
energi akan mengalir ke beban melalui induktor. Induktor mengalami discharge
pada mode ini.
Mode II: Inverter beroperasi dalam salah satu dari dua
keadaan null yaitu komponen pensaklaran mengalami hubung singkat pada bagian
atas atau bawah. Selama mode II, rangkaian dapat diasumsikan sebagai open
circuit seperti pada gambar 4. Tegangan pada sumber DC akan menuju induktor dan
kapasitor.
Mode III: Inverter beroperasi dalam salah satu dari tujuh
keadaan shoot through zero states. Pada mode III, rangkaian dapat diasumsikan
sebagai short circuit seperti pada gambar 5. Selama mode III, tidak terdapat
tegangan keluaran pada inverter sama seperti dengan kondisi mode II. Tegangan
DC kapasitor akan meningkat sesuai dengan besarnya rasio shoot through duty
ratio.
- Analisis Penurunan Rasio Konversi
Penurunan persamaan pada z-source inverter dilakukan
dengan asumsi nilai induktor L1 dan L2 serta kapasitor C1 dan C2 memiliki nilai
yang sama (L1 = L2 = L dan C1 = C2 = C). Pada saat kondisi shoot through zero
states (T0) maka arus induktor akan mengalami peningkatan dan tegangan pada
induktor akan muncul sedangkan pada saat kondisi non shoot through zero states
(T1) maka arus induktor akan menurun dan tegangan induktor akan bernilai nol.
Gambar 6. Sinyal Pensaklaran pada Tegangan dan Arus Induktor dari Z- Source Inverter
Sehingga persamaan
tegangan pada impedansi z-source inverter dapat dituliskan sebagai berikut:
{VL1= VL2= VL VC1= VC2=
VC
- Induktor
Pada saat Z-Source inverter dioperasikan tanpa shoot through zero
states maka tegangan input akan muncul pada kapasitor sedangkan pada induktor
tidak muncul tegangan karena arus yang mengalir pada induktor adalah DC murni.
Gambar 7. Perbandingan
Tegangan Kapasitor dan Tegangan Induktor
Pada saat Z-Source inverter dioperasikan menggunakan
shoot through states maka induktor berfungsi untuk membatasi arus ripple selama
mode boost. Selama mode shoot through zero states, arus induktor bertambah
secara linear dan tegangan pada induktor sama dengan pada kapasitor seperti
pada gambar 7. Pada saat mode non shoot through zero states (8 mode
tradisional) maka arus pada induktor akan berkurang secara linear dan nilai
tegangan induktor tidak sama dengan tegangan input dan kapasitor.
F. Kapasitor
Kapasitor pada Z-Source Inverter berfungsi untuk menyerap
arus ripple dan sebagai penstabil tegangan. Induktor akan diisi oleh kapasitor
ketika z-source inverter berada pada mode shoot through seperti yang telah
dijelaskan pada mode III dan IL = IC.
DESAIN DAN IMPLEMENTASI
A.
Desain
Desain inverter bertujuan untuk menentukan parameter awal
dari inverter dengan mempertimbangkan kondisi peralatan yang ada dilaboratorium
dan ketersediaan komponen yang ada di pasaran untuk mempermudah proses
implementasi inverter. Menentukan parameter awal inverter berpengaruh terhadap
nilai kapasitas komponen seperti kapasitor, induktor dan nilai shoot through
duty cycle yang digunakan sebagai control inverter. Tabel 2 dibawah ini
merupakan parameter awal untuk mendesain inverter. Tegangan input dan daya inverter
ditentukan berdasarkan sumber DC yang tersedia pada laboratorium. Dengan adanya
keterbatasan alat pembebanan motor induksi dan sumber DC di laboratorium
konversi energi listrik maka desain inverter dibuat 250 W dengan tegangan
masukan 48 V.
- Hasil Implementasi
Berdasarkan perhitungan hasil desain, maka
komponen-komponen yang diperlukan dapat dilihat pada tabel 4.
Nilai implementasi komponen disesuaikan dengan
ketersediaan komponen yang ada di pasaran. Nilai pada komponen implementasi
merupakan nilai yang lebih besar dari nilai komponen yang telah didesain. Hal
tersebut bertujuan untuk mengantisipasi voltage spike pada inverter.
PENGUJIAN
A.
Pengujian Pada Motor
Induksi 3 Fasa
Pengujian dilakukan untuk mengetahui performa dari hasil
implementasi Z-Source Inverter ke motor induksi 3 fasa. Pengujian pembebanan
motor induksi dilakukan dengan cara memberikan tegangan input konstan sebesar
48 V, indeks modulasi sebesar 0.8, frekuensi output sebesar 50 Hz dan shoot
through duty ratio dinaikan secara bertahap untuk menjaga tegangan output tetap
konstan. Dengan keterbatasan alat pengereman di laboratorium maka pembebanan
motor induksi dinaikan secara bertahap dari 0 N.m hingga 0.6 N.m.
