45
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

Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi … · Dioda resonansi (Dr) agar arus mengalir satu arah ketika rangkaian berada pada mode resonansi, yaitu ketika proses

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

Persamaan Rasio Konversi

M = 𝑽𝒐

𝑽𝒊𝒏 = 𝟐+𝒏

𝟏−𝑫

13

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

Simulasi Sinyal PWM

18

Bentuk Gelombang Tegangan Hasil Simulasi

19

100

Bentuk Gelombang Arus Hasil Simulasi

20

Bentuk Gelombang Arus Hasil Simulasi

21

Stress Tegangan pada MOSFET dan Dioda

22

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

Hasil Implementasi Keseluruhan

30

Pengujian Bentuk Gelombang

31

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

Terima Kasih

45