Upload
phamlien
View
222
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
UJIAN TUGAS AKHIR JUNI 2014
Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic
Dosen Pembimbing Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D Dr. Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng.
Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS
1
Oleh: Edi Wibowo 2210 100 168
Latar Belakang
Listrik Kebutuhan Utama
Beban Semakin Meningkat
2
Pembangkit Utama Energi Fosil
Energi Fosil Terbatas
Renewable Energi
Photovoltaic (PV), Fuel Cell, Wind
Energi
Photovoltaic
Latar Belakang
3
Inverter DC-AC
Keluaran DC Sistem AC 220* 𝟐 V DC 220 V AC
Photovoltaic Rumah
Tegangan Rendah Daya Berubah-ubah
220 V
Latar Belakang
Konverter Boost Rasio Tegangan Tinggi Rentang tegangan input lebar Efisiensi tinggi untuk semua level pembebanan
4
Konverter Boost
Inverter DC-AC
Keluaran DC Tegangan Rendah Daya Berubah-ubah
Sistem AC 220 V
220* 𝟐 V DC 220 V AC
Photovoltaic Rumah
Topologi Konverter
Transformator Hybrid Saklar MOSFET Dioda Clamping (D1), Dioda Resonansi (Dr), Dioda Output (Do) Kapasitor Resonansi (Cr) dan kapsitor Clamping (Cc) Induktor Resonansi (Lr)
5
Fungsi Komponen
Dioda & Resistansi Output
Dioda clamping (D1) sebagai lintasan energi dari induktansi bocor yang berasal dari transformator hybrid ketika saklar tidak aktif.
Dioda resonansi (Dr) agar arus mengalir satu arah ketika rangkaian berada pada mode resonansi, yaitu ketika proses pengisian energi pada kapasitor resonansi (Cr).
Dioda output (Do) memberikan jalur untuk transfer energi menuju sisi output.
Resistansi output (Ro) merepresentasikan beban resistif.
6
Fungsi Komponen
Kapasitor & Induktor Kapasitor input (Cin) meratakan tegangan input. kapasitor resonansi (Cr) kapasitor utama untuk transfer
energi serta untuk membentuk rangkaian resonansi kapasitor clamping (Cc) menjaga tegangan MOSFET pada level yang rendah membentuk rangkaian resonansi menyimpan energi leakage dari transformator, kemudian
saat mode resonansi ditransferkan menuju kapasitor Cr
Kapsitor output (Co) meratakan tegangan pada sisi output.
7
Mode Operasi 1 (t0-t1)
Saklar S1 aktif, induktansi magnetisasi (Lm) charging, Arus magnetisasi meningkat.
Tegangan sisi sekunder transformator sebesar n.VLm. Pada mode ini rangkaian resonansi bekerja, Kapasitor
resonansi (Cr) charging.
8
Mode Operasi 2 (t1-t2)
Saklar S1 tidak aktif. Arus pada sisi primer dan sisi sekunder transformator mulai
men-charge parasitic capacitor yang terdapat pada saklar. Dioda clamping (D1) aktif. Energi dari induktansi bocor (Lk) ditransmisikan menuju
kapasitor clamping (Cc). 9
Mode Operasi 3 (t2-t3)
Saklar masih tidak aktif. Dioda output (Do) aktif. Terbentuk rangkaian seri antara Vin, Vlk, VLm, VL2, Vcr dan Vco. Energi pada Lm dan Cr diteruskan menuju beban. Dioda D1 tetap aktif selama kapasitor Cc charging.