Berdasarkan hasil pengujian Z-Source inverter dengan
motor induksi didapatkan data seperti pada tabel 5. Pada saat motor induksi
tidak diberi beban maka inverter membutuhkan nilai shoot through duty ratio
sebesar 0.12 dan apabila beban semakin naik untuk mendapatkan tegangan output
konstan sebesar 56 V maka nilai shoot through duty ratio juga naik. Apabila
hasil implementasi dibandingkan dengan hasil desain dan simulasi maka terdapat
ketidak sesuaian. Pada desain dan simulasi untuk mendapatkan tegangan konstan
56 V dibutuhkan nilai shoot through duty ratio sebesar 0.291. Namun, pada
implementasi hanya dibutuhkan nilai shoot through duty ratio yang lebih rendah
daripada hasil desain. Perbedaan pada saat implementasi dan simulasi
diakibatkan oleh adanya fenomena self boost. Fenomena self boost muncul pada
Z-Source inverter diakibatkan memenuhi persamaan dibawah ini.
𝑀𝑐𝑜𝑠∅< 23
- Pengujian Efisiensi Z-Source
Inverter
Pengujian efiseinsi dilakukan untuk mengetahui pengaruh
performa inverter terhadap pembebanan yang berubah – ubah. Pada hasil
implementasi pembebanan motor induksi dapat diukur efisiensi inverter dengan
cara membandingkan daya input dengan daya output inverter. Pengujian efisiensi inverter dilakukan
dengan cara menaikan beban motor induksi dari 0 N.m hingga 0.6 N.m.
Inverter memiliki efisiensi rata – rata sebesar 88% dan
grafik pengaruh pembebanan terhadap efisiensi inverter dapat dilihat pada
gambar 13 Semakin besar pembebanan maka efisiensi inverter akan menurun. Hal
ini disebabkan adanya rugi – rugi yang semakin besar karena arus yang mengalir
ke rangkaian akan meningkat seiring dengan naiknya beban. Rugi –rugi yang
terjadi pada inverter antara lain switching loss, rugi pada inti induktor, rugi
pada dioda fast switching dan charge-dischage kapasitor.
- Pengujian Faktor Peningkatan
Tegangan
Pengujian rasio konversi bertujuan untuk mengetahui
faktor peningkatan tegagan pada Z-Source Inverter dengan metode simple boost
control. Faktor peningkatan tegagan (B) merupakan perbandingan antara tegangan
dc bus dengan tegangan input. Secara teori semakin besar nilai shoot through
duty ratio, maka semakin besar rasio konversi sehingga tegangan output yang
dihasilkan oleh inverter semakin tinggi. Pengujian rasio konversi dengan cara
memberikan tegangan input konstan sebesar Vin = 48 V dan shoot through duty
ratio dinaikkan secara bertahap. Z-Source inverter dibebani dengan motor
induksi 3 fasa dan torsi pembebanan 0 N.m.
D. Pengujian Kontrol Kecepatan Motor Induksi
Pengujian Z-Source Inverter sebagai kontrol kecepatan
motor induksi dilakukan dengan cara memberi tegangan masukan sebesar 48 V dan
nilai indeks modulasi 0.8 sedangan nilai shoot through duty ratio dan frekuensi
fundamental dibuat berubah – ubah sesuai dengan aturan V/f konstan. Pengujian
kontrol kecepatan dilakukan dengan motor induksi dalam keadaan tanpa beban.
Kesimpulan
Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan terhadap
simulasi dan implementasi Z-Source inverter dengan metode simple boost control
untuk suplai motor induksi 3 fasa dapat disimpulkan menjadi beberapa hal
sebagai berikut:
1.
Topologi Z-Source
inverter dengan metode simple boost control dapat menaikan tegangan dengan
tanpa adanya penambahan topologi lain.
2.
Pada implementasi
tegangan keluaran Z-Source inverter mengandung frekuensi fundamental dan frekuensi
pensaklaran sedangan arus keluaran hanya mengandung frekuensi fundamental
3.
Arus keluaran Z-Source
inverter pada saat diaplikasikan ke motor induksi 3 fasa memiliki harmonisa
yang sangat kecil yaitu sebesar 2%.
4.
Pada implementasi
Z-Source inverter akan menjadi mode DCM apabila diaplikasikan ke beban yang
kurang dari 20% rating inverter.
5.
Efisiensi Z-Source
inverter yaitu sebesar 88 %.
6.
Z-Source inverter mampu
menjadi kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa (V/f konstan) dengan cara
mengubah parameter shoot through duty ratio dan frekuensi fundamental.
7. Fenomena self boost muncul pada saat Z-Source
inverter diberi beban yang memiliki faktor daya sangat rendah.
SARAN
Saran yang diberikan
untuk perkembangan penelitian selanjutnya adalah:
- Z-Source
inverter sebaiknya diaplikasikan untuk beban yang memiliki faktor daya
yang diatas 0.8 agar fenomena self boost dapat dihindari. [6,17]
- Z-Source
inverter sebaiknya diaplikasikan diatas 50% dari ratingnya agar terhindar
dari mode DCM.
- Z-Source
inverter sebaiknya diberi tambahan filter pada sisi keluaran sehingga
bentuk tegangan dapat berupa sinusoidal.
