UPS 1 Fasa 220 volt / 50 Hz ( Topologi Push Pull )

UPS 1 FASA  MENGGUNAKAN PUSH PULL INVERTER

Artikel

Diajukan kepada

Universitas Negeri Malang

untuk memenuhi tugas besar matakuliah

Elektronika Daya 

dibuat oleh :

                                         Bustanul Arifin                    (100531302369)

                  Habieb Nur Atmojo             (100531302358)

                  Ade Putro E.A. C                 (100531302362)

UNIVERSITAS NEGERI MALANG

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

PROGRAM STUDI D3 TEKNIK ELEKTRO

NOVEMBER 2011

       I.            Pendahuluan

1.1  Latar belakang

Pada  dasarnya Unintemrptible Power Supply  (UPS) merupakan sumber  tenaga  alternatif sementara  yang menggantikan  suplai tenaga listrik  ulama dalam  hal ini sumber  lisrik  PLN. IJPS  sendiri merupakan sebuah  sistem  yang  berdiri  sendiri terhadap  sistem  suplai  tenaga  listrik PLN. IJPS  diharapkan  rulmpu melindungi peralatan  liSrik  yang kritis terhadap  gangguan  suplai  tegangan  listrik.

Permasalahan  yang  timbul  dalam LIPS  pada umumnya adalah tidak sinkronnya  UPS dengan  tegangan  jala-jala- Ketika tegangan jala- jala mengalami  Epnggpan  dan  tedadi pmadamaa  tegangan  IIPS yang tidak  sinkron  dengan  tegangan jala-jala  menyebabkan  terjadinla  Frges€ran  fasa pada tegaxgan  1'ang diterima  oleh peralaan  listrik. Keadaan  ini  akan  terjadi lagi ketika  terjadi pergantian  suplai  tegangan saat  tegangan  jala-jala hidup dan  LJPS  kembali sebagai  edangan.

 Salah  satu  contoh aplikasi IJPS  lang  singkron  terhadap  tegangan jala-jala di indusri  adalah  pemanfaatan  UPS  untuk mensuplai  rangkaian trigger  dari  kowerter  besar sepeni AC  Variable Sped  Drive.  LIPS tersebut  digunakan  unhrk menghindari kegagalan  operasi  VSD apabila terjadi  tegangan  dip (tegangan  turun dalam  rvaktu  yang sangat  singkat).

1.2  Rumusan masalah

Berdasarkan latar belakang masalah popko dijabarkan sebagai berikut :

1.      Bagaimana cara merancang UPS 1 fasa menggunakan topologi Push Pull Inverter ?

2.      Bagaimana cara merakit UPS 2 fasa menggunakan Push Pull inverter ?

3.      Bagaiamana cara pengujian UPS 1 fasa menggunakan Push Pull inverter ?

1.3  Batasan masalah

Batasan masalah UPS 1 fasa menggunakan 1topologi Push Pull adalah sebagai berikut :

1.      Suplai yang digunakan adalah tegangan AC 1 fasa 220V 50Hz.

2.      Inverter  yang digunakan yaitu inverter resonan seri topologi  Push Pull  dengan komponen pensaklaran berupa MOSFET.

3.      Rangakaian kontrol menggunakan IC 4047.

4.      Alat ini digunakan frekuensi 50 HZ

5.      Alat ini digunakan pada tengangan input 12 Volt DC dan menghasilkan tegangan output 220 Volt AC.

1.4  Tujuan penelitian

Tujuan dari tugas akhir ini adalah

1.      Mengetahui cara merancang UPS 1 fasa menggunakan topologi Push pull.

2.      Mengetahuai cara merakit UPS push pull 1 fasa.

    II.            Dasar teori

2.1. Pengertian Umum Inverter

Inverter adalah sebuah perangkat elektronik yang mengubah tegangan AC tiga fasa dari jala-jala (berfrekuensi 50 Hz atau 60 Hz) menjadi tegangan DC, kemudian mengubahnya kembali menjadi tegangan AC tiga fasa dengan frekuensi yang bisa diatur-atur sesuai keinginan pengguna/user.

Salah satu aplikasi Inverter dalam dunia keelektroteknikan adalah untuk mengendalikan kecepatan putaran motor AC. Contohnya pada sistem ban berjalan (conveyor belt) Seperti yang kita ketahui bahwa kecepatan putaran motor AC dapat dikendalikan dengan mengatur frekuensi dari tegangan AC yang menjadi sumbernya. Pada gambar di atas, dapat dilihat bahwa PLC mengendalikan Inverter dalam menghasilkan tegangan AC dengan frekuensi yang dinginkan.

Biasanya frekuensi tegangan AC output Inverter komersial dapat dikendalikan dengan menggunakan sinyal tegangan atau sinyal arus eksternal. Oleh karena itu, Slave Output Analog PLC yang dapat menghasilkan sinyal arus, dapat digunakan untuk mengendalikan Inverter dalam menghasilkan tegangan AC dengan frekuensi yang diinginkan.

2.2. Bagian – Bagian Inverter

Komponen utama sebuah Inverter dalam pengoprasiannya, yaitu : Catu daya, picu (pwm), topologi elda, transformator step up, dan akumulator.

2.2.1. Catu Daya

Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari angkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi.

Gambar 2.2 Rangkaian Penyearah

Gelombang Penuh dengan Filter C

2.2.2. Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse width modulasi (PWM), atau pulsa-modulasi durasi (PDM), adalah teknik umum digunakan untuk mengendalikan daya ke perangkat listrik inersia, dibuat praktis oleh modern, switch daya elektronik.

Nilai rata-rata tegangan dan arus diumpankan ke beban, dikendalikan dengan memutar saklar antara pasokan dan beban on dan off pada kecepatan yang cepat. Semakin lama saklar tersebut dibandingkan dengan periode off, semakin tinggi daya yang disediakan untuk beban.

Frekuensi switching PWM harus jauh lebih cepat daripada apa yang akan mempengaruhi beban, yang berarti perangkat yang menggunakan daya. Biasanya switchings harus dilakukan beberapa kali dalam satu menit kompor listrik, 120 Hz di lampu redup, dari beberapa kilohertz (kHz) untuk puluhan kHz untuk drive motor dan juga ke dalam puluhan atau ratusan kHz dalam amplifier audio dan komputer pasokan listrik.

Istilah siklus menggambarkan proporsi waktu 'on' ke interval reguler atau 'periode' waktu, sebuah siklus tugas rendah sesuai dengan daya rendah, karena daya dimatikan untuk sebagian besar waktu. Siklus dinyatakan dalam persen, 100% sepenuhnya pada.

Keuntungan utama dari PWM adalah bahwa daya yang hilang dalam perangkat switching sangat rendah. Ketika switch off praktis tidak ada saat ini, dan ketika itu aktif, hampir tidak ada jatuh tegangan saklar. Daya yang hilang, sebagai produk dari tegangan dan arus, dengan demikian dalam kedua kasus mendekati nol. PWM juga bekerja dengan baik dengan kontrol digital, yang, karena mereka pada alam / off, dengan mudah dapat mengatur siklus diperlukan.

PWM juga telah digunakan dalam beberapa sistem komunikasi di mana siklus tugasnya telah digunakan untuk menyampaikan informasi melalui saluran komunikasi.

2.2.3. Topologi Elda

Topologi elda yang digunakan adalah jenis push pull. Rangkaian ini menggunakan 4 buah MOSFET atau BJT.

Gambar : pemicuan topologi push pull

Dalam rangakian diatas adalah rangkaian topologi dasar dalam push pull, ini bekerja dengan cara pemicuan dari PWM. Secara  sederhana  prinsip  kerja  inverter  dapat

dijelaskan pada gambar 2.14 berikut ini: 

   

Gambar 2.6 (a) Prinsip kerja inverter.

Dengan  menutup  S1  maka  arus  yang  mengalir  ke trafo  adalah I1,  sedangkan  pada  saat  menutupnya  S2  (S1 buka)  maka  yang  mengalir  adalah I2.  Selanjutnya  dengan mengulang-ulang  proses  diatas  maka  akan  dihasilkan tegangan  bolak-balik  (AC)  yang  kemudian  tegangannya dinaikkan dengan transformator.

2.2.4. Transformator

Prinsip dasar suatu transformator adalah induksi bersama (mutual induction) antara dua rangkaian yang dihubungkan oleh fluks magnet. Dalam bentuk yang sederhana, transformator terdiri dari dua buah kumparan induksi yang secara listrik terpisah tetapi secara magnet dihubungkan oleh suatu path yang mempunyai relaktansi yang rendah.

Kedua kumparan tersebut mempunyai mutual induction yang tinggi. Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak-balik, fluks bolak-balik timbul di dalam inti besi yang dihubungkan dengan kumparan yang lain menyebabkan atau menimbulkan ggl (gaya gerak listrik) induksi ( sesuai dengan induksi elektromagnet) dari hukum faraday, Bila arus bolak balik mengalir pada induktor, maka akan timbul gaya gerak listrik (ggl).

Gambar 2.4 Arah fluksi pada transformator

2.2.5. Akumulator

Akumulator (accu, aki) adalah sebuah alat yang dapat menyimpan energi (umumnya energi listrik) dalam bentuk energi kimia. Contoh-contoh akumulator adalah baterai dan kapasitor.

Pada umumnya di Indonesia, kata akumulator (sebagai aki atau accu) hanya dimengerti sebagai "baterai" mobil. Sedangkan di bahasa Inggris, kata akumulator dapat mengacu kepadabaterai, kapasitor, kompulsator, dan lain lain.

Di dalam standar internasional setiap satu cell akumulator memiliki tegangan sebesar 2 volt. sehingga aki 12 volt, memiliki 6 cell sedangkan aki 24 volt memiliki 12 cell. Aki merupakan sel yang banyak kita jumpai karena banyak digunakan pada sepeda motor maupun mobil. Aki temasuk sel sekunder, karena selain menghasilkan arus listrik, aki juga dapat diisi arus listrik kembali. secara sederhana aki merupakan sel yang terdiri dari elektrode Pb sebagai anode dan PbO2 sebagai katode dengan elektrolit H₂SO_4.

2.3. Charger

 Gambar : rangkaian charger

Relay adalah suatu peranti yang menggunakan elektromagnet untuk mengoperasikan seperangkat kontak saklar. Susunan paling sederhana terdiri dari kumparan kawat penghantar yang dililit pada inti besi. Bila kumparan ini dienergikan, medan magnet yang terbentuk menarik armatur berporos yang digunakan sebagai pengungkit mekanisme sakelar. Bagian-bagian Relay adalah Coil dan Contact. Coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang Contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya awal sebelum diaktifkan open, dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close).

Prinsip kerja dari relay : ketika Coil mendapat energi listrik maka akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup. Selain berfungsi sebagai komponen elektronik, relay juga mempunyai fungsi sebagai pengendali sistem.

Gambar 2.14 Skema Relay Elektromekanik

                    Sumber : Kilian, Christopher T, Modern Control Technology, (West Publishing Co : 1996)

Relay terdiri dari coil dan contact. Perhatikan gambar 2.15, coil adalah gulungan kawat yang mendapat arus listrik, sedang contact adalah sejenis saklar yang pergerakannya awal sebelum diaktifkan open), dan Normally Closed (kondisi awal sebelum diaktifkan close). Secara sederhana berikut ini prinsip kerja dari relay : ketika Coil mendapat energi listrik (energized), akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armature yang berpegas, dan contact akan menutup. Selain berfungsi sebagai komponen elektronik, relay juga mempunyai fungsi sebagai pengendali sistem. Sehingga relay mempunyai 2 macam simbol yang digunakan pada rangkaian listrik (hardware) dan program (software).

Relay yang digunakan adalah relay merk OMRON dengan tegangan input maksimal adalah 12 VDC, arus maksimal 1 A, tegangan kontak maksimal 120 VAC dan 24 VDC. relay ini dipakai karena arus yang menggalir adalah 1 A dengan tegangan sebesar 12 VDC.

 III.            Perancangan alat

Metode rancangan adalah bagian yang akan membahas tentag proses perencanaan pembuataan Push Pull inverter.

Secara block, UPS 1 fasa menggunakan Push pull inverter adalah sebagai berikut :

Gambar : 3.1 Diagram Kerja dari rangakain

Proses kerja rangakaian yaitu pada permulaan pengoprasian yaitu sebagai berikut :

3.1  rangakain kontrol IC 4047

Inverter dirancang untuk frekuensi 10 kHz – 200 kHz. Untuk  itu  ditentukan nilai  R dan C  untuk osilator menggunakan persamaan  (2.1). Nilai C  yang digunakan sebesar 1200 pF, kemudian nilai R dicari dengan persamaan:

Dari perhitungan diatas,  agar frekuensi bisa diatur maka digunakan potensiometer dengan 20 k Ω, dan R 1k Ω.

Gambar 3.2 : rangakain minimum sistem UPS

3.2  perancangan inverter

1.      Menetukan spesifikasi inverter yang akan dirancang. Inverter resonan seri yang dirancang memiliki spesifikasi sebagai berikut:

-. Bekerja pada tegangan sumber 220 Volt AC 50 Hz.

-  Daya maksimal 100 watt.-

2.      Menentukan MOSFET yang digunakan

Dalam menentukan MOSFET, hal yang perlu diperhatikan :

-          Tegangan Kerja

Tegangan keluaran  penyearah jembatan adalah 12 V DC dan akan langsung diinverting  sehingga MOSFET harus bisa menahan tegangan sebesar ini.

3.3  komponen – komponen  yang dibutuhkan

Komponen-komponen yang dibutuhkan dalam pembuatan alat UPS menggunakan Push Pull Inverter 450 W antara lain : (a) Rangkaian IC 4047 sebagai pemicu utama. (b) Rangakaian charger otomatis digunakan untuk melakukan pengisian ACU.(c)Relay berfungsi sebagai saklar otomatis saat pengisian ACU dan penyalaana inverter jika lampu mati. (d)Transformator digunakana untuk menaikkan tegangan dan menurunkan tegangan.(e)lampu berfungsi sebagai beban pada alat.(f) kabel berfungsi sebagai penghubung antar saluran. (g) pendingin berfungsi sebagai pembuang panas pada MOSFET.(h) Kapasitor berfungsi sebagai penyimpan tegangan sementara.(i) Resistor digunakan sebagai pembatas jumlah arus yang mengalir dalam suatu rangkaian.

3.4  Pembuatan Alat

Setelah perencanaan alat selanjutnya adalah pembuatan alat. Dalam tahap pembuatan alat ini adalah penerapan dari perencanaan alat yang proses-proses pembuatan UPS 1 fasa menggunakan Push Pull inverter sebagai berikut: (a)Merancang rangkaian, (b)menyablon rangakaian pada PCB, (c)Pengeburan pada PCB, (d)pelarutan PCB pada cairan feriklorit,(e)pelaksanaan rangakain komponen, (f) pemasangan komponen pada PCB,

IV. HASIL DAN ANALISIS

Setelah dilakukan pembuatan alat maka langkah selanjutnya adalah pengujian alat berupa pegecekkan setiap bagian-bagian rangkaian apakah rangkaian tersebut dapat bekerja sesuai dengan yang diinginkan atau tidak. Sebelum melakukan pengujian alat, langkah yang harus dilakukan adalah mengetahui proses.  

Pengujian dan analisa yang dilakukan dalam Tugas Akhir ini adalah pengujian terhadap  hardware  dan pada sistem secara keseluruhan.

3.5  Pengujian Tegangan keluaran

Dalam pengujian tegangan, tegangan yang dihasilkan setelah keluar dari transformator adalah sebesar 275 volt AC tanpa beban.

3.6  Pengujian Beban yang diberikan

 Dalam pengujian tegangan tanpa beban teganagn keluaran yang dihasilkan sebesar 275 dan tegangan keluaran setelah diberi beban dalam pengukuran menggunakan AVO menghasilkan tegangan 80 volt AC (dengan beban 75 watt).

 IV.            Kesimpulan

         Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada alat ini, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut:

1.      Bahwa dengan menggunakan transformator di pasaran kita dapat membuat UPS minimun yang tidak terlalu mahal dan alat serta komponen juga mudah didapat dipasaran.

2.      Inverter frekuensi tinggi yang dirancang memiliki tegangan input 220 V 50 Hz dengan tegangan keluaran DC 12 V dengan frekuensi 10 kHz hingga 200 kHz. Rangkaian pemicuan menggunakan IC 4047.

3.      Tegangan setelah keluar dari tranformator tegangan yang dihasilkan sangat besar, dan setelah diberi beban tegangan turun.

Gambar rangkaian minimum sistem UPS 1 fasa push pull

Gambar rangkaian UPS 1 fasa push pull

Gambar hasil alat inverter Push Pull

Gamabar hasil alat charger

 Gambar hasil percobaan

Gambar rangkaian charger

Gambar rangkaian Inverter Push pull