10
Mode Operasi 4 (t3-t4)
Saklar belum aktif D1 tidak aktif. Energi pada Lm dan Cr diteruskan menuju beban melalui
dioda output. Arus mengalir menuju sisi output magnitudonya berkurang
secara berangsur-angsur. 11
Mode Operasi 5 (t4-t0)
Saklar S1 aktif kembali. Ada efek leakage dari transformator, arus output (Io) tetap
mengalir untuk waktu yang singkat Dioda output tidak aktif pada saat t0
Periode penyaklaran berikutnya dimulai kembali. 12
Perancangan Parameter Konverter
Perancangan diawali dengan menentukan beberapa variabel terlebih dahulu seperti: Frekuensi penyaklaran : 62,5 kHz Daya output : 40 W Tegangan output : 150 V Tegangan input (MIN) : 20 V Tegangan input (MAX) : 30 V Perbandingan belitan (n) : 1 Ripple tegangan Cr (ΔvCr) : 1,42 %
Dari persamaan Rasio Konversi M = 𝑽𝒐
𝑽𝒊𝒏 = 𝟐+𝒏
𝟏−𝑫; Maka :
Duty Cycle (D) : 0,4 hingga 0,6 Rasio Konversi (M) : 5 hingga 7,5 kali
14
Penentuan Parameter Rangkaian
Io = 𝑷𝒐
𝑽𝒐 = 𝟒𝟎
𝟏𝟓𝟎 = 0,2667 A
Ro = 𝑽𝒐𝟐
𝑷𝒐 = 𝟏𝟓𝟎 𝟐
𝟒𝟎 = 562,5 Ω
Efisiensi 100%
Iin = 1,34 A (Vin = 30V) hingga 2 A (Vin = 30V)
# Tegangan Input (Vin) = 25 V; D = 0,5
ILm_sec = 𝑰𝒐
𝟏−𝑫 = 𝟎,𝟐𝟔𝟔𝟕
𝟏−𝟎,𝟓 = 0,5334 A
ΔvCr = 1,422 % . 150 V = 2,133 V
Cr = 𝑰𝑳𝒎_𝒔𝒆𝒄𝑻𝒐𝒇𝒇
𝟐𝜟𝒗𝑪𝒓 = 𝟎,𝟓𝟑𝟑𝟒 . 𝟖 𝟏𝟎−𝟔
𝟐 . 𝟐,𝟏𝟑𝟑 = 1 μF
Cc >> Cr Cc = 22 μF 15
Penentuan Parameter Rangkaian
Tr = 𝟏
𝒇𝒓 = 𝟏
𝟔𝟐𝟓𝟎𝟎 = 16 μs
Lr_tot = 𝑻𝒓𝟐.𝝅
𝟐
𝑪𝒓 =
𝟏𝟔 𝟏𝟎−𝟔
𝟐.𝝅
𝟐
𝟏.𝟏𝟎−𝟔 = 6,4846 μH
# n = 1; Lk = 1,7 μH Lr = Lr_tot– (Lks + n2Lkp) = 6,4846 – (1,7) = 4,78 μH ΔiLr = π.fr.Ts.Io = π . 62500 . 16 10-6 . 0,2667 = 0,84 A
VDS = VD1 = VCc = 𝑽𝒐𝒖𝒕
(𝒏+𝟐) = 𝟏𝟓𝟎
(𝟏+𝟐) = 50 V
VDo = Vdr = Vo – VCc = 𝒏+𝟏 .𝑽𝒐
(𝒏+𝟐) = 𝟏+𝟏 .𝟏𝟓𝟎
(𝟏+𝟐) = 100 V
16
Simulasi Sistem
Software PSIM 9.0.3 Frekuensi PWM 62,5 kHz Transformator Ns/Np = 12/12; Lm = 155,49 μH; Lk = 1,7 μH Vin = 25 V; D = 0,5; Vo = 150 V MOSFET dan Dioda dalam keadaan ideal
17
Perancangan Implementasi
Sumber Input DC Rangkaian Utama Beban Resistif
23
Transformator Pembangkit sinyal PWM Driver MOSFET
Transformator
Inti ferrite ETD 34 N27 Polaritas Inverted Np = 12 belitan; Ns = 12 belitan n = 1 Lm = 152 μH; Lk = 1,7 μH
24
Pembangkit Sinyal PWM
Frekuensi 62,5 kHz ATMega 16, Kristal eksternal 16 MHz Timer 1, Fast PWM, Skala clock (N) = 1; TOP = 00FFh (255) Push Button mengubah duty cycle LCD 16x2 tampilan nilai duty cycle
25
Driver MOSFET
IC TLP 250 Referensi (supply) 18 V Input Sinyal PWM, frekuensi 62,5 kHz magnitudo ± 6 V Output Driver MOSFET, frekuensi 62,5 kHz magnitudo ± 18 V
26
Driver MOSFET
Ketika LED aktif maka Tr1 aktif dan Tr2 tidak aktif sehingga output high sesuai dengan VCC. Ketika LED tidak aktif maka Tr1 tidak aktif dan Tr2 aktif sehingga output low sesuai dengan GND. Jadi sinyal output driver memiliki frekuensi sama dengan frekuensi PWM dan amplitudo sama dengan VCC ketika high dan amplitudonya sama dengan nol ketika low.
27
Pin TLP 250 1 : N.C 2 : Anode 3 : Cathode 4 : N.C 5 : GND 6 : Vo (output) 7 : Vo 8 : VCC
Rangkaian Utama
Saklar MOSFET IRF540N Dioda (D1, Dr, dan Do) MUR 1560 Kapasitor Input (Cin) 47 μF / 100V Kapasitor Resonansi (Cr) 1 μF / 600V Kapasitor Clamping (Cc) 22 μF / 100V Kapasitor Output (Co) 3x1 μF / 400V Induktor Resonansi (Lr) 3,3 μH
28
Sumber Input DC dan Beban Resistif
Spesifikasi Sumber Input DC DC POWER SUPPLY VPS-3005LK-3 Output 0-30V, 0-5A
Spesifikasi Beban Resistif ECO 1/2 tube; 1000 Ω 0,6 A EEI 1010 Pol 2 CAT III 250 V
29
Tabel Pengujian Rasio Konversi
32
Vin = 25 V Perhitungan Drop
eror Pengukuran
D Vout
M Tegangan
D Vout
M (V) (V) (%) (V)
0,1 83,3 3,33 8,7 10,44 0,1 74,6 2,98 0,2 93,75 3,75 3,85 4,11 0,2 89,9 3,60 0,3 107,14 4,29 4,14 3,86 0,3 103 4,12 0,4 125 5,00 5 4,00 0,4 120 4,80 0,5 150 6,00 6 4,00 0,5 144 5,76
Pengujian Rasio Konversi
Terdapat sedikit perbedaan: Ketepatan saat mengatur duty cycle Rugi-rugi pada komponen
33
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda
Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Clamping (D1) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W Vin = 25 V; D = 0,5; Vo = 150 V VMOSFET = VD1 = ±50 V
34
(a) (b)
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda
Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Output (Do) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W Vin = 25 V; D = 0,5; Vo = 150 V VDo = VDr = ± 100 V
35
(a) (b)
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda
Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Resonansi (Dr) pada tegangan input berbeda. (a) Vin 20 V dan (b) Vin 30 V (a) Vin = 20 V; D = 0,6; Vo = 150 V (b) Vin = 30 V; D = 0,4; Vo = 150 V
36
(a) (b)
VDo = VDr = ± 100 V VMOSFET = VD1 = ± 50 V
Tabel Pengujian Efisiensi
37
Pin Po η Pin Po η Pin Po η(% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% )30 17,28 12,24 70,83 17,50 12,90 73,71 16,83 12,32 73,1640 20,40 15,45 75,74 19,88 15,00 75,47 17,67 13,29 75,2250 24,40 18,92 77,55 23,85 18,30 76,75 22,23 17,10 76,9260 29,60 22,95 77,53 30,38 23,70 78,02 29,76 23,25 78,1370 35,80 28,20 78,77 34,75 27,45 78,99 34,50 27,15 78,7075 37,60 29,50 78,46 37,75 30,00 79,47 37,50 29,40 78,4080 40,60 32,25 79,44 40,34 32,25 79,95 39,90 31,95 80,0885 43,18 34,42 79,70 42,75 34,20 80,00 41,56 33,75 81,2190 46,00 37,50 81,52 44,50 36,06 81,03 43,95 35,85 81,58100 52,20 42,32 81,07 50,50 39,90 79,01 49,06 39,90 81,32
78,06 78,24 78,47
Beban Vin = 20 V Vin = 25 V Vin = 30 V
Rata-rata Rata-rata Rata-rata
Pengujian Efisiensi
Vin = 25 ± 0,1 V; Vo = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik segitiga berwarna merah merupakan efisiensi pada
masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial
yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 25 V 38
Max : 81,03 % Mean : 78,24 %
Pengujian Efisiensi
Vin = 20 ± 0,1 V; Vo = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik belah ketupat berwarna hijau merupakan efisiensi
pada masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial
yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 20 V 39
Max : 81,52 % Mean : 78,06 %
Pengujian Efisiensi
Vin = 30 ± 0,1 V; Vo = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik lingkaran berwarna biru merupakan efisiensi pada
masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial
yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 30 V 40
Max : 81,58 % Mean : 78,47 %
Pengujian Efisiensi
Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 20 V
Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 25 V
Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat Vin 30 V
41
Kesimpulan
Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid pada tugas akhir ini memiliki rasio konversi yang tinggi.
Konverter ini dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar.
Efisiensi tertinggi untuk implementasi alat dicapai pada pembebanan 90% dari beban maksimum yaitu sebesar ± 81%. Efisiensi rata-rata pada implementasi alat yaitu sebesar ± 78%.
Efisiensi pada beban rendah tidak jauh berbeda dengan efisiensi pada beban tinggi.
Stress tegangan pada MOSFET dan dioda nilainya tetap dan relatif rendah untuk berbagai level pembebanan serta perubahan tegangan input, ketika tegangan output dijaga tetap.
42
Saran
Proses pembuatan transformator diperbaiki lagi sehingga meningkatkan performa dari implementasi alat yang dibuat.
Ditambahkan kontrol close loop dan MPPT pada konverter ini, sehingga konverter ini siap diintegrasikan dengan photovoltaic.
Ditambahkan metode soft switching untuk mengurangi rugi-rugi penyaklaran sehingga efisiensi sistem menjadi lebih baik.
43
Daftar Pustaka
1. Bin Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zao and C. Liu, “High Boost Ratio Hybrid Transformer DC-DC Converter for Photovoltaic Module Applications”, IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 28, No. 4, April 2013.
2. Q. Zhao and F.C. Lee, “High efficiency, high step-up dc-dc converter”, IEEE trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 65-73, Jan. 2003.
3. R.J. Wai and R.Y. Duan, „High step-up converter with coupled-inductor”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 5, pp. 1025-1035, Sep. 2005.
4. S. Cuk, “Step-down converter having a resonant inductor, a resonant capacitor and a hybrid transformer”, U.S. Patent 7 915 874, Mar.2011.
5. S. Cuk and Z.Zhang, “Voltage step-up switching dc-to-dc converter field of the invention”, U.S. Patent 7 778 046, Aug.2010.
6. Masters, Gilbert M, “Renewable and Efficient Electric Power System”, New Jersey: John Wiley & Sons Inc. 2004.
7. Hart, Daniel W., “Power Electronics”, McGraw-Hill, 2011. 8. Colonel Wm. T. McLyman, “Transformer and Inductor design Handbook”,
2nd ed. Marcel Dekker, 1988. 44