- Kontrol
penyalaan Z-Source inverter dapat menggunakan metode lainnya seperti
maximum boost control maupun constant maximum boost control with third
harmonic injection untuk mereduksi stress tegangan pada setiap komponen.
[8,9,10]
- Penambahan
snubber pasif atau aktif pada Z-Source inverter dapat dilakukan untuk
mengurangi spikes tegangan pada MOSFET. [11,18]
- Komponen induktor pada Z-Source inverter dapat diganti dengan induktor terkopel untuk memperingkas dan menghemat biaya pembuatan. [17]
Daftar Pustaka
[1] Gajanayake, C.J., Vilathgamuwa, D.M., et al:
‘Z-Source Inverter Based Flexible Distributed Generation System Solution for
Grid Power Quality Improvement’. IEEE Trans on Energy Conv., Vol. 24, No.3, pp.
695-703, September 2009.
[2] Peng, F.Z. Shen, M., Holland K.,
‘Application of Z-Source Inverter for Traction Drive of Fuel Cell-Battery
Hybrid Electric Vehicles’. IEEE Trans Power Electron, Vol. 22, No.3, pp.
1054-1061. May 2007.
[3] Peng, F.Z. ‘Z-Source Inverter’. IEEE Trans.
Ind. Appl., 2003. Vol. 39, pp.504-510
[4] Rashid, M.H. ‘Power electronics: circuit
devices and applications’. (Prentice Hall), 1993
[5] Mohan, N., Undeland, T.M., and Robbins, W.P.
‘Power Electronics: Converters, Applications, and Design’. Canada. 1995. John
Wiley & Sons, Inc.
[6] Hanif, M., Basu, M., Gaughan, K.
‘Understanding the Operation of a Z-Source Inverter for Photovoltaic
Application with a Design Example’. IET Power Electron. 2011. Vol. 4. Iss. 3.
Pp. 278- 287
[7] Loh, P.C., Vilathgamuwa, D.M., Lai, Y.S.,
Chua, G.T., et al.: ‘Pulse- width modulation of Z-source inverters’. Industry
Applications Conf., 39th IAS Annual Meeting, 3 – 7 October 2004, pp. 148 – 155
[8] Peng, F.Z., Shen, M., Qian, Z.: ‘Maximum
boost control of the Z-source inverter’, IEEE Trans. Power Electron., 2005, 20,
(4), pp. 833 – 838
[9] Shen, M., Wang, J., Joseph, A., Peng, F.Z.,
Tolbert, L.M., Adams, D.J.: ‘Maximum constant boost control of the Z source
inverter’. Proc. IEEE IAS ’04, 2004, p. 147
[10] Pham C.T, Shen A, Dzung P.Q, Anh N.B, and
Phu N.X., ‘A Comparison of COntrol Methods for Z-Source Inverter’. Scientific
Research., Energy adn Power Engineering., no. 4, pp. 187-195, June 2012.
[11] Haiping, X., Peng, F.Z., Lihua, C., et al:
‘Analysis and Design of Bi-Directional Z-Source Inverter for Electrical
Vehicles’. 23rd Annual Applied Power Electronics Conf. and Exposition, 2008.
APEC 2008, 2008, pp. 1252-1257
[12] Chapman, S. J.: ‘Electric Machinery
Fundamentals 4th ed’. New York. 2005. The McGraw-Hill Companies.
[13] Qahhar, M., Riawan, D.C., Asfani, D.A.,
‘Penurunan Rating Tegangan pada Belitan Motor Induksi 3 Fasa Dengan Metode
Rewinding Untuk Aplikasi Kendaraan Listrik’. Tugas Akhir., Institut Teknologi
Sepuluh Nopember., Juli 2013.
[14] Diana L.R., “Practical Magnetic Design:
Inductors and Coupled Inductors”., IEEE., pp 1-20.
[15] TDK., “Ferrites and Accessories
E65/32/27”., EPCOS AG, June 2013.
[16] TDK., “Ferrites and Accessories SIFERRIT
material N27”., EPCOS AG, September 2006
[17] ‘Z-Source inverter for fuel cell vehicles’,
prepared by Oak Ridge National Laboratory, Mitch Olszewski, Program Manager,
for Energy Efficiency and Renewable Energy, FreedomCAR and Vehicle
Technologies, Vehicle Systems Team, Susan A. Rogers, Technology Department
Manager, September 2005
[18] Shuai, D., Qianfan, Z., Chaowei, Z.:
‘Analysis and Design of Snubber Circuit for Z-Source Inverter Applications’.
IET Power Electron. vol. 9, iss. 5, pp. 1083-1091. December 2015
Biografi
Husaini
Ali Ridwan lahir di depok,jawa barat pada tanggal 05 april 1995 telah menempuh
pendidikan mulai dari SDN Mampang 2 selama 6 tahun, kemudian melanjutkan ke
SMPI al-muhajirin depok selama 3 tahun, SMKN 2 depok selama 3 tahun. Saat ini
penulis sedang menyelesaikan pendidikan S1 teknik elektro Universitas Gunadarma
angkatan 2013 mengambil konsentrasi teknik tenaga listrik( arus kuat)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar