DESAIN BUCK CONVERTER BERTINGKAT UNTUK

i

DESAIN BUCK CONVERTER BERTINGKAT UNTUK

TRANSFORMATOR ELEKTRONIKA DAYA

Tugas Akhir

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Mencapai derajat S-1 Jurusan Teknik Elektro

Oleh :

MUHAMMAD FAUZI MARDANI

F1B016067

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MATARAM

2021

ii

TUGAS AKHIR



Oleh :

Muhammad Fauzi Mardani

F1B016067

Telah diterima dan disetujui oleh Tim Pembimbing :

1. Pembimbing Utama

Tanggal : 27 Januari 2021

I Nyoman Wahyu S., ST., MSc., Ph.D.

NIP : 19700908 199802 1 001

2. Pembimbing Pendamping

Tanggal : 25 Januari 2021

Supriono, ST., MT.

NIP : 19711126 199903 1 004

Mengetahui,

Ketua Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Mataram

Muhamad Syamsu Iqbal, ST., MT., Ph.D.

NIP : 19720222 199903 1 002

iii

TUGAS AKHIR



Oleh :


F1B016067

Telah dipertahankan di depan Tim Penguji

Pada Tanggal 22 Januari 2021

Dan dinyatakan telah memenuhi syarat mencapai derajat sarjana S-I

Jurusan Teknik Elektro

Susunan Tim Penguji :

1. Penguji I

Agung Budi Muljono, S.T., M.T. Tanggal : 26 Januari 2021

NIP.197102111998031002

2. Penguji II

Ni Made Seniari, S.T., M.T. Tanggal : 25 Januari 2021

NIP.197003201997022001

3. Penguji III

Rosmaliati, S.T., M.T. Tanggal : 25 Januari 2021

NIP.196807171998032002

Mataram, 27 Januari 2021

Akmaluddin, ST., M.Sc. (Eng)., PH.D.

NIP. 19681231 199412 1 001

iv

PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR

Saya yang bertanda tangan di bawah ini :

Nama : Muhammad Fauzi Mardani

NIM : F1B016067

Jurusan : Teknik Elektro

Fakultas : Teknik

Judul : Desain Buck Converter Bertingkat Untuk Transformator Elektronika Daya

Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir ini benar-benar karya saya sendiri.

Dimana sepanjang pengetahuan saya tidak terdapat karya yang ditulis atau diterbitkan

orang lain kecuali sebagai acuan dan/atau kutipan sebagaimana tata penulisan karya ilmiah

yang lazim.

Mataram, Januari 2021

Yang Menyatakan,


F1B016067

v

PRAKATA

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat

dan karunia-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan Tugas Akhir. Tugas

Akhir ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat mencapai derajat Sarjana S-1 di

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Mataram. Disamping itu Tugas Akhir

ini juga merupakan salah satu bentuk perwujudan atas ilmu pengetahuan yang telah

diperoleh selama di bangku kuliah.

Tugas Akhir yang disusun oleh penulis merupakan hasil penelitian yang berjudul

Desain Buck Converter Bertingkat Untuk Transformator Elektronika Daya. Tujuan dari

Tugas Akhir ini adalah menunjang data dalam penelitian di bidang Elektonika Daya untuk

mengetahui pengaruh penggunaan rangkaian Buck Converter pada sebuah rangkaian

transformator elektronika daya.

Penulis berharap bahwa Tugas Akhir ini dapat bermanfaat untuk diri penulis sendiri

selaku penyusun maupun bagi pembaca. Selain itu penulis terbuka untuk segala kritik dan

saran apabila dikemudian hari ditemukan kesalahan maupun kekeliruan dalam Tugas Akhir

ini. Akhir kata, atas perhatian pembaca penulis ucapkan terimakasih.

Mataram, Januari 2021

Penulis

vi

UCAPAN TERIMAKASIH

Tugas Akhir ini dapat diselesaikan berkat usaha dari berbagai pihak, baik dalam

wujud bimbingan dan dukungan ilmiah maupun materil, oleh karena itu pada kesempatan

ini penulis menyampaikan ucapan terima kasih dan syukur yang setulus-tulusnya kepada:

1. Allah Subhanahu Wa Ta’ala dan Rasulullah Muhammad Shallallahu Alaihi Wasallam

2. Kedua orang tua dan adik-adik penulis yang menjadi motivasi, yang selalu

memberikan doa, dukungan dan semangat kepada penulis sehingga dapat

menyelesaikan perkuliahan di teknik elektro dengan baik.

3. Bapak Akmaluddin, ST., M.Sc. (Eng)., Ph.D. selaku Dekan Fakultas Teknik

Universitas Mataram.

4. Bapak Muhamad Syamsu Iqbal, ST., MT., Ph.D. selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Mataram.

5. Bapak I Nyoman Wahyu Satiawan, ST., MSc., Ph.D selaku dosen pembimbing

pertama yang telah memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis selama

penyusunan Tugas Akhir ini, sehingga dapat terselesaikan dengan baik.

6. Bapak Supriono, S.T., M.T. selaku dosen pembimbing pendamping yang telah

memberikan bimbingan dan arahan selama menyusun Tugas Akhir ini.

7. Bapak Agung Budi Muljono, S.T., M.T., Ibu Ni Made Seniari, S.T., M.T., dan Ibu

Rosmaliati, S.T., M.T., selaku dosen penguji yang telah memberikan masukan-

masukan selama proses penyusunan Tugas Akhir ini.

8. Teman-teman seperjuangan Teknik Elektro angkatan 2016 yang tidak dapat saya

sebutkan satu persatu yang selalu bersedia membantu.

9. Sahabat yang banyak membantu selama perkuliahan dan praktikum secara langsung

maupun tidak, yang menjadi motivasi dan senantiasa memberikan doa dan dukungan.

10. Sahabat-sahabat (VII-1, VIII-1/IX-1, Independen FC, JJN dan lainnya) yang terus

memberikan bantuan, doa, semangat, dukungan dan futsalan.

11. Kakak-kakak dan adik-adik teknik elektro, rekan-rekan di BEM FT 2019, rekan-rekan

kepanitiaan dan rekan-rekan KKN Desa Kertasari 2019/2020.

vii

12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu, yang telah memberikan

bimbingan kepada penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

Semoga Allah SWT memberikan imbalan yang setimpal atas bantuan yang diberikan

kepada penulis.

viii

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL………………………………………………………………...…….. i

LEMBAR PENGESAHAN……………………………………………………………… ii

HALAMAN PERNYATAAN KEASLIAN……………………………………………...iii

PRAKATA ............................................................................................................................. v

UCAPAN TERIMAKASIH……………………………………………………………... vi

DAFTAR ISI ................................................................................................................... viiiii

DAFTAR GAMBAR…………………………………………………………………….. xii

DAFTAR TABEL……………………………………………………………………..... xiii

ABSTRAK .......................................................................................................................... xiv

ABSTRACT ......................................................................................................................... xv

BAB I. PENDAHULUAN ..................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang…………………………………………………………………………. 1

1.2 Rumusan Masalah……………………………………………………………………… 3

1.3 Batasan Masalah………………………………………………………………………... 3

1.4 Tujuan Penelitian……………………………………………………………………..... 3

1.5 Manfaat Penelitian……………………………………………………………………... 4

1.6 Sistematika Penulisan…………………………………………………………………... 4

BAB II. TINJUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI ..................................................... 5

2.1 Tinjauan Pustaka……………………………………………………………………....... 5

2.2 Dasar Teori……………………………………………………………………................7

2.2.1 Sistem jaringan distribusi ......................................................................................... 7

2.2.2 Transformator ........................................................................................................ 10

2.2.3 Harmonik ............................................................................................................... 11

2.2.4 Buck Converter ...................................................................................................... 14

2.2.5 Solid State Transformer ......................................................................................... 17

2.2.6 Penyearah ............................................................................................................... 20

ix

2.2.7 Inverter ................................................................................................................... 22

BAB III. METODOLOGI PENELITIAN ........................................................................ 24

3.1 Metode Penelitian……………………………………………………………………... 24

3.2 Lokasi dan Waktu Penelitian………………………………………………………… 24

3.3 Alat dan Bahan Penelitian……………………………………………………………. 25

3.4.2 Alat Penelitian ........................................................................................................ 25

3.4.3 Bahan Penelitian .................................................................................................... 25

3.4 Proses Penelitian……………………………………………………………………... 25

3.4.2 Studi Literatur ........................................................................................................ 25

3.4.3 Perancangan Penyearah ......................................................................................... 26

3.4.4 Perancangan Inverter ............................................................................................. 27

3.4.5 Perancangan Buck Converter Bertingkat ............................................................... 28

3.4.6 Melakukan Pengujian Rangkaian SST .................................................................. 31

3.5 Diagram Alir……………………………………………………………………........... 32

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................... 34

4.1 Pengujian Penyearah Tiga Fasa……………………………………………………….. 34

4.2 Pengujian Inverter Tiga Fasa………………………………………………………… 35

4.3 Perancangan Rangkaian Buck Converter Bertingkat………………………………… 37

4.3.1 Tegangan Keluaran Buck Converter ...................................................................... 38

4.3.2 Arus Keluaran Buck Converter .............................................................................. 41

4.3.3 Riak Tegangan Buck Converter ............................................................................. 42

4.3.4 Efisiensi Buck Converter ....................................................................................... 42

4.4 Pengujian Solid State Transformer………………………………………………………….. 44

4.4.1 Tegangan Keluaran Buck Converter ...................................................................... 45

4.4.2 Tegangan Keluaran Inverter .................................................................................. 47

x

4.4.3 Arus Keluaran Inverter .......................................................................................... 50

BAB V. PENUTUP ............................................................................................................. 54

5.1 Kesimpulan……………………………………………………………………............. 54

5.2 Saran……………………………………………………………………....................... 55

DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................................... 56

xi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Sistem Jaringan Distribusi Radial (Gonen, 2008) ............................................... 8

Gambar 2.2 Sistem Jaringan Distribusi Loop (Gonen, 2008) ................................................. 9

Gambar 2.3 Rangkaian Ekivalen Transformator .................................................................. 10

Gambar 2.4 Gelombang Terdistorsi Dari Frekuensi Fundamental ....................................... 11

Gambar 2.5 Representasi Deret Fourier Gelombang Terdistorsi (Dugan, 2002) ................. 13

Gambar 2.6 Gambar Rangkaian Buck Converter (Ejury, 2013) .......................................... 14

Gambar 2.7 Gambar Kondisi On dan Off Buck Konverter .................................................. 15

Gambar 2.8 Mode CCM (Ejury, 2013) ................................................................................. 15

Gambar 2.9 Mode DCM (Ejury, 2013) ................................................................................. 16

Gambar 2.10 Rangkaian Buck Converter Bertingkat Satu Saklar (Ortiz-Lopez,2007) ........ 16

Gambar 2.11 Gambar Susunan SST (She, 2013) .................................................................. 18

Gambar 2.12 Gambar Arsitektur SST (Ashok,2015) ........................................................... 19

Gambar 2.13 Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang (a) ............................................. 21

Gambar 2.14 Rangkaian Penyearah Jembatan (Dokic, 2015) .............................................. 21

Gambar 2.15 Rangkaian Penyearah Tiga Fasa (Dokic, 2015) .............................................. 22

Gambar 2.16 Rangkaian Inverter Tiga Fasa ......................................................................... 23

Gambar 3.1 Blok Diagram Solid State Transformer ............................................................ 24

Gambar 3.2 Sistem Kelistrikan dengan SST yang dirancang ............................................... 26

Gambar 3.3 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh ......................................................... 26

Gambar 3.4 Rangkaian Inverter Tiga Fasa ........................................................................... 27

Gambar 3.5 Diagram Alir Penelitian .................................................................................... 32

Gambar 3.6 Diagram Alir Perancangan Buck Converter Bertingkat .................................... 33

Gambar 4.1 Hasil Pengujian Penyearah Tiga Fasa ............................................................... 34

Gambar 4.2 Hasil Pengujian Rangkaian Inverter ................................................................. 35

Gambar 4.3 Gambar Spektrum Harmonisa Tegangan Keluaran Inverter ........................... 36

Gambar 4.4 Spektrum Harmonisa Arus Keluaran Inverter .................................................. 37

Gambar 4.5 Rangkaian Buck Converter Dua Tingkat .......................................................... 37

Gambar 4.6 Rangkaian Buck Converter Tiga Tingkat ......................................................... 38

Gambar 4.7 Rangkaian Buck Converter Empat Tingkat ...................................................... 38

xii

Gambar 4.8 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Dua Tingkat ........................... 39

Gambar 4.9 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Tiga Tingkat ......................... 39

Gambar 4.10 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Empat Tingkat ....................... 40

Gambar 4.11 Bentuk Gelombang Arus Keluaran Buck Converter Dua Tingkat (a), ........... 41

Gambar 4.12 Grafik Pengaruh Duty Cycle Terhadap Efisiensi ............................................ 43

Gambar 4.13 Rangkaian Solid State Transformer ............................................................... 45

Gambar 4.14 Gambar Keluaran Buck Converter 2 Tingkat (a) Tiga Tingkat (b) Empat

Tingkat (c) ............................................................................................................................. 46

Gambar 4.15 Gelombang Keluaran Inverter Pada Pengujian SST ...................................... 47

Gambar 4.16 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Dua Tingkat ......................... 48

Gambar 4.17 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Tiga Tingkat ........................ 48

Gambar 4.18 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Empat Tingkat ..................... 49

Gambar 4.19 Grafik Perbandingan THD Arus Terhadap Duty Cycle .................................. 50

Gambar 4.20 Gelombang Arus Keluaran Inverter Pada Pengujian SST ............................. 51

Gambar 4.21 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Dua Tingkat .................... 51

Gambar 4.22 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Tiga Tingkat ................... 52

Gambar 4.23 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Empat Tingkat ................ 52

Gambar 4.24 Grafik Perbandingan THD Arus Terhadap Duty Cycle .................................. 53

xiii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Standar Batas Distorsi Harmonik Tegangan ......................................................... 14

Tabel 2.2 Standar Batas Distorsi Harmonik Arus ................................................................. 14

Tabel 2.3 Perbandingan Fungsionalitas Tipe-tipe SST ........................................................ 20

Tabel 3.1 Tabel Pengurutan Saklar Inverter ......................................................................... 28

Tabel 3.2 Tabel Parameter Rancangan Buck Converter ....................................................... 29

Tabel 3.3 Tabel Nilai Duty Cycle ......................................................................................... 29

Tabel 3.4 Tabel Nilai Induktor ............................................................................................. 30

Tabel 3.5 Tabel Nilai Induktor ............................................................................................. 30

Tabel 4.1 Riak Tegangan Masing-masing Buck Converter .................................................. 42

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Efisiensi Buck Converrter Bertingkat ........................................ 43

Tabel 4.3 Hasil Pengujian Ketiga Rangkaian Buck Converter ............................................. 44

Tabel 4.4 Keluaran Buck Converter Pada Pengujian SST .................................................... 46

Tabel 4.5 Hasil Pengujian SST ............................................................................................. 53

xiv

ABSTRAK

Transformator distribusi memegang peran penting dalam proses penurunan tegangan

20 kV menjadi 380/220 V pada saluran distribusi. Transformator konvensional beroperasi

dengan prinsip elektromagnetik yang melibatkan banyak lilitan baik pada sisi primer

maupun sisi sekunder. Dengan perkembangan teknologi di bidang konversi daya, para ahli

mulai mengembangkan yang transformator berbasis peralatan elektronika daya yang

disebut Solid State Transformer. Penelitian ini dilakukan untuk menguji penggunaan Buck

Converter bertingkat pada rangkaian Solid State Transformer.

Dalam penelitian ini, dilakukan simulasi penggunaan Buck Converter bertingkat

sebagai komponen penurun tegangan, pada rangkaian Solid State Transformer tiga tahap

menggunakan program Matlab/Simulink. Akan dilihat apakah Buck Converter dapat

menurunkan tegangan keluaran Penyearah ke level tegangan yang dibutuhkan Inverter

untuk menghasilkan tegangan 380 V line to line dengan nilai Total Harmonic Distortion

(THD) lebih rendah dari batas standar.

Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa Buck Converter bertingkat dapat

menurunkan tegangan dengan baik. Dengan Duty Cycle 0,15 Buck Converter dua tingkat

dapat menurunkan tegangan 27.980 V DC menjadi 661 V DC dan menghasilkan keluaran

Inverter sebesar 398 V rms, dengan nilai THD tegangan 1,56% dan THD arus 3,07%.

Untuk Buck Converter tiga tingkat yang bekerja dengan Duty Cycle 0,27 dapat menurunkan

tegangan menjadi 663 V DC dimana tegangan keluaran Inverter sebesar 401 V rms, dengan

nilai THD tegangan 1,87% dan THD arus 3,09%. Sedangkan Buck Converter empat tingkat

yang bekerja dengan Duty Cycle 0,35 dapat menghasilkan tegangan keluaran 656 V DC

dimana tegangan keluaran Inverter sebesar 397,3 Vrms, dengan nilai THD tegangan 2,51%

dan THD arus 3,09%.

Kata kunci : Solid State Transformer, Buck Converter, Saluran Distribusi, Simulasi,

Simulink

xv

ABSTRACT

The distribution transformer plays an important role in the process of stepping the

voltage from 20 kV to 380/220 V in the distribution line. A conventional transformer with

an electromagnetic principle involves many coils both on the primary and secondary sides.

With the development of technology in power conversion, experts began to develop

transformer based on power electronic equipment called Solid State Transformers. This

final project was conducted to test the use of the Cascaded Buck Converter in the Solid

State Transformer circuit.

In this final project, a simulation for the use of a Cascaded Buck Converter as a

voltage reducing component in a three-stage Solid State Transformer circuit was carried

out using the Matlab/Simulink program. It will be seen whether the Buck Converter can

reduce the rectifier output voltage to the voltage level required by the Inverter to produce a

380 V line to line voltage with a Total Harmonic Distortion (THD) value below the

standard limit.

As a conclusion, it is found that the Cascaded Buck Converter circuit works well. By

using a Duty Cycle of 0,15 the two-stage Buck Converter reduces the voltage from 27,980

VDC to 661 VDC and the Inverter output is 398 V rms with the voltage THD value is 1.56%

and Current THD value 3,07%. The three-stage Buck Converter works using a Duty Cycle

of 0.27 can reduces the voltage to 663 VDC, where the Inverter output voltage is 401 V rms,

with the voltage THD value is 1.87% and current THD value 3,09%. For the four-stage

Buck Converter, using a Duty Cycle of 0.35, it is able to reduce the voltage to 656 VDC

where the Inverter output voltage is 397.3 Vrms, with the value of voltage THD is 2.51%

and current THD 3,09%.

Keywords : Solid State Transformer; Buck Converter; distribution line; simulation;

simulink

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam sebuah sistem tenaga listrik, transformator mempunyai peran yang sangat

penting. Transformator berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan sistem

dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi daya dan juga untuk alasan efisiensi dan

keamanan. Ada dua jenis transformator, yakni transformator penaik tegangan (step-up)

dan transformator penurun tegangan (step-down). Transformator step-up digunakan pada

sisi pembangkit untuk menaikkan tegangan yang dihasilkan oleh pembangkit sebelum

memasuki saluran transmisi. Transformator step-down digunakan pada sisi beban untuk

menurunkan tegangan dari saluran transmisi menjadi tegangan jaringan menengah 20 kV.

Selanjutnya pada sisi konsumen tegangan 20 kV diturunkan menjadi 380/220 Volt untuk

alasan keamanan.

Transformator konvensional terbuat dari dua buah kumparan (kumparan primer dan

sekunder) yang dililitkan pada sebuah inti besi (core) dan bekerja berdasarkan prinsip

induksi elektromagnetik. Namun transformator distribusi konvensional yang digunakan

saat ini memiliki beberapa kelemahan, diantaranya terdapat rugi-rugi yang terjadi pada

transformator itu sendiri, seperti rugi tembaga, rugi histerisis dan lain-lain. Selain itu

transformator konvensional juga hanya terbatas pada menaikkan atau menurunkan

tegangan saja. Dimana nilai tegangan keluaran transformator konvensional tidak stabil,

jika nilai tegangan masukan berubah, maka nilai tegangan keluaran juga akan ikut

berubah. Selain itu harga dari sebuah transformator distribusi sangat mahal sehingga

membebani biaya investasi sistem tenaga listrik.

Untuk mengatasi permasalahan di atas, para ahli mengusulkan perangkat yang dapat

berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tegangan seperti transformator konvensional

namun lebih baik dalam mengatasi permasalahan yang ada pada pendahulunya tersebut.

Perangkat tersebut disebut dengan Transformator Elektronika Daya atau Solid State

Transformer. Solid State Transformer (SST) merupakan pengembangan teknologi

transformator menggunakan prinsip pensaklaran (switching) untuk bekerja. Selain dapat

menaikan dan menurunkan tegangan, keunggulan yang dimiliki oleh Solid State

2

Transformer adalah dapat mengisolasi sisi masukan dan sisi keluaran. Dengan melakukan

isolasi ini maka Solid State Transformer dapat melakukan pengaturan terhadap tegangan

keluaran yang dihasilkan, seperti frekuensi, harmonisa dan lain-lain. Selain itu ukuran dari

Solid State Transformer juga jauh lebih kecil dibandingkan dengan transformator

konvensional. Solid State Transformer umumnya bekerja dalam beberapa tahapan, namun

secara umum komponen yang menjadi bagian dari Solid State Transformer dapat dibagi

menjadi Penyearah, konverter dan Inverter. Tegangan AC dari sumber disearahkan

terlebih dulu menjadi tegangan DC oleh Penyearah atau rectifier. Selanjutnya tegangan

DC diturunkan level tegangannya menggunakan konverter. Terakhir tegangan DC yg

sudah diturunkan tersebut dirubah kembali menjadi tegangan AC menggunakan Inverter

agar dapat digunakan oleh konsumen. Namun dalam perkembangannya saat ini, SST

masih menggunakan transformator dengan kumparan dan inti besi. Solid State

Transformer menggunakan transformator frekuensi tinggi dalam proses menurunkan

tegangan 20 kV menjadi 380/220 Volt. Walau secara umum lebih baik dari sebelumnya,

transformator frekuensi tinggi masih memiliki rugi-rugi yang ada pada transformator

konvensional. Selain itu penggunaan transformator frekuensi tinggi tidak memberikan

keuntungan dalam hal pengaturan tegangan DC yang menjadi salah satu keunggulan dari

Solid State Transformer.

Pada tugas akhir ini, penulis akan merancang sebuah Buck Converter Bertingkat

yaitu Buck Converter Bertingkat dengan Satu Saklar sebagai komponen menurunkan

tegangan DC pada rangkaian Solid State Transformer yang bekerja pada saluran distribusi.

Yaitu menurunkan tegangan dari 20 kV menjadi 380/220 Volt, yang kemudian dapat

berfungsi untuk menggantikan transformator konvensional. Buck Converter sendiri

merupakan perangkat elektronika daya yang dapat digunakan untuk menurunkan tegangan

dengan menggunakan metode pensaklaran (switching). Besar tegangan keluaran dari Buck

Converter ditentukan oleh nilai Duty Cycle, yaitu nilai perbandingan antara waktu saklar

on dengan total periode penyalaan saklar. Semakin besar nilai Duty Cycle maka semakin

besar pula nilai keluaran Buck Converter. Penggunaan Buck Converter Bertingkat ini

diharapkan dapat meningkatkan efisiensi dan fungsionalitas dari Solid State Transformer

khususnya dan keseluruhan sistem distribusi pada umumnya. Karena dengan penggunaan

3

Buck Converter untuk menggantikan transformator konvensional, maka rugi-rugi pada

transformator konvensional pada sistem distribusi dapat dihilangkan.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang di atas, dapat dirumuskan beberapa permasalahan

sebagai berikut :

1. Bagaimana mendesain rangkaian Buck Converter bertingkat untuk menurunkan

tegangan dari 20 KV menjadi 600 V DC dan kemudian diinversi menjadi 380/220 V

AC (rms) seperti halnya pada transformator distribusi.

2. Bagaimana perbandingan kinerja tingkatan Buck Converter dalam proses konversi

tegangan 20 KV menjadi 380/220 V AC.

3. Bagaimana kualitas tegangan dan arus dari transformator distribusi yang dirancang

menggunakan Buck Converter Bertingkat.

1.3 Batasan Masalah

Agar pembahasan dalam penelitian ini bisa terfokuskan, maka ada beberapa batasan

masalah yang perlu diperhatikan sebagai berikut :

1. Desain rangkaian dan pengujian Buck Converter Bertingkat menggunakan aplikasi

MATLAB/Simulink.

2. Rangkaian Buck Converter Bertingkat menggunakan Rangkaian Buck Converter

Bertingkat dengan satu saklar.

1.4 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai oleh penulis pada Tugas Akhir ini adalah :

1. Mengetahui bagaimana mendesain rangkaian Buck Converter bertingkat untuk

menurunkan tegangan dari 20 KV menjadi 600 V DC dan kemudian diinversi

menjadi 380/220 V AC (rms) seperti halnya pada transformator distribusi.

2. Mengetahui perbandingan kinerja tingkatan Buck Converter dalam proses konversi

tegangan 20 KV menjadi 380/220 V AC.

3. Mengetahui perbandingan kualitas tegangan dan arus dari transformator distribusi

yang dirancang menggunakan Buck Converter Bertingkat.

4

1.5 Manfaat Penelitian

Penelitian ini diharapkan dapat memberikan hasil yang memiliki manfaat sebagai

berikut :

1. Merupakan salah satu pengembangan dalam pemanfaatan teknologi elektronika daya

di bidang jaringan distribusi listrik.

2. Sebagai refrensi untuk penelitian tentang konverter, transformator elektronika daya

ataupun tugas akhir selanjutnya.

1.6 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan Gambaran mengenai pembahasan Tugas Akhir ini, maka

diuraikan susunan dari sistematika pembahasan Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut:

BAB I: PENDAHULUAN

Pada Bab I ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, batasan

masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan Tugas

Akhir.

BAB II: TINJAUAN PUSTAKA

Pada Bab II ini berisi teori-teori dasar yang menjadi landasan dilakukannya

penelitian ini serta penunjang permasalahan.

BAB III: METODELOGI PENELITIAN

Pada Bab III ini berisi tahapan-tahapan yang dilakukan dalam penyusunan Tugas

Akhir ini, mulai dari perencanaan diagram alir, perencanaan rangkaian Buck

Converter dan lain-lain.

BAB IV : HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada Bab IV ini berisi tentang hasil-hasil pengujian yang dilakukan, mulai dari

pengujian Penyearah, pengujian Inverter, pengujian Buck Converter, hingga

pengujian rangkaian Solid State Transofmator.

BAB V : PENUTUP

Pada Bab V ini berisi tentang kesimpulan dari penelitian yang sudah dilakukan dan

saran bagi penelitian selanjutnya.

5

BAB II

TINJUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI

2.1 Tinjauan Pustaka

Ortiz-Lopez, dkk (2007), telah melakukan penelitian tentang merancang sebuah

Buck Converter bertingkat dengan menggunakan 1 saklar. Mereka merancang sebuah DC-

DC konverter tipe buck untuk menurunkan tegangan dengan rasio yang besar. Pada

rancangan ini konverter bertingkat yang dirancang lebih sederhana dari rancangan

konverter bertingkat konvensional dimana hanya menggunakan satu buah saklar. Dengan

menggunakan dioda MUR5020 dan Mosfet IRFP150 sebagai switch. Proses penurunan

tegangan memanfaatkan metode Pulse Width Modulation (PWM). Dengan mengatur nilai

Duty Cycle pada satu saklar tersebut, maka bisa didapatkan tegangan yang diinginkan.

Duty Cycle sendiri merupakan perbandingan antara waktu saklar ON (TON) dengan total

periode penyalaan saklar (T). Pada penelitian ini rancangan konverter digunakan untuk

menurunkan tegangan 160 V menjadi 12 V dengan frekuensi kerja 70 kHz. Didapatkan

bahwa dalam prosesnya terjadi 3 kali proses penurunan tegangan dimana V1 = 67,4 V, V2

= 28,3 V dan V3 atau Vout = 12 V dengan total daya = 100 W.

Satiawan, dkk (2020), telah melakukan penelitian tentang merancang sebuah Buck

Converter bertingkat untuk transformator elektronika daya atau Solid State Transformer

(SST). Mereka merancang sebuah Buck Converter 3 tingkat untuk menurunkan tegangan

dari 20 kV menjadi 600 V dengan menggunakan Duty Cycle 20%. Pada penelitian ini

rancangan konverter menggunakan IGBT sebagai switch. Tegangan masukan dari sistem

distribusi 20 kV disearahkan menggunakan Penyearah gelombang penuh sebelum masuk

ke Buck Converter. Dan selanjutnya keluaran DCdari Buck Converter akan dirubah

menjadi tegangan AC 380/220 V rms menggunakan Inverter tiga fasa. Dari hasil

penelitian didapatkan bahwa Buck Converter bertingkat yang dirancang dapat menurunkan

tegangan dari 25,3 kV menjadi 600 V dengan riak tegangan sebesar 5%. Dimana tegangan

keluaran dari Penyearah adalah sebesar 25,3 kV DC dan keluaran dari Inverter adalah 420

V dengan nilai THD kurang dari 2%.

Falcones, dkk (2010), telah melakukan penelitian mengenai perbandingan

implementasi topologi Solid State Transformer (SST). Mereka melakukan penelitian

6

untuk mengetahui perbandingan enam jenis SST dari sisi rugi daya dan kapabilitas

masing-masing jenis pada tegangan masukan 7,2 kV dan tegangan keluaran 120 V. Jenis-

jenis topologi yang diuji pada penelitian ini adalah Single-stage: AC-AC Full-bridge

Converter, Single-stage: AC-AC Flyback, Two-stage: AC-DC Isolated Boost + PWM

Inverter, Two-stage: AC-DC DAB + PWM Inverter, Three-stage: PWM Rectifier + DC-

DC DAB + PWM Inverter dan Three-stage: Multilevel Rectifier + DC-DC Full-bridge

Converter + PWM Inverter. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa topologi

Single-stage memiliki rugi daya paling sedikit yaitu sekitar 407 W dari daya total 20kVA,

hal ini terkait dengan rugi saklar yang terjadi pada topologi Single-stage sangat kecil

akibat jumlah saklar pada topologi ini paling sedikit. Namun dari sisi kapabilitas fungsi

untuk masing-masing topologi, topologi Three-stage merupakan jenis yang paling cocok

digunakan untuk implementasi SST berdasarkan dari kemampuannya untuk mendukung

semua fungsi yang diharapkan dari SST.

Ahmed, dkk (2015), telah melakukan penelitian mengenai pemodelan dan simulasi

transformator elektronika daya berbasis konverter tiga tahap. Mereka melakukan

penelitian mengenai desain transformator elektronika daya yang menggunakan tiga

tahapan konverter, yaitu bagian input, bagian terisolir dan bagian output. Bagian input

terdiri dari sebuah penyearah tiga fasa, dan bagian output terdiri dari inverter tiga fasa

serta filter. Sedangkan untuk bagian terisolir terdiri konverter setengah jembatan yang

terhubung dengan transformator frekuensi tinggi dan penyearah 1 fasa. Dari penelitian

yang dilakukan, desain transformator elektronika daya dapat digunakan untuk

menurunkan tegangan Line to Line 11 kV ke tegangan 240 V 50 Hz.

Xu She, dkk (2013), telah melakukan penelitian mengenai teknologi Solid State

Transformer dan pengaplikasiannya pada sistem distribusi daya. Penelitian yang

dilakukan fokus pada aspek Perangkat Daya Tegangan Tinggi dan Topologi SST Pada

Sistem Distribusi. Dari penelitian yang sudah dilakukan didapatkan bahwa untuk

perangkat daya tegangan tinggi, komponen SiC Mosfet yang diuji pada tegangan 6,5 kV

memiliki rugi-rugi yang lebih kecil dibandingkan dengan IGBT. Sedangkan untuk

topologi, STT yang mengadopsi topologi tiga tahap, yaitu AC/DC - DC/DC - DC/AC

merupakan jenis yang paling banyak digunakan untuk mendesain SST saat ini karena

memiliki lebih banyak ruang pengembangan untuk tiap-tiap tahapnya.

7

Beberapa penelitian di atas akan digunakan sebagai acuan dalam penelitian yang

akan dilakukan. Dimana pada penelitian ini akan dirancang sebuah Buck Converter

Bertingkat menggunakan satu saklar untuk daya yang cukup besar. Dengan tujuan untuk

meningkatkan menunrunkan tegangan dari 20 kV menuju 220 Volt.

2.2 Dasar Teori

2.2.1 Sistem jaringan distribusi

Suatu sistem tenaga listrik merupakan kumpulan dari komponen-komponen atau

alat-alat listrik seperti generator, transformator, saluran transmisi, saluran distribusi, dan

beban, yang dihubung-hubungkan dan membentuk suatu sistem (Syahputra, 2017).

Jaringan distribusi merupakan bagian dari sistem tenaga listrik yang paling dekat

dengan pelanggan. Energi listrik yang dimanfaatkan oleh pelanggan memulai

perjalanannya pada saat dibangkitkan pada pusat-pusat pembangkit listrik seperti

Pembangkit Listrik Tenaga Uap, Pembangkit Listrik Tenaga Air, Pembangkit Listrik

Tenaga Surya, Pembangkit Listrik Tenaga Gas, dan lain-lain. Energi listrik tersebut

kemudian akan disalurkan ke pusat-pusat beban atau gardu induk melalui saluran

transmisi. Sebelum melalui saluran transmisi, tegangan pembangkitan terlebih dulu akan

dinaikkan menggunakan transformator step-up pada pusat pembangkit. Penaikkan

tegangan ini dilakukan untuk memperkecil arus sehingga dapat mengurangi rugi daya

yang terjadi. Sampai di gardu induk, tegangan listrik tersebut akan diturunkan

menggunakan transformator step-down menjadi tegangan menengah atau biasa disebut

jaringan distribusi primer. Level tegangan pada jaringan distibusi primer bervariasi mulai

dari 20kV, 12kV serta 6kV, namun pada saat ini kebanyakan jaringan distribusi primer

menggunakan level tegangan 20 kV.

Jaringan setelah keluar dari Gardu Induk bisa disebut jaringan distribusi, sedangkan

jaringan antara Pusat Listrik dengan Gardu Induk bisa disebut jaringan transmisi (Silaban,

2010). Tegangan listrik dari jaringan distribusi primer kemudian diturunkan kembali

menggunakan transformator step-down menjadi 380/220 volt dan selanjutnya disalurkan

menuju ke konsumen melalui jaringan distribusi tegangan rendah.

8

Ada beberapa topologi atau bentuk jaringan yang biasa digunakan untuk

menyalurkan energi listrik dari pusat beban ke konsumen, diantaranya adalah bentuk

radial dan loop.

1. Jaringan Distribusi Radial

Jaringan distribusi radial merupakan topologi yang paling sederhana dibanding

topologi lainnya. Jaringan ini dinamakan radial karena pada topologi ini saluran ditarik

secara radial dari sebuah titik yang menjadi sumber dan kemudian dicabangkan ke titik-

titik beban yang dilayani. sistem ini sendiri terdiri dari saluran utama dan saluran cabang.

Pada saluran cabang ini transformator step-down dipasang untuk menurunkan tegangan

sehingga dapat digunakan oleh konsumen.

Gambar 2.1 Sistem Jaringan Distribusi Radial (Gonen, 2008)

Keuntungan dari jaringan distribusi radial ini adalah :

a. Bentuknya yang sederhana sehingga memudahkan dalam proses instalasi

b. Biaya investasi yang dikeluarkan relatif lebih murah.

Selain dari beberapa keuntungan di atas, jaringan distribusi radial juga memiliki

beberapa kerugian, diantaranya adalah :

a. Kualitas daya yang dimiliki lebih jelek karena rugi tegangan dan rugi daya yang

terjadi pada saluran relatif besar.

9

b. Keandalan dari topologi ini cukup rendah karena antara titik beban dan titik sumber

hanya dihubungkan oleh satu saluran, sehingga apabila terjadi gangguan pada

saluran utama tersebut, maka keseluruhan jaringan akan terjadi pemadaman total.

2. Sistem Jaringan Distribusi Loop

Sistem jaringan distribusi loop atau ring, memiliki bentuk jaringan yang tertutup.

Jaringan ini disusun oleh dua saluran yang saling terhubung, membentuk sebuah ring

sehingga memungkinkan untuk konsumen dilayani melalui dua arah saluran. Untuk lebih

jelasnya, sistem jaringan loop ini dapat dilihat pada Gambar 2.2 berikut :

Gambar 2.2 Sistem Jaringan Distribusi Loop (Gonen, 2008)

Dari Gambar 2.2 di atas kita dapat meilihat bahwa pada beberapa bagian sistem,

dipasang sebuah sebuah peralatan yang dapat memutus dan menghubungkan jaringan.

Pemasangan alat ini digunakan untuk melokalisir area pada saat terjadi gangguan pada

sistem. Ketika gangguan terjadi pada salah satu area, maka saluran yang menuju area

gangguan akan terputus sehingga perbaikan dapat dilakukan tanpa harus melakukan

pemadaman total pada sistem.

Sistem jaringan distribusi loop ini meimiliki kualitas pelayanan yang lebih baik

dibanding dengan jaringan radial, dimana drop tegangan yang terjadi cukup rendah dan

tingkat keandalannya cukup tinggi karena tidak perlu melakukan pemadaman total saat

terjadi gangguan pada salah satu sistem. Namun kekurangan dari sistem jaringan ini

adalah biaya investasi yang cukup tinggi.

10

2.2.2 Transformator

Transformator adalah peralatan pada tenaga listrik yang berfungsi untuk

memindahkan/menyalurkan tenaga listrik tegangan rendah ke tegangan menengah atau

sebaliknya. Transformator distribusi digunakan untuk menurunkan tegangan listrik dari

jaringan distribusi tegangan tinggi menjadi tegangan terpakai pada jaringan distribusi

tegangan rendah (step down transformator); misalkan tegangan 20 KV menjadi tegangan

380 volt atau 220 volt.

Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi bersama antara dua buah

rangkaian yang terhubung oleh fluks magnet. Transformator dalam bentuk yang paling

sederhana terdiri dari dua buah kumparan induksi. Dua buah kumparan tersebut terpisah

secara elektris namun terhubung secara magnetis melalui sebuah inti (core) besi. Ketika

salah satu dari kedua kumparan dihubungkan dengan sumber tegangan bolak balik, maka

fluks bolak balik yang timbul di dalam inti besi akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl)

pada kumparan lainnya sesuai dengan induksi elektromagnetik dari hukum faraday. Yaitu

setiap perubahan medan magnet pada kumparan akan menyebabkan gaya gerak listrik

(ggl) induksi yang sebanding dengan laju perubahan fluks.

Gambar 2.3 Rangkaian Ekivalen Transformator

Dalam pengoperasiannya, transformator memiliki beberapa rugi-rugi yang terjadi,

yang biasa disebut dengan rugi-rugi transformator. Beberapa contoh rugi-rugi

transformator adalah :

1. Rugi Arus Pusar (eddy current)

Arus pusar merupakan arus yang muncul pada material inti (core) pada

transformator yang disebabkan tegangan yang diinduksi oleh fluks. Adanya resistensi

dari material inti kemudian menyebabkan arus pusar yang dapat menimbulkan panas,

sehingga bepengaruh terhadap fisik dari material inti tersebut. Bahkan jika terjadi panas

11

berlebih, ada kemungkinan bahwa transformator akan terbakar. Untuk mengurangi efek

dari arus pusar ini, material inti dibuat setipis mungkin dan dilaminasi, yang kemudian

disusun sesuai ketebalan yang diinginkan.

2. Rugi Hysterisis

Rugi Hysterisis terjadi akibat respon dari material ini yang terlambat akibat masih

adanya medan magnetik residu pada material. sehingga saat arus eksitasi bernilai nol,

fluks tidak langsung berubah menjadi nol, melainkan berkurang secara perlahan.

sebelum fluks tersebut mencapai nol, arus sudah mengalir kembali sehingga

membangkitkan fluks kembali. Rugi hysterisis ini akan memperkecil arus eksitasi

karena medan magnetik residu berlawanan arah dengan medan magnet yang dihasilkan

oleh arus eksitasi.

3. Rugi Tembaga

Rugi tembaga merupakan rugi yang muncul oleh konduktor atau bahan yang

digunakan untuk membuat kumparan. Rugi ini muncul akibat adanya resistansi dari

bahan tersebut.

2.2.3 Harmonik

Harmonik didefinisikan sebagai komponen sinusoidal dari periodik atau besaran

yang frekuensinya merupakan kelipatan bulat dari frekuensi fundamental. Gabungan

antara frekuensi fundamental dan harmonik dapat menciptakan gelombang terdistorsi.

Gambar 2.4 Gelombang Terdistorsi Dari Frekuensi Fundamental

dan Harmonik (Samman, 2015)

12

Nomor harmonik merujuk kepada elemen individu frekuensi yang menjadi bagian

dari suatu gelombang gabungan. Dimana penomoran harmonik ganjil merujuk kepada

harmonik dengan urutan ganjil (3,5,7 dan seterusnya) sedangkan harmonik genap adalah

harmonik dengan urutan genap (2,4,6 dan seterusnya). Untuk harmonik nomor satu

merujuk kepada frekuensi fundamental sistem dan harmonik nomor nol merujuk kepada

komponen DC pada sistem. Frekuensi fundamental memiliki frekuensi sebesar f,

sedangkan harmonik kedua memiliki frekuensi dua kali f dan harmonik ketiga memiliki

frekuensi tiga kali f. Contohnya jika frekuensi fundamental adalah 50 Hz, maka harmonik

kedua memiliki frekuensi 100 Hz dan harmonik ketiga memiliki frekuensi sebesar 150 Hz.

Gelombang terdistorsi yang merupakan gabungan dari gelombang fundamental dan

harmonik tersebut dapat dianalisis menggunakan konsep deret fourier, yang dimana dapat

didefinikan melalui persamaan 2.1 berikut :

( ) ∑ * (

) (

)+

(2. 1)

Persamaan 2.1 di atas dapat digunakan untuk gelombang dengan periode kontinyu

dimana koefisien Ao, An dan Bn dapat dicari menggunakan persamaan berikut :

∫ ( )

∫ ( )

∫ ( )

Dari persamaan-persamaan di atas, harmonisa tegangan dan arus dapat dinyatakan

dalam deret fourier :

( ) ∑ ( ) (2. 2)

( ) ∑ ( ) (2. 3)

Persamaan deret Fourier di atas dapat digunakan untuk memecah gelombang

terdistorsi menjadi gelombang fundamental dan gelombagn harmonik, dimana hal ini

menjadi dasar dalam menganalisis harmonik pada sistem tenaga listrik. Gambar 2.5

menunjukkan suatu gelombang terdistorsi yang direpresentasikan menggunakan deret

Fourier sehingga dapat diketahui gelombang fundamental dan beserta harmoniknya.

13

Gambar 2.5 Representasi Deret Fourier Gelombang Terdistorsi (Dugan, 2002)

Faktor distorsi menggambarkan tingkat gangguan harmonik pada jaringan listrik.

Ada beberapa pengukuran yang umum digunakan, salah satu yang paling umum adalah

distorsi harmonik total (THD). Persamaan 2.7 digunakan untuk menghitung nilai THD

tegangan, sedangkan Persamaan 2.8 digunakan untuk menghitung nilai THD arus dalam

sistem.

√∑

(2. 4)

√∑

(2. 5)

Setiap komponen sistem tenaga dapat dipengaruhi oleh harmonik walaupun dengan

akibat yang berbeda. Namun demikian, komponen tersebut akan mengalami penurunan

kerja dan bahkan akan mengalami kerusakan. Beberapa dampak dari harmonik adalah

panas lebih pada kawat netral dan transformator sebagai akibat timbulnya harmonik

ketiga, timbulnya getaran mekanis pada panel listrik yang merupakan getaran resonansi

mekanis akibat arus harmonik frekuensi tinggi dan harmonik dapat menimbulkan

tambahan torsi pada KWH meter jenis elektromekanis yang menggunakan program

induksi berputar.

Ada berbagai batas distorsi harmonik di beberapa negara. Kebanyakan industri

menggunakan batas distorsi yang dikeluarkan oleh IEEE std-519-1994 (B-15). Tabel 2.1

14

menunjukkan batas distorsi untuk tegangan. Sedangkan untuk batas distorsi arus

ditunjukkan oleh Tabel 2.2.

Tabel 2.1 Standar Batas Distorsi Harmonik Tegangan

Tegangan Bus Harmonik Individu

(%)

Total harmonik distorsi THD

(%)

V ≤ 1,0 kV 5,0 8,0

1 kV < V ≤ 69 kV 3,0 5,0

69 kV < V ≤ 161 kV 1,5 2,5

161 kV < V 1,0 1,5

Tabel 2.2 Standar Batas Distorsi Harmonik Arus

Distorsi Harmonisa Arus Maksimum dalam Persen terhadap IL

Isc/IL Orde Harmonisa Individual (Harmonisa Orde Ganjil) THD

(%) 3≤h<11 11≤h<17 17≤h<23 23≤h35 35≤h<50

<20 4 2 1,5 0,6 0,3 5

20<50 7 3,5 2,5 1 0,5 8

50<100 10 4,5 4 1,5 0,7 12

100<1000 12 5,5 5 2 1 15

>1000 15 7 6 2,5 1,4 20

2.2.4 Buck Converter

Buck Converter adalah konverter yang menghasilkan tegangan keluaran yang lebih

kecil dari tegangan masukannya (Tohir, 2016). Keluaran dari Buck Converter memiliki

polaritas yang sama dengan sumbernya dan sering juga disebut dengan step-down

converter.

Gambar 2.6 Gambar Rangkaian Buck Converter (Ejury, 2013)

Buck Converter terdiri dari 2 bagian, yaitu bagian power dan kontrol yang memiliki

fungsi berbeda. Bagian power merupakan bagian yang berfungsi untuk melakukan

konversi tegangan. Sedangkan bagian kontrol berfungsi sebagai pengontrol kondisi Buck

Converter, yang terbagi menjadi dua mode, yaitu ON dan OFF.

15

2.2.4.a Prinsip Kerja Buck Converter

Buck Converter memiliki 2 kondisi, yaitu ON dan OFF. Ketika berada pada kondisi

ON, arus dari sumber akan mengalir melalui konduktor menuju keluaran beban sehingga

tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan (pada kondisi ideal). Pada saat kondisi

ON, arus yang mengalir melewati induktor akan disimpan, hal ini disebut proses

pengisian. Pada kondisi OFF terjadi pemutusan antara sumber dengan induktor. Akibatnya

arus yang tersimpan di induktor dialirkan ke beban dan disebut dengan proses

pengosongan. Kedua kondisi inilah yang menyebabkan tegangan keluaran selalu lebih

rendah dari tegangan masukan konverter. Untuk lebih jelasnya, rangkaian pada saat

kondisi on dan off dapat dilihat pada Gambar 2.7 berikut :

Gambar 2.7 Gambar Kondisi On dan Off Buck Konverter

Besar tegangan keluaran dari Buck Converter ditentukan oleh lamanya kondisi ON

dibanding dengan waktu total satu periode ON-OFF atau yang disebut dengan Duty Cycle.

2.2.4.b Continous Conduction Mode

Continous conduction mode (CCM) merupakan salah satu mode pengoperasian

Buck Converter dimana arus yang mengalir pada induktor tidak pernah bernilai nol.

Gambar 2.8 Mode CCM (Ejury, 2013)

Sedangkan lawan dari mode CCM adalah Discontinous conduction mode (DCM)

yang arus mengalir para induktor akan bernilai nol pada periode tertentu.

16

Gambar 2.9 Mode DCM (Ejury, 2013)

2.2.4.c Induktor dan Kapasitor

Induktor merupakan bagian dari Buck Converter yang berfungsi untuk menyimpan

arus sementara dalam bentuk medan magnet. Pada kondisi ON arus dari sumber akan

disimpan oleh induktor. Arus yang disimpan tersebut kemudian digunakan untuk

mensuplai beban ketika Buck Converter berada dalam kondisi OFF.

Sedangkan pemilihan nilai kapasitor bertujuan untuk mengurangi riak tegangan

keluaran dari Buck Converter. Kapasitor akan menampung muatan dalam bentuk tegangan

ketika saklar ON dan akan melepaskan muatan tersebut menuju ke beban ketika saklar

OFF. Hal ini membuat tegangan pada beban menjadi lebih stabil dan mengurangi riak

tegangan.

2.2.4.d Buck Converter Bertingkat Dengan Satu Saklar

Buck Converter bertingkat dengan satu Saklar dikembangkan sebagai solusi untuk

mengatasi keterbatasan dari Buck Converter konvensional dalam melalukan konversi

tegangan dengan rasio yang lebih luas. Secara teori, rasio konversi yang lebih luas dapat

diperoleh dengan menyesuaikan kontrol modulasi sinyal kontrol pada konverter. Namun

dalam praktiknya, nilai maksimum dan minimum dari rasio konversi yang dapat dicapai

oleh konverter dibatasi oleh karakteristik dari komponen pensaklaran itu sendiri.

Gambar 2.10 Rangkaian Buck Converter Bertingkat Satu Saklar (Ortiz-Lopez,2007)

17

Pada konverter jenis ini, ketika saklar M dalam keadaan ON, maka D2,D4,...,D2n-2

dihidupkan secara serentak, mengkonduksi arus iD2 = IL2-IL1, iD4=IL3-IL2, ...., iDn=ILn-ILn-1

masing-masing. Arus rata-rata pada saklar setara dengan ILn x U. Ketika saklar M dalam

keadaan ON, D1, D3, ...., D2n-1 dalam keadaan mati. Saat saklar M dalam keadaan OFF, D1

akan menjadi jalur untuk arus IL1, D3 untuk arus IL2 dan seterusnya hingga tingkat terakhir,

dimana D2n-1 menjadi jalur arus ILn. Pada Buck Converter jenis ini, nilai tegangan keluaran

dapat dicari menggunakan persamaan :

(2. 6)

dimana : E = Tegangan masukan

U = Duty Cycle

Sedangkan nilai induktor minimum untuk mendapatkan mode kerja CCM adalah :

( )

( ) (2. 7)

dimana : Li = nilai Induktor ke-i

n = jumlah tingkatan Buck Converter

i = 1, 2, 3, ……

Dan untuk riak tegangan adalah :

( )

(2. 8)

dimana : Ci = Nilai kapasitor ke-i

2.2.5 Solid State Transformer

Solid State Transformer (SST) adalah sebuah komponnen yang terdiri dari beberapa

tingkat konverter elektronika daya yang terisolasi dengan transformator frekuensi tinggi

(Ashok, 2015). Solid State Transformer merupakan salah satu dari sepuluh teknologi yang

paling banyak muncul pada review teknologi oleh Massachusetts Institute of Technology

(MIT) di tahun 2010. Teknologi Solid State Transformer muncul untuk menggantikan

peran transformator distribusi konvensional saat ini.

18

Gambar 2.11 Gambar Susunan SST (She, 2013)

Ide dasar dari Solid State Transformer adalah untuk mendapatkan transformasi

tegangan dengan isolasi frekuensi menengah hingga tinggi, untuk mengurangi volume dan

berat jika dibandingkan dengan transformator tradisional (She,2013). Prinsip kerja dari

SST dapat dilihat pada Gambar 2.11 di atas. Tegangan AC 50 atau 60 Hz dirubah menjadi

tegangan dengan frekuensi tinggi yang umumnya berkisar antara beberapa KHz hingga

puluhan KHz. Kemudian tegangan frekuensi tinggi ini dinaikkan atau diturunkan

menggunakan transformator frekuensi tinggi dengan volume dan berat yang jauh lebih

rendah. selanjutnya tegangan frekuensi tinggi yang sudah dinaikkan atau diturunkan

tersebut dirubah kembali menjadi tegangan frekuensi rendah, sebesar 50 atau 60 Hz untuk

mensuplai beban.

Solid State Transformer sendiri memiliki beberapa kelebihan jika dibandingkan

dengan transformator konvensional. Pertama adalah penggunaan perangkat dan rangkaian

semikonduktor membuat regulasi tegangan dan arus mungkin dilakukan. Hal ini membuat

beberapa keuntungan menjanjikan seperti pengontrolan aliran daya, kompensasi jatuh

tegangan, membatasi gangguan arus, dan lain-lain. Yang ke dua adalah sumber tegangan

konverter yang terhubung dari terminal sekunder pada Solid State Transformer dapat

digunakan untuk saluran tegangan DC, yang mana dapat terhubung dengan jaringan listrik

skala kecil yang menggunakan tegangan DC. Hal ini dapat membawa kita pada

pengembangan arsitektur jaringan listrik kecil yang baru.

Walaupun Solid State Transformer memiliki konsep yang tergolong mudah, desain

dan implementasinya tidaklah semudah yang diperkirakan. Sejatinya Solid State

Transformer merupakan sebuah rangkaian elektronik dengan tegangan dan daya yang

tinggi, sehingga desain dan pengoperasiannya memberikan tantangan tersendiri bagi para

insinyur. Selain transformator frekuensi tinggi, pada Solid State Transformer juga terdapat

19

banyak komponen lain, seperti gate driver, heatsink, rangkaian kontrol, sistem pendingin,

perangkat daya dan perangkat lainnya. Solid State Transformer memiliki beberapa

arsitektur seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 berikut :

Gambar 2.12 Gambar Arsitektur SST (Ashok,2015)

Dari Gambar 2.12 di atas dapat dilihat bahwa terdapat 4 jenis arsitektur dalam

merancang sebuah Solid State Transformer, yaitu satu tahap (tipe A), dua tahap dengan

sambungan DC tegangan rendah (tipe B), dua tahap dengan sambungan DC tegangan

tinggi (tipe C), dan yang terakhir adalah tiga tahap (tipe D). Walau memiliki empat jenis

arsitektur, pada dasarnya Solid State Transformer tersusun dari 3 bagian :

1. Bagian Penyearah

Bagian pertama dari sebuah Solid State Transformer adalah bagian Penyearah.

Bagian ini berfungsi untuk merubah tegangan AC dari sumber menjadi tegangan DC.

2. Bagian Konversi Tegangan

Bagian ini merupakan tempat dimana tegangan diturunkan atau dinaikkan.

Umumnya bagian ini menggunakan transformator frekuensi tinggi untuk dapat

menurunkan atau menaikkan tegangan.

3. Bagian Inversi

Bagian terakhir dari susunan Solid State Transformer adalah bagian inversi. Bagian

ini berfungsi untuk merubah tegangan keluaran DC dari bagian sebelumnya menjadi

tegangan AC dengan frekuensi 50/60 Hz.

Sebagian besar Solid State Transformer yang telah dirancang di lapangan sejauh

ini mengadopsi arsitektur tipe D. Tipe D memiliki lebih banyak topologi yang tersedia

untuk setiap bagiannya, hal ini membuat tipe D memiliki ruang yang cukup banyak untuk

20

mengoptimalkan kinerjanya. Beberapa fitur yang dapat dikembangkan pada tipe D antara

lain adalah kompensasi penurunan tegangan, integrasi penyimpanan energi untuk sumber

daya energi terbarukan dan lain-lain. Tabel 2.3 menunjukkan perbandingan dari

fungsionalitas masing-masing arsitektur SST. Dari Tabel 2.3 ini dapat dilihat bahwa tipe

D (SST Tiga Tahap) memiliki lebih banyak fungsionalitas dibandingkan dengan tipe yang

lain.

Tabel 2.3 Perbandingan Fungsionalitas Tipe-tipe SST

Fungsionalitas Satu Tahap Dua Tahap Tiga Tahap

Pengaturan HVDC Link Tidak Ya Ya

Pengaturan LVDC Link Tidak Ya Ya

Pengaturan Tegangan Output Jelek Baik Baik

Pengaturan Arus Masukan Tidak Baik Sangat Baik

Pembatasan Arus Masuk Tidak Ya Ya

Pembatasan Arus Keluar Tidak Ya Ya

Proteksi HVDC Tegangan

Lebih Tidak Tidak Ya

Proteksi HVDC Tegangan

Kurang Tidak Tidak Ya

Proteksi LVDC Tegangan

Lebih Tidak Ya Ya

Proteksi LVDC Tegangan

Kurang Tidak Ya Ya

Independen Frekuensi Tidak Ya Ya

Implementasi Mudah Sulit Mudah

2.2.6 Penyearah

Menurut Dokic (2015), Penyearah atau Rectifier adalah sebuah rangkaian yang dapat

digunakan untuk merubah / mengkonversi tegangan AC menjadi tegangan DC. Dimana

rangkaian ini pada umumnya digunakan untuk menghubungkan antara sumber daya utama

dengan kontroller DC/DC. Sebuah Penyearah umumnya tersusun dari dioda dan atau

tyristor. Pada Penyearah terkendali, tegangan dan arus keluaran dapat dikontrol dengan

cara mengontrol sudut penyalaan dari tyristor. Sedangkan pada Penyearah yang

menggunakan dioda, kontrol tidak dapat dilakukan sehingga disebut Penyearah tidak

terkendali.

Penyearah juga terbagi menjadi Penyearah setengah gelombang dan Penyearah

gelombang penuh. Penyearah setengah gelombang yang paling sederhana hanya

21

menggunakan sebuah dioda, dimana dioda hanya akan konduksi ketika setengah siklus

positif tegangan sumber. Pada setengah siklus negatif tegangan sumber, dioda terblok

sehingga tidak ada arus yang akan mengalir. Sedangkan pada Penyearah gelombang

penuh, beberapa buah dioda akan konduksi bergantian pada setengah siklus positif dan

setengah siklus.

(a) (b)

Gambar 2.13 Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang (a)

Dan Gelombang Penuh (b) (Dokic, 2015)

Selain dari jenis yang disebutkan di atas, terdapat tipe Penyearah gelombang penuh

lainnya, yaitu Graetz bridge rectifier atau Penyearah jembatan. Rangkaian ini

menggunakan empat buah dioda yang dirangkai menjadi sebuah sirkuit jembatan. Dalam

setiap setengah siklus, sepasang dioda akan berkonduksi dan pasangan lainnya tidak. Arus

pada tiap siklus mengalir ke arah yang sama sehingga tegangan keluaran memiliki

polaritas yang sama.

Gambar 2.14 Rangkaian Penyearah Jembatan (Dokic, 2015)

Pada aplikasi dunia industri, dimana tegangan AC tiga fasa tersedia, penggunaan

Penyearah tiga fasa lebih direkomendasikan. Hal ini karena pada Penyearah jenis ini bila

22

dibandingkan dengan Penyearah satu fasa memiliki nilai komponen DC yang lebih tinggi,

riak tegangan keluaran lebih rendah dan daya keluaran lebih tinggi. Penyearah tiga fasa

banyak digunakan untuk peralatan dan instalasi yang membutuhkan daya yang besar,

dimana arus dan tegangan DC yang relatif sangat tinggi dibutuhkan. dan jenis yang paling

sering digunakan untuk Penyearah tiga fasa adalah Penyearah gelombang penuh.

Gambar 2.15 Rangkaian Penyearah Tiga Fasa (Dokic, 2015)

Berdasarkan Gambar rangkaian di atas, arus keluaran akan mengalir melalui satu

dioda pada grup di sisi atas dan satu dioda pada grup di sisi bawah. Dioda pada sisi atas

dengan potensial paling tinggi pada sisi anoda akan konduksi, sedangkan dua lainnya akan

berada pada kondisi reverse bias sehingga akan tidak aktif. Sedangkan pada sisi bawah,

hanya dioda dengan potensial paling rendah pada sisi katoda yang akan konduksi.

2.2.7 Inverter

Menurut Samman (2015), Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang

digunakan untuk mengkonversikan atau mengubah tegangan searah ke tegangan bolak-

balik. Berdasarkan jumlah fasanya, Inverter terbagi menjadi Inverter satu-fasa dan

banyak-fasa, yang salah satunya adalah Inverter tiga-fasa yang selama ini merupakan jenis

Inverter yang digunakan untuk menginterkoneksi keluarannya ke jala-jala sistem tenaga

listrik (grid). Pemakaian jenis tersebut dipilih didasarkan pada tempat penerapannya.

Pada umumnya Inverter Tiga Fasa bekerja dengan prinsip switched mode yang

rangkaian dasarnya seperti terlihat pada Gambar 2.15. Saklar-saklar pada Gambar tersebut

bekerja sedemikian rupa, sehingga bentuk tegangan keluaran (A, B,& C) dan membentuk

tegangan tiga fasa.

23

Gambar 2.16 Rangkaian Inverter Tiga Fasa

Setiap transistor akan aktif (berkonduksi) selama interval 180˚ terhadap siklus

gelombang, dengan masing-masing keluaran dari setiap kakinya dibuat berbeda 120˚,

artinya terdapat 3 buah fasa dari tegangan yang masing-masing berbeda 120˚. Pergeseran

fasa ini dihasilkan dari urutan pengaktifan transistor, yaitu pada suatu interval yang teratur

sebesar 60˚. Pengaktifan transistor tersebut berlangsung secara terus-menerus dan

berurutan untuk menyelesaikan satu siklus dari gelombang tegangan keluaran.

24

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

3.1 Metode Penelitian

Tugas akhir ini merancang dan menganalisa penggunaan Buck Converter bertingkat

sebagai penurun tegangan pada sebuah rangkaian Solid State Transformer (SST) untuk

menggantikan peran ransformator dengan lilitan dan inti besi. Prinsip kerja dari SST pada

penelitian ini terbagi menjadi tiga. Pertama adalah bagian konversi AC/DC, yaitu bagian

yang merubah tegangan AC dari sistem menjadi tegangan DC yang kemudian digunakan

pada bagian berikutnya. Tegangan AC 20 kV dari saluran distribusi primer disearahkan

menjadi tegangan DC menggunakan rangkaian Penyearah. Selanjutnya adalah bagian

konversi tegangan DC, yaitu bagian untuk menurunkan tegangan DC keluaran Penyearah.

Tegangan DC keluaran dari Penyearah akan menjadi tegangan masukan untuk Buck

Converter. Dimana Buck Converter akan menurunkan tegangan tersebut menjadi 600

Volt. Dan bagian terakhir adalah bagian konversi tegangan DC/AC, yaitu proses merubah

tegangan DC kembali menjadi tegangan AC yang dibutuhkan sistem. Tegangan DC yang

sudah diturunkan oleh Buck Converter akan dirubah kembali menjadi tegangan AC

menggunakan Inverter tiga fasa menjadi 380V/220V yang mewakili besar tegangan

jaringan tegangan rendah pada saluran distribusi.

Gambar 3.1 Blok Diagram Solid State Transformer

3.2 Lokasi dan Waktu Penelitian

Penelitian ini direncanakan akan dilaksananakan pada bulan September 2020 hingga

bulan Januari 2021 di Fakultas Teknik, Universitas Mataram.

25

3.3 Alat dan Bahan Penelitian

3.4.2 Alat Penelitian

Perangkat keras yang digunakan pada penelitian ini adalah sebuah Laptop ASUS

dengan Sistem Operasi Windows 10 Pro 64-bit spesifikasi AMD A9 up to 3 Ghz, Ram 4

GB lengkap dengan peralatan pendukung lainnya. Perangkat lunak yang digunakan dalam

penelitian ini adalah MATLAB R2013a beserta tool-tool yang terdapat di dalamnya.

3.4.3 Bahan Penelitian

Bahan Penelitian ini berupa rangkaian Penyearah, Buck Converter bertingkat serta

Inverter yang berasal dari penelitian yang pernah dilakukan sebelumnya maupun dari

buku-buku refrensi yang ada. Selain itu terdapat pula data berupa tegangan keluaran

Penyearah yang didapatkan dari hasil pengujian awal rangkaian Penyearah yang sudah

ada.

3.4 Proses Penelitian

Penyelesaian tugas akhir ini dilakukan melalui beberapa tahapan atau langkah-

langkah sebagai berikut:

3.4.2 Studi Literatur

Pada tahap ini dilakukan proses menggali dan mempelajari informasi tentang

rangkaian Solid State Transformer, Penyearah, Inverter dan Buck Converter bertingkat

melalui handbook, e-book, dan sebagainya dengan tujuan untuk mendapatkan rangkaian

refrensi yang akan digunakan pada penelitian guna membantu penyelesaian tugas akhir.

3.4.2 Perencanaan Solid State Transformer

Selanjutnya adalah proses perencanaan jenis rangkaian Solid State Transformer yang

akan digunakan dalam penelitian. Penelitian ini dilakukan untuk merancang sebuah SST

yang dapat menggantikan peran Transformator pada saluran distribusi, yang

menghubungkan antara jaringan tegangan menengah 20 kV dengan jaringan tegangan

rendah 380/220 V. Gambar 3.2 menunjukkan letak SST yang dirancang pada sebuah

sistem kelistrikan, dimana SST terletak di antara Gardu Induk dan Beban.

26

Gambar 3.2 Sistem Kelistrikan dengan SST yang dirancang

Untuk melakukan proses konversi tegangan 20 kV menjadi 380/220V, pada

penelitian ini digunakan SST dengan arsitektur tiga tahap, dimana penurunan tegangan 20

kV ke 380/200 V pada jenis ini dilakukan melalui proses penyarahan tegangan AC

menjadi DC menggunakan rangkaian penyarah, penurunan tegangan DC menggunakan

Buck Converter bertingkat dan terakhir inversi tegangan DC menjadi AC mengunakan

Inverter.

3.4.3 Perancangan Penyearah

Penyearah ini berfungsi untuk merubah tegangan AC dari sumber, menjadi tegangan

DC yang selanjutnya akan digunakan sebagai masukan untuk Buck Converter bertingkat.

Dimana pada penelitian ini, jenis Penyearah yang digunakan adalah Penyearah tiga fasa

gelombang penuh tidak terkendali. Rancangan Penyearah yang digunakan dirangkai

menggunakan 6 buah dioda dan 1 buah filter kapasitor yang disusun seperti pada Gambar

3.3 berikut :

Gambar 3.3 Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh

Pada rancangan Penyearah tiga fasa ini, tiga pasangan dioda pada bagian atas yaitu

D1, D3 dan D5 akan menjadi jalur untuk tegangan positif dari sumber menuju ke beban.

Dioda bagian atas akan terkonduksi menurut besar tegangan siklus positif dari sumber,

27

dimana dioda yang terhubung dengan fasa yang memiliki nilai tegangan (positif) paling

besar pada sisi anoda akan konduksi sehingga dapat melewatkan arus menuju beban,

sedangkan kedua dioda lainnya akan berada pada kondisi tidak aktif. Untuk tiga pasangan

dioda bawah, yaitu D4, D6 dan D2 akan menjadi jalur untuk tegangan negatif dari beban.

Dioda yang terhubung dengan fasa yang memiliki tegangan (negatif) paling besar pada

sisi katoda akan konduksi dan yang lainnya akan berada pada kondisi reverse bias.

Kombinasi kerja dari dioda bagian atas dan bawah ini kemudian akan menghasilkan

tegangan DC yang dapat digunakan untuk mensuplai Buck Converter.

Pada rangkaian ini, dalam proses Penyearahan setiap dioda akan bekerja selama 120˚

(dari siklus 360˚) dan secara keseluruhan setiap dioda sisi atas akan bekerja berpasangan

dengan dioda sisi bawah. Pasangan-pasangan dioda tersebut adalah D1-6, D1-2, D3-2, D3-4,

D5-4, D5-6. Setiap pasangan dioda akan bekerja selama 60˚. Pada rangkaian juga terdapat

sebuah filter yang berfungsi untuk mengurangi riak tegangan keluaran dari Penyearah agar

tegangan keluaran yang dihasilkan lebih mendekati tegangan DC murni.

3.4.4 Perancangan Inverter

Inverter berperan dalam mengubah tegangan DC keluaran Buck Converter menjadi

tegangan AC kembali. Pada penelitian ini digunakan sebuah Inverter tiga fasa untuk

merubah tegangan DC dari Buck Converter menjadi tegangan AC tiga fasa.

Gambar 3.4 Rangkaian Inverter Tiga Fasa

Rangkaian Inverter tiga fasa terdiri dari enam buah switch yang tersusun dari

komponen mosfet seperti pada Gambar 3.4 di atas. Dimana komponen mosfet dapat

28

bekerja pada frekuensi yang sangat tinggi. Switch pada Inverter ini dikontrol

menggunakan metode Pulse Width Modulation (PWM). Dimana setiap saklar akan aktif

selama total interval 180˚ dalam satu siklus gelombang. Dalam setiap periode 60˚ saklar

akan diaktifkan berpasangan dan membentuk aliran arus. Urutan pasangan pengaktifan

saklar pada rangkaian Inverter ini ditunjukkan oleh Tabel 3.1 di bawah.

Tabel 3.1 Tabel Pengurutan Saklar Inverter

Urutan

Ke- Saklar

Kondisi Tiap Fase Tegangan

Yang

Dihasilkan Fase A Fase B Fase C

1 Mosfet1-Mosfet6-Mosfet4 + - - Fase A +

2 Mosfet6-Mosfet3-Mosfet1 + + - Fase C -

3 Mosfet3-Mosfet6-Mosfet2 - + - Fase B +

4 Mosfet2-Mosfet3-Mosfet5 + - + Fase A-

5 Mosfet5-Mosfet4-Mosfet2 - - + Fase C+

6 Mosfet4-Mosfet1-Mosfet5 - + + Fase B-

Rangkaian Inverter tiga fasa pada Gambar 3.4 memiliki satu masukan yang berasal

dari Buck Converter dan memiliki tiga keluaran yang mewakili masing-masing fasa dari

sistem distribusi jaringan tegangan rendah. Pada keluaran Inverter terdapat sebuah filter

berupa filter pasif yang tersusun dari komponen induktor dan kapasitor. Filter berfungsi

untuk menyaring tegangan keluaran Inverter sehingga tegangan keluaran yang dihasilkan

dapat mendekati sinusoidal murni.

3.4.5 Perancangan Buck Converter Bertingkat

Buck Converter berfungsi untuk menurunkan tegangan DC. Tegangan masukan Buck

Converter berasal dari tegangan keluaran Penyearah. Sedangkan keluaran Buck Converter

akan menjadi masukan untuk Inverter. Karena rasio antara tegangan masukan dan

keluaran Buck Converter sangat besar, maka pada penelitian ini jenis Buck Converter yang

dirancang adalah Buck Converter bertingkat. Pada penelitian ini akan dirancang tiga buah

Buck Converter bertingkat satu saklar dengan berbagai tingkatan dan kemudian melihat

kinerja dari masing-masing tingkatan, baik untuk rangkaian tunggal Buck Converter

maupun setelah Buck Converter bekerja dalam sebuah Solid State Transformer.

Spesifikasi Buck Converter bertingkat yang dirancang diperlihatkan pada Tabel 3.2

berikut ini :

29

Tabel 3.2 Tabel Parameter Rancangan Buck Converter

No Parameter Nilai

1 Tingkatan Buck Converter 2, 3 dan 4

2 Tegangan masukan 20 kV

3 Tegangan keluaran 600 V

4 Frekuensi 20 kHz

5 Riak tegangan 5%

6 Resistor Beban 1 Ohm

3.4.5.a Pemilihan Komponen Saklar

Saklar memegang peran penting dalam perancangan Buck Converter karena

merupakan komponen utama Buck Converter. Saklar berperan dalam proses memutus dan

menghubungkan rangkaian Buck Converter demi mendapatkan tegangan keluaran yang

diinginkan. pemilihan komponen saklar didasarkan pada tegangan, arus dan frekuensi

kerja yang akan dilakukan oleh Buck Converter. Untuk saat ini komponen saklar dengan

rating tegangan dan arus kerja tertinggi adalah IGBT. Selain itu frekuensi kerja 20 kHz

juga masih dalam rentang frekuensi kerja IGBT. Oleh karena itu IGBT dipilih dalam

perancangan Buck Converter yang akan dilakukan.

3.4.5.b Menghitung Duty Cycle

Menghitung Duty Cycle untuk Buck Converter bertingkat satu switch dapat

dilakukan menggunakan Persamaan 2.6 berikut :

U = n√Vout/E

Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan, didapatkan nilai Duty Cycle untuk

ketiga tingkat Buck Converter yang ditampilkan pada Tabel 3.3 :

Tabel 3.3 Tabel Nilai Duty Cycle

Tingkatan Buck

Converter

Nilai Duty

Cycle

2 0,17

3 0,31

4 0.42

30

3.4.5.c Menentukan Nilai Induktor

Pada rangkaian Buck Converter bertingkat satu switch n tingkat, terdapat n buah

induktor yang dipasang secara seri. Nilai minimum untuk masing-masing induktor ini

dapat dicari menggunakan Persamaan 2.7 :

( )

( )

Dari hasil perhitungan yang dilakukan, didapatkan nilai komponen induktor

minimum untuk masing-masing tingkat Buck Converter seperti terlihat pada Tabel 3.4

berikut :

Tabel 3.4 Tabel Nilai Induktor

Tingkat Nilai Induktor (H)

L1 L2 L3 L4

2 6,9 x 10-4

2 x 10-5

- -

3 1,85 x 10-3

1,7 x 10-4

1,7 x 10-5

-

4 2,8 x 10-3

8,5 x 10-4

8,4 x 10-4

1,26 x 10-5

3.4.5.d Menentukan Nilai Kapasitor

Perhitungan nilai kapasitor diperlukan untuk menentukan besar kapasitor agar

mendapat riak tegangan yang diinginkan. Pada perancangan ini diinginkan riak tegangan

maksimal keluaran Buck Converter sebesar 5% (30 V). Untuk menghitung nilai kapasitor

minimum yang harus digunakan dapat melalui Persamaan 2.8 :

( )

Dari hasil perhitungan yang dilakukan, didapatkan nilai komponen kapasitor untuk

masing-masing tingkat Buck Converter ditampilkan pada Tabel 3.5 berikut :

Tabel 3.5 Tabel Nilai Induktor

Tingkat Nilai Kapasitor (F)

C1 C2 C3 C4

2 1,4 x 10-4

8,3 x 10-4

- -

3 6,5 x 10-5

2,15 x 10-4

6,9 x 10-4

-

4 3,05 x 10-5

6,15 x 10-5

2,43 x 10-4

5,8 x 10-4

31

3.4.5.e Pengujian Rangkaian Buck Converter

Setelah rangkaian dibuat, selanjutnya adalah melakukan pengujian. Pengujian

dimaksudkan untuk mengetahui bagaimana kinerja dari Buck Converter bertingkat yang

dirancang. Pada pengujian ini dilihat apakah rancangan Buck Converter sebelumnya dapat

menurunkan tegangan dari 20 kV ke 600 Volt dengan nilai Duty Cycle yang sudah

ditentukan sebelumnya. Selain itu diperhatikan juga arus dari keluaran Buck Converter

apakah berada pada mode CCM dan apakah nilai riak tegangan keluaran Buck Converter

kurang dari 5%. Ketiga parameter acuan dalam pengujian ini dilihat menggunakan

komponen scope dan display pada simulink matlab.

3.4.6 Melakukan Pengujian Rangkaian SST

Selanjutnya adalah melakukan pengujian rangkaian Solid State Transformer.

Pengujian ini dilakukan dengan menambahkan rangkaian Penyearah pada sisi masukan

Buck Converter dan Inverter pada sisi keluaran Buck Converter. Pengujian ini mewakili

sebuah sistem SST pada jaringan distribusi, mulai dari sumber tegangan AC 20 kV dari

jaringan tegangan menengah hingga keluaran Inverter berupa tegangan 380/220 V untuk

jaringan distribusi tegangan rendah. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh

penggunaan Buck Converter bertingkat pada sebuah rangkaian SST serta mengetahui

perbandingan antar tingkatan Buck Converter yang diuji. Hal-hal yang diperhatikan pada

pengujian ini adalah apakah rangkaian SST dapat menghasilkan tegangan AC 380/220 V

dengan frekuensi 50 Hz, dan bagaimana nilai Total Harmonic Distortion (THD) pada

tegangan keluaran Inverter. Pengujian nilai THD ini dilakukan menggunakan tool FFT

analysis yang disediakan oleh Matlab.

32

3.5 Diagram Alir

Penelitian ini dilakukan dengan tahapan-tahapan yang digambarkan dalam diagram

alir seperti pada Gambar 3.5. Sedangkan Gambar 3.6 menunjukkan tahapan-tahapan

perancangan Buck Converter yang digunakan.

Gambar 3.5 Diagram Alir Penelitian

33

Gambar 3.6 Diagram Alir Perancangan Buck Converter Bertingkat

34

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Pengujian Penyearah Tiga Fasa

Pengujian Penyearah tiga fasa dilakukan untuk mengetahui apakah Penyearah tiga

fasa pada rancangan dapat bekerja untuk mengubah tegangan AC dari sumber menjadi

tegangan DC. Pengamatan hasil pengujian dilakukan dengan melihat tegangan keluaran

Penyearah pada scope. Pengujian dilakukan pada rangkaian Penyearah sebelum

ditambahkan filter dan pada rangkaian Penyearah setelah ditambahkan filter berupa

kapasitor sebesar satu Farad yang dirangkai secara paralel dengan beban. Hal ini untuk

mengetahui pengaruh pemasangan filter terhadap tegangan keluaran Penyearah. Hasil dari

pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.1 di bawah ini.

(a)

(b)

(c)

Gambar 4.1 Hasil Pengujian Penyearah Tiga Fasa

35

Dari Gambar 4.1 dapat dilihat bahwa Penyearah dapat merubah tegangan AC 50 Hz

dari sumber menjadi tegangan DC. Pada tegangan keluaran tanpa filter (Gambar 4.1 b),

dapat dilihat bahwa tegangan keluaran memiliki riak yang cukup besar. Tegangan rata-rata

keluaran Penyearah adalah sebesar 26.950 V dimana tegangan minimumnya adalah

24.457 Volt dan tegangan maksimum 28.211 V sehingga riak yang dihasilkan adalah

sebesar 14%.

Sedangkan pada tegangan keluaran dengan filter (Gambar 4.1 c), tegangan DC yang

dihasilkan lebih baik, dimana riak tegangan yang dihasilkan mengalami penurunan yang

cukup signifikan. Tegangan rata-rata keluaran Penyearah dengan filter adalah sebesar

27.980 V dengan riak tegangan yang dihasilkan sebesar 0,24 %. Dari hasil ini diketahui

bahwa pemasangan filter kapasitor dapat memperbaiki kualitas tegangan yang dihasilkan

oleh Penyearah.

4.2 Pengujian Inverter Tiga Fasa

Pengujian Inverter tiga fasa dilakukan untuk mengetahui apakah rancangan Inverter

dapat merubah tegangan DC menjadi tegangan AC 50 Hz. Pengamatan hasil pengujian

dilakukan dengan melihat tegangan keluaran Inverter melalui scope. Pengujian dilakukan

pada tegangan keluaran Inverter sebelum ditambahkan filter dan setelah ditambahkan

filter. Hasil dari pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.2 dibawah ini :

(a) (b)

(c)

Gambar 4.2 Hasil Pengujian Rangkaian Inverter

36

Dari Gambar 4.2 dapat dilihat bahwa pada tegangan keluaran tanpa filter (Gambar

4.2 b) yang dihasilkan oleh Inverter, tegangan keluaran yang dihasilkan tidak berbentuk

sinusoidal murni. Berbeda dengan hasil keluaran pada Inverter dengan filter (Gambar 4.2

c). Sedangkan untuk Gambar spektrum THD dari pengujian yang dilakukan ditunjukkan

oleh Gambar 4.3. Sumbu X merepresentasikan nomor harmonik, yang dimulai dari

harmonik ke nol dan seterusnya, sedangkan sumbu Y merepresentasikan magnitud dari

masing-masing komponen harmonik pada gelombang. Didapatkan bahwa untuk tegangan

keluaran tanpa filter memiliki nilai THD sebesar 62,76% (Gambar 4.3 a) sedangkan untuk

tegangan keluaran dengan filter sebesar 1,15 % (Gambar 4.3 b).

a

b

Gambar 4.3 Gambar Spektrum Harmonisa Tegangan Keluaran Inverter

37

Untuk spektrum THD arus keluaran inverter, ditunjukkan oleh Gambar 4.4. dimana

dari Gambar 4.4 dapat dilihat bahwa inverter menghasilkan arus dengan nilai THD sebesar

1,53%.

Gambar 4.4 Spektrum Harmonisa Arus Keluaran Inverter

Dari hasil pengujian yang ditunjukkan oleh Gambar 4.3 dan Gambar 4.4 diketahui

bahwa pengaruh pemasangan filter yang tersusun dari komponen induktor dan kapasitor

cukup baik dalam memperbaiki bentuk keluaran tegangan dan arus dari inverter.

4.3 Perancangan Rangkaian Buck Converter Bertingkat

Rangkaian Buck Converter untuk setiap tingkat dapat dilihat pada Gambar 4.5 untuk

Buck Converter dua tingkat, Gambar 4.6 untuk Buck Converter tiga tingkat dan Gambar

4.7 untuk Buck Converter empat tingkat.

Gambar 4.5 Rangkaian Buck Converter Dua Tingkat

38

Gambar 4.6 Rangkaian Buck Converter Tiga Tingkat

Gambar 4.7 Rangkaian Buck Converter Empat Tingkat

Dari Gambar 4.5, Gambar 4.6 dan Gambar 4.7 dapat dilihat bahwa setiap tingkatan

Buck Converter sama-sama memiliki satu buah saklar dan sebuah beban. Sedangkan

untuk jumlah komponen penyusun lainnya tergantung dari tingkatan Buck Converter.

Buck Converter dua tingkat tersusun dari 3 dioda, 2 kapasitor dan 2 induktor. Untuk Buck

Converter tiga tingkat tersusun dari 5 dioda, 3 kapasitor dan 3 induktor. Terakhir Buck

Converter empat tingkat tersusun dari 7 dioda, 4 kapasitor dan 4 induktor.

Setelah membuat rangkaian Buck Converter pada simulink, selanjutnya dilakukan

pengujian untuk menguji apakah Buck Converter yang dirangkai dapat bekerja sesuai

spesifikasi yang diberikan sebelumnya. Parameter-parameter yang diperhatikan dalam

pengujian yang dilakukan adalah nilai tegangan keluaran, arus keluaran dan riak tegangan

keluaran dari Buck Converter.

4.3.1 Tegangan Keluaran Buck Converter

Untuk mengetahui nilai dan bentuk tegangan keluaran dari Buck Converter yang

dirancang, digunakan komponen voltage measurement pada simulink, yang hasilnya

39

kemudian ditampilkan pada display dan scope. Scope berfungsi untuk menampilkan

bentuk gelombang keluaran dari Buck Converter, sedangkan display berfungsi untuk

menampilkan nilai tegangan keluarannya. Nilai tegangan keluaran yang ditampilkan

merupakan nilai tegangan keluaran rata-rata. Bentuk gelombang keluaran dari masing-

masing tingkatan Buck Converter dapat dilihat pada Gambar 4.8, Gambar 4.9 dan Gambar

4.10.

(a) (b)

Gambar 4.8 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Dua Tingkat

Berdasarkan Gambar 4.8 dapat dilihat pada Buck Converter dua tingkat, terdapat

dua tegangan keluaran yang ditampilkan. Gambar 4.8 a merupakan tegangan yang terukur

pada C1 yang merupakan tingkatan pertama dari proses penurunan tegangan. Pada bagian

ini nilai tegangan yang terukur adalah sebesar 3389 V. Sedangkan Gambar 4.8 b

merupakan tegangan keluaran yang terukur pada beban, yang merupakan tegangan

keluaran dari Buck Converter dengan nilai tegangan yang terukur adalah sebesar 605 V.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.9 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Tiga Tingkat

40

Gambar 4.9 merupakan Gambar gelombang tegangan untuk Buck Converter tiga

tingkat. Gambar 4.9 a merupakan gelombang tegangan pada C1 yang terukur sebesar 6050

V. Gambar 4.9 b merupakan gelombang tegangan pada C2 yang terukur sebesar 2032 V.

Dan Gambar 4.9 c merupakan gelombang tegangan pada sisi beban dan merupakan

tegangan keluaran Buck Converter, yang terukur sebesar 661 V.

(a)

(b)

(c)

(d)

Gambar 4.10 Bentuk Gelombang Keluaran Buck Converter Empat Tingkat

Pada Buck Converter empat tingkat, terdapat empat buah gelombang tegangan,

dimana terjadi penurunan besar tegangan pada setiap tingkat. Gambar 4.10 a merupakan

gelombang tegangan pada C1 dan terukur sebesar 8035 V. Untuk Gambar 4.10 b

merupakan bentuk gelombang pada C2 yang terukur sebesar 3651 V. Dan Gambar 4.10 c

merupakan bentuk gelombang pada C3 yang nilainya terukur sebesar 1652 V. Sedangkan

Gambar 4.10 d merupakan bentuk tegangan pada sisi beban dan merupakan tegangan

keluaran dari Buck Converter yang bernilai 724 V.

Dari hasil pengujian tegangan diketahui bahwa proses penurunan tegangan yang

dilakukan oleh Buck Converter tergantung dari tingkatan Buck Converter yang digunakan.

Dimana dengan semakin banyaknya tingkatan Buck Converter, maka semakin banyak pula

siklus penurunan tegangan yang terjadi. Hal ini menyebabkan semakin jauh pula rasio

tegangan yang bisa diturunkan oleh Buck Converter.

41

4.3.2 Arus Keluaran Buck Converter

Pada perancangan ini, diinginkan sebuah Buck Converter yang bekerja pada mode

continous conduction (CCM) dimana mode ini ditandai dengan nilai arus yang tidak

pernah bernilai nol. Pada pengujian ini, digunakan componen current measurement untuk

mengetahui nilai arus keluaran Buck Converter yang kemudian ditampilkan melalui scope.

Tampilan scope akan menunjukkan bentuk gelombang arus keluaran, sehingga dapat

diketahui apakah nilai arus bernilai nol atau tidak. Tampilan scope dari masing-masing

rangkaian ditunjukkan pada Gambar 4.11 berikut :

(a) (b)

(c)

Gambar 4.11 Bentuk Gelombang Arus Keluaran Buck Converter Dua Tingkat (a),

Tiga Tingkat (b) dan Empat Tingkat (c)

Dari Gambar 4.11 di atas dapat dilihat bahwa ketiga rangkaian memiliki bentuk arus

keluaran yang mirip dimana terdapat nilai overshoot di awal sebelum akhirnya nilai arus

keluaran mulai stabil. Rangkaian Buck Converter dua tingkat memerlukan waktu sekitar

0,012 detik untuk mencapat keadaan stabil, sama dengan Buck Converter tiga tingkat.

Sedangkan untuk Buck Converter empat tingkat perlu waktu 0,014 detik agar mencapai

keadaan stabil.

Selain itu, dari Gambar 4.11 tidak ditemukan arus yang menyentuh nilai nol,

sehingga dapat dikatakan bahwa ketiga rancangan Buck Converter bekerja dalam keadaan

continous conduction mode. Hasil pengujian yang sudah dilakukan menunjukan bahwa

pemilihan nilai induktor untuk masing-masing rangkaian sudah tepat. Dimana induktor

42

yang terpasang dengan nilai sesuai hasil perhitungan dapat menyimpan arus pada kondisi

saklar ON dengan jumlah yang cukup sehingga dapat disalurkan ke beban ketika saklar

OFF. Hal ini menyebabkan beban selalu teraliri oleh arus dan Buck Converter bekerja

pada continous conduction mode.

4.3.3 Riak Tegangan Buck Converter

Pada rancangan ini, riak tegangan dari tegangan keluaran Buck Converter yang

diinginkan tidak lebih dari 5%. Untuk mengetahui nilai riak tegangan yang dihasilkan oleh

Buck Converter, digunakan komponen voltage measurement pada simulink yang

kemudian ditampilkan melalui scope. Nilai riak tegangan didapatkan dengan cara

mengurangi nilai tegangan keluaran maksimum pada kondisi stabil dengan nilai tegangan

minimumnya. Hasil pengujian untuk riak tegangan Buck Converter dapat dilihat pada

Tabel 4.1 berikut :

Tabel 4.1 Riak Tegangan Masing-masing Buck Converter

Tingkatan

Buck

Converter

Tegangan

Rata-rata

(V)

Tegangan

Maksimum

(V)

Tegangan

Minimum

(V)

Riak

Tegangan

(V)

Riak

Tegangan

(%)

2 605 609 600 9 1,49

3 661 666 654 12 1,82

4 724 732 717 15 2,07

Berdasarkan data Tabel 4.1 di atas, dapat dilihat bahwa nilai riak tegangan ketiga

Buck Converter tidak melebihi nilai 5%, dimana nilai riak terkecil adalah 1,49% dan yang

paling besar adalah 2,07%. Dari hasil pengujian ini diketahui bahwa nilai kapasitor yang

digunakan berdasarkan perhitungan dapat menghasilkan riak tegangan di bawah batas

yang diinginkan. Hal ini berarti bahwa kapasitor dapat menyimpan muatan yang cukup

pada saat saklar ON dan kemudian menyalurkannya ke beban ketika saklar berada pada

kondisi OFF.

4.3.4 Efisiensi Buck Converter

Nilai efisiensi pada rangkaian Buck Converter dapat diketahui dengan cara

membandingkan daya yang masuk ke Buck Converter dengan daya keluarannya. Nilai

43

daya dapat diketahui dengan menggunakan data arus dan tegangan yang terukur. Hasil

pengujian efisiensi rangkaian Buck Converter ditampilkan pada Tabel 4.2 di bawah ini.

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Efisiensi Buck Converrter Bertingkat

Tingkat

Buck

Converter

Duty

Cycle

Vin

(kV)

Iin

(A)

Pin

(kW)

Vout

(V)

Iout

(A)

Pout

(kW)

Eff

(%)

2 0,17 20 29 580 605 605 366 63

3 0,31 20 54 1080 661 661 437 40,5

4 0,42 20 80 1600 724 724 524 33

Dari Tabel 4.2 dapat diketahui bahwa Buck Converter dua tingkat dengan nilai Duty

Cycle 0,17 memiliki nilai efisiensi tertinggi dengan nilai efisiensi mencapat 63%.

Sedangkan Buck Converter tiga tingkat memiliki nilai efisiensi 40,5% dan Buck Converter

empat tingkat memiliki efisiensi sebesar 33%. Nilai efisiensi pada Buck Converter ini

dipengaruhi oleh nilai Duty Cycle. Gambar 4.12 menunjukan grafik perbandingan antara

nilai Duty Cycle terhadap nilai efisiensi dari Buck Converter.

Gambar 4.12 Grafik Pengaruh Duty Cycle Terhadap Efisiensi

Dari Gambar 4.12 di atas dapat dilihat bahwa nilai efisiensi Buck Converter

meningkat seiring dengan meningkatnya nilai Duty Cycle. Diketahui bahwa semakin besar

nilai Duty Cycle yang digunakan, maka efisiensi dari rangkaian Buck Converter akan

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 99

Effi

sie

nsi

(%

)

Duty Cycle (%)

2 Tingkat 3 Tingkat 4 Tingkat

44

semakin tinggi. Selain itu, pada pengaturan Duty Cycle rendah, Buck Converter dua

tingkat memiliki efisiensi yang paling tinggi dibandingkan dengan yang lainnya. Hal ini

menunjukan bahwa semakin tinggi tingkatan Buck Converter, maka efisiensi pada Duty

Cycle rendah juga semakin kecil. Sedangkan pada pengaturan Duty Cycle tinggi, ketiga

tingkatan Buck Converter memiliki efisiensi yang cukup tinggi, mencapai lebih dari 90%.

Tabel 4.3 menunjukkan keseluruhan hasil dari pengujian yang sudah dilakukan pada

ketiga rangkaian Buck Converter :

Tabel 4.3 Hasil Pengujian Ketiga Rangkaian Buck Converter

Tingkat

Buck

Converter

F

(kHz)

Vin

(kV)

Duty

Cycle

Vout

(V)

Riak Tegangan Mode

Arus

Eff

(%) Vmax

(V)

Vmin

(V)

Riak

(%)

2 20 20 0,17 605 609 600 1,49 CCM 63

3 20 20 0,31 661 666 654 1,82 CCM 40,5

4 20 20 0,42 724 732 717 2,07 CCM 33

Dari Tabel 4.3 didapatkan perbandingan hasil pengujian antara Buck Converter

bertingkat, dimana pengujian dilakukan menggunakan nilai frekuensi yang sama, yaitu 20

kHz dan tegangan masukan 20 kV. Dari pengujian yang dilakukan, didapatkan bahwa

ketiga tingkatan Buck Converter dapat menurunkan tegangan 20 kV menjadi sekitar 600 V

dengan menggunakan nilai Duty Cycle hasil perhitungan sebelumnya dan bekerja pada

continous conduction mode (CCM). Untuk riak tegangan yang dihasilkan, Buck Converter

dua tingkat memiliki tegangan keluaran yang paling halus, dengan persentase riak

tegangan sebesar 1,49% dari total tegangan keluaran rata-rata yang terukur. Hal ini

disebabkan oleh komponen kapasitor penyusun Buck Converter dua tingkat bernilai lebih

besar dibandingkan dengan nilai kapasitor penyusun Buck Converter lainnya dimana

kapasitor berperan dalam proses menurunkan riak tegangan yang dihasilkan.

4.4 Pengujian Solid State Transformer

Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui bagaimana keluaran dari rancangan SST

yang sudah dijelaskan sebelumnya. Pengujian dilakukan dengan cara menghubungkan

rangkaian Penyearah, Buck Converter dan Inverter seperti yang ditunjukan pada Gambar

4.13 di bawah ini:

45

Gambar 4.13 Rangkaian Solid State Transformer

Gambar 4.13 merupakan Gambar rangkaian dari Solid State Transformer (SST)

menggunakan Buck Converter dua tingkat sebagai penurun tegangan. Rangkaian Solid

State Transformer di atas tersusun mulai dari sumber tegangan tiga fasa di ujung sebelah

kiri sebagai masukan dari SST yang akan diuji dan 6 buah dioda serta 1 buah filter

kapasitor sebesar 1000 mF yang merupakan rangkaian Penyearah tiga fasa. Rangkaian

Penyearah tersebut terhubung dengan rangkaian Buck Converter dua tingkat. Keluaran

dari Buck Converter kemudian terhubung dengan rangkaian Inverter tiga fasa yang

terhubung dengan filter. Di ujung akhir kanan rangkaian terdapat sebuah beban tiga fasa

yang mewakili beban di sistem distribusi.

Pengujian dilakukan untuk masing-masing tingkatan Buck Converter, dimana pada

pengujian ini parameter-parameter yang menjadi perhatian adalah bagaimana tegangan

keluaran dari Buck Converter jika dibandingkan dengan pengujian menggunakan sumber

DC murni. Serta bagaimana pengaruh penggunaan masing-masing tingkatan Buck

Converter terhadap tegangan keluaran Inverter.

4.4.1 Tegangan Keluaran Buck Converter

Pada pengujian SST yang dilakukan, nilai Duty Cycle diatur berbeda-beda untuk

setiap tingkatan Buck Converter. Nilai Duty Cycle ini menyesuaikan dengan nilai keluaran

Inverter yang ingin dihasilkan, yaitu sekitar 380 V rms. Nilai Duty Cycle untuk masing-

masing tingkatan adalah 0,15 untuk Buck Converter dua tingkat, 0,27 untuk tiga tingkat

dan 0,35 untuk empat tingkat. Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.14 berikut ini:

46

(a) (b)

(c)

Gambar 4.14 Gambar Keluaran Buck Converter 2 Tingkat (a) Tiga Tingkat (b)

Empat Tingkat (c)

Dari Gambar 4.14 dapat dilihat bentuk gelombang keluaran ketiga Buck Converter

hampir sama. Nilai tegangan keluaran masing-masing Buck Converter juga hampir sama,

berada pada rentang antara 600 V dan 800 V. Untuk tegangan pada Buck Converter dua

tingkat, nilai tegangan rata-rata yang terukur adalah sebesar 661 V dengan riak tegangan

sebesar 2,12%. Untuk tegangan pada Buck Converter tiga tingkat, tegangan nilai tegangan

rata-rata yang terukur adalah 663 V dengan riak tegangan sebesar 2,87%. Sedangkan

untuk Buck Converter empat tingkat, tegangan yang terukur adalah sebesar 656 V dengan

riak tegangan sebesar 3,51%. Untuk lebih jelasnya, nilai keluaran Buck Converter dapat

dilihat pada Tabel 4.4 berikut :

Tabel 4.4 Keluaran Buck Converter Pada Pengujian SST

Tingkat

Buck

converter

Tegangan

Rata-rata

(V)

Tegangan

Maksimal

(V)

Tegangan

Minimal

(V)

Riak

Tegangan

(V)

Riak

Tegangan

(%)

2 661 668 654 14 2,12%

3 663 680 661 19 2,87%

4 656 677 654 23 3,51%

Dari pengujian yang sudah dilakukan diketahui bahwa riak tegangan pada pengujian

Solid State Transformer lebih tinggi apabila dibandingkan dengan pengujian rangkaian

Buck Converter (Tabel 4.1). Hal ini disebabkan oleh jenis masukan pada kedua pengujian

tersebut berbeda dimana masukan pada pengujian Buck Converter menggunakan tegangan

47

20 kV DC murni. Sedangkan pada pengujian Solid State Transformer masukan untuk

rangkaian Buck Converter merupakan tegangan keluaran dari penyearah yang juga

memiliki riak tegangan (Gambar 4.1 c) yang menyebabkan tegangan keluaran Buck

Converter pada pengujian Solid State Transformer memiliki riak tegangan yang lebih

tinggi. Hal ini dapat diatasi dengan memperbesar nilai kapasitor sehingga mendapatkan

tegangan Buck Converter dengan riak yang diinginkan.

4.4.2 Tegangan Keluaran Inverter

Rancangan Inverter yang direncanakan, diharapkan dapat mengubah tegangan DC

dari keluaran Buck Converter menjadi tegangan AC 50 Hz, dengan nilai tegangan sesuai

dengan standar tegangan distribusi, yaitu sekitar 380 V rms daengan nilai Total Harmonic

Distortion kurang dari 5%. Keluaran dari Inverter selanjutnya dihubungkan dengan sebuah

filter agar keluaran Inverter menjadi lebih baik, yaitu semakin mendekati tegangan

sinusoidal murni, seperti yang ditunjukkan pada pengujian sebelumnya (Gambar 4.2).

Hasil pengujian untuk tegangan keluaran Inverter dapat dilihat pada Gambar 4.15.

(a) (b)

(c)

Gambar 4.15 Gelombang Keluaran Inverter Pada Pengujian SST

Gambar 4.15 menunjukkan bentuk gelombang keluaran Inverter untuk masing-

masing tingkatan Buck Converter yang digunakan sebagai sumber tegangan DC. Gambar

4.15 a menunjukkan bentuk gelombang keluaran Inverter dengan Buck Converter dua

tingkat sebagai sumber. Gambar 4.15 b untuk Buck Converter tiga tingkat, dan Gambar

4.15 c untuk Buck Converter empat tingkat.

48

Dari Gambar 4.15 dapat dilihat bahwa Inverter dapat merubah tegangan DC dari

Buck Converter menjadi tegangan AC 50 Hz. Bentuk gelombang ketiga Inverter sudah

mendekati sinusoidal murni walaupun terjadi distorsi gelombang pada awal siklus. Untuk

nilai tegangan maksimum masing-masing Inverter secara berurutan adalah 563,1 V (398 V

rms), 567,6 V (401 V rms) dan 562 V (397,3 V rms). Dari hasil ini dapat dikatakan bahwa

nilai tegangan keluaran Inverter sesuai dengan standar jaringan distribusi tegangan rendah

yang ada. Sedangkan untuk nilai Total Harmonic Distortion pada tiap-tiap Inverter dengan

filter dapat dilihat pada Gambar 4.16, Gambar 4.17 dan Gambar 4.18 berikut ini:

Gambar 4.16 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Dua Tingkat

Gambar 4.17 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Tiga Tingkat

49

Gambar 4.18 Nilai THD Tegangan Dengan Buck Converter Empat Tingkat

Gambar 4.16 menunjukkan nilai THD pada tegangan keluaran Inverter yang

menggunakan buck converter dua tingkat sebagai komponen tegangan. Sedangkan Ganbar

4.17 untuk inverter dengan buck converter tiga tingkat dan Gambar 4.18 untuk inverter

dengan buck converter empat tingkat. Pada ketiga gambar tersebut, sumbu X

merepresentasikan frekuensi harmonik yang dimulai dari frekuensi 0 Hz yang menunjukan

harmonik nol, kemudian dilanjutkan dengan frekuensi fundamental dan frekuensi

harmonik selanjutnya. Sedangkan sumbu Y merepresentasikan magnitud dari masing-

masing komponen harmonik. Frekuensi fundamental memiliki nilai tertinggi yang

menunjukkan bahwa harmonik pada gelombang keluaran inverter cukup kecil. Dari ketiga

gambar tersebut dapat diketahui bahwa harmonik orde ganjil yaitu harmonik ke-5 dan ke-

7 memiliki magnitud yang paling besar diantara harmonik lainnya.

Gambar 4.16 menunjukkan nilai THD pada tegangan keluaran Inverter dengan Buck

Converter dua tingkat sebagai sumber sebesar 1,56%. Gambar 4.17 menunjukkan nilai

THD pada tegangan keluaran Inverter dengan Buck Converter tiga tingkat sebagai sumber

yang nilainya 1,87%. Dan Gambar 4.18 menunjukkan nilai THD pada tegangan keluaran

Inverter dengan Buck Converter empat tingkat sebagai sumber yang bernilai paling besar,

yaitu sebesar 2,51%. Perubahan nilai THD yang semakin besar ini disebabkan oleh

kenaikan riak tegangan keluaran Buck Converter. Dapat diketahui bahwa berdasarkan

Tabel 4.3, semakin tinggi tingkatan Buck Converter yang digunakan, semakin tinggi pula

50

riak tegangan keluaran yang dihasilkan, sehingga nilai THD keluaran Inverter yang

dihasilkan juga semakin besar.

Gambar 4.19 Grafik Perbandingan THD Arus Terhadap Duty Cycle

Gambar 4.19 menunjukan grafik perbandingan antara nilai THD pada tegangan

keluaran inverter terhadap perubahan Duty Cycle. Dari gambar tersebut didapatkan bahwa

nilai THD tegangan keluaran inverter fluktuatif terhadap perubahan Duty Cycle. Pada

ketiga grafik tersebut didapatkan nilai THD yang paling rendah berada pada Duty Cycle

yang paling dekat dengan nilai Duty Cycle acuan dalam perancangan Buck Converter.

Sehingga dapat dianalisis bahwa nilai THD tegangan yang fluktuatif ini disebabkan oleh

perubahan nilai Duty Cycle yang tidak diikuti dengan perubahan nilai komponen lainnya

seperti induktor maupun kapasitor pada rangkaian.

4.4.3 Arus Keluaran Inverter

Selain bentuk tegangan, bentuk arus keluaran dari inverter juga dilakukan untuk

mengetahui seberapa besar pengaruh pengunaan Buck Converter sebagai penurun

tegangan terhadap kualitas arus yang dihasilkan. Gambar 4.14 menunjukkan bentuk arus

keluaran yang dihasilkan oleh inverter untuk masing-masing tingkatan Buck Converter

yang digunakan.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 99

THD

Te

gan

gan

(%

)

Duty Cycle (%)


51

(a) (b)

(c)

Gambar 4.20 Gelombang Arus Keluaran Inverter Pada Pengujian SST

Gambar 4.20 menunjukkan bentuk gelombang arus keluaran Inverter untuk masing-

masing tingkatan Buck Converter yang digunakan sebagai sumber tegangan DC. Gambar

4.20 a menunjukkan bentuk gelombang arus keluaran Inverter dengan Buck Converter dua

tingkat sebagai sumber. Gambar 4.20 b untuk Buck Converter tiga tingkat, dan Gambar

4.20 c untuk Buck Converter empat tingkat. Dari Gambar 4.20 dapat dilihat bahwa arus

keluaran dari inverter berupa arus bolak balik yang mendekati sinusoidal murni. Untuk

nilai THD arus keluaran inverter ditunjukkan oleh Gambar 4.21, Gambar 4.22 dan

Gambar 4.23 berikut:

Gambar 4.21 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Dua Tingkat

52

Gambar 4.22 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Tiga Tingkat

Gambar 4.23 Nilai THD Arus Inverter Dengan Buck Converter Empat Tingkat

Gambar 4.21, Gambar 4.22 dan Gambar 4.23 menunjukkan nilai THD arus keluaran

Inverter untuk masing-masing tingkatan Buck Converter yang digunakan sebagai sumber

tegangan DC untuk Inverter. Gambar 4.21 menunjukkan nilai THD pada arus keluaran

Inverter dengan Buck Converter dua tingkat sebagai sumber yang nilainya 3,07%. Gambar

4.22 menunjukkan nilai THD pada arus keluaran Inverter dengan Buck Converter tiga

tingkat sebagai sumber yang nilainya 3,09%. Dan Gambar 4.23 menunjukkan nilai THD

pada arus keluaran Inverter dengan Buck Converter empat tingkat sebagai sumber yang

nilainya 3,09 %. Dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa nilai THD arus tidak terlalu

terpengaruh oleh perbedaan tingkatan Buck Converter, hal ini dapat dilihat dari nilai THD

arus yang nilainya hampir sama untuk setiap tingkatan Buck Converter yang diuji. Adapun

53

untuk grafik pengaruh perubahan Duty Cycle terhadap nilai THD arus dapat dilihat pada

Gambar 4.24 berikut :

Gambar 4.24 Grafik Perbandingan THD Arus Terhadap Duty Cycle

Gambar 4.24 menunjukan grafik perbandingan antara nilai Harmonik Distorsi Total

pada arus keluaran inverter dengan perubahan nilai Duty Cycle. Dari gambar tersebut

didapatkan bahwa nilai THD arus keluaran inverter pada Duty Cycle yang mendekati nilai

Duty Cycle acuan dalam perancangan Buck Converter lebih rendah dibandingkan dengan

pada nilai Duty Cycle lainnya. Hasil pengujian ini menunjukan bahwa hal ini disebabkan

oleh perubahan nilai Duty Cycle tidak diikuti dengan perubahan nilai komponen induktor

dan kapasitor pada rangkaian yang menyebabkan bentuk tegangan keluaran Buck

Converter berubah dan mempengaruhi nilai THD arus keluaran inverter.

Dari pengujian yang sudah dilakukan, dapat lihat performa untuk masing-masing

tingkatan Buck Converter yang digunakan untuk menurunkan tegangan pada rangkaian

SST. Keseluruhan hasil dari pengujian yang sudah dilakukan dapat dilihat pada Tabel 4.5

berikut :

Tabel 4.5 Hasil Pengujian SST

Tingkat

Buck

Converter

F

(kHz)

Vin

(kV)

Duty

Cycle

Vdc

(V)

Riak

Tegangan

(%)

Vout

rms

(V)

Nilai

THD

Tegangan

(%)

Nilai

THD

Arus

(%)

2 20 20 0,15 661 2,12% 398 1,56 3,07

3 20 20 0,27 663 2,87% 401 1,87 3,09

4 20 20 0,35 656 3,51% 397,3 2,51 3,09

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 99

THD

Aru

s (%

)

Duty Cycle (%)


54

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari pengujian dan analisa data yang sudah dilakukan dapat diperoleh beberapa

kesimpulan sebagai berikut :

1. Rangkaian Buck Converter dua, tiga dan empat tingkat dengan satu saklar terbukti

dapat menurunkan tegangan DC dari 20 kV menjadi 600 V dan menghasilkan arus

yang bersifat kontinyu dengan riak tegangan masing-masing sebesar 1,49%, 1,82%

dan 2,07%. Sedangkan untuk nilai efisiensi didapatkan sebesar 63% untuk Buck

Converter dua tingkat, 40,5% untuk Buck Converter tiga tingkat dan 33% untuk Buck

Converter empat tingkat.

2. Dari pengujian yang telah dilakukan, didapatkan bahwa dalam penggunaan Buck

Converter bertingkat pada rangkaian Solid State Transformer dapat menghasilkan

tegangan line to line mendekati nilai 400 V rms. Dimana untuk penggunaan Buck

Converter dua tingkat, didapatkan nilai tegangan keluaran Buck Converter sebesar 661

V dengan tegangan keluaran Inverter sebesar 398 V rms. Untuk penggunaan Buck

Converter tiga tingkat, nilai tegangan keluaran Buck Converter sebesar 663 V dengan

tegangan keluaran Inverter sebesar 401 V rms. Dan untuk pengujian Buck Converter

empat tingkat, didapatkan nilai tegangan keluaran Buck Converter sebesar 656 V

dengan tegangan keluaran Inverter sebesar 397 V rms

3. Dari penelitian yang dilakukan, didapatkan bahwa penggunaan Buck Converter

bertingkat pada rangkaian Solid State Transformer mempengaruhi harmonik arus dan

tegangan keluaran yang dihasilkan. Dimana Buck Converter dua tingkat menghasilkan

nilai Total Harmonic Distortion tegangan sebesar 1,56% dan Total Harmonic

Distortion arus sebesar 3,07%. Sedangkan untuk Buck Converter tiga tingkat

menghasilkan nilai Total Harmonic Distortion tegangan sebesar 1,87% dan Total

Harmonic Distortion arus sebesar 3,09%. Dan untuk Buck Converter empat tingkat

menghasilkan nilai Total Harmonic Distortion tegangan sebesar 2,51% dan Total

Harmonic Distortion arus 3,09%.

55

5.2 Saran

1. Perlu penelitian lebih lanjut terkait pengaruh Duty Cycle dan efisiensi dari rangkaian

Buck Converter bertingkat dengan satu saklar, sehingga dapat diketahui penggunaan

yang lebih optimal untuk rangkaian ini.

2. Perlu penelitian lebih lanjut dalam hal kontrol tegangan keluaran pada rangkaian

Buck Converter bertingkat sehingga dapat dilakukan pengaturan tegangan secara

otomatis kedepannya.

56

DAFTAR PUSTAKA

Abidin, J. F. Analisis Unjuk Kerja Harmonik Di Instalasi Listrik Industri Dan Upaya

Penanggulanggannya. Jurnal Teknologi Elektro, 6(3).

Ahmed, K. Y., Yahaya, N. Z., Asirvadam, V. S., & Ibrahim, O. (2015). Modeling and

simulation of power electronic distribution transformer based on a three level

converter. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 785, pp. 151-155). Trans

Tech Publications Ltd.

Arrillaga, J., & Watson, N. R. (2004). Power system harmonics. John Wiley & Sons.

Ashok, S., & EED, N. Solid State Transformer (SST).

Branko, L. D., & Branko, B. (2015). Power electronics: converters and regulators.

Ejury, J. (2013). Buck Converter design. Infineon Technologies North America (TFNA)

Corn Desion Note, 1.Mohan, N., Undeland, T. M., & Robbins, W. P.

(2003). Power electronics: converters, applications, and design. John wiley &

sons.

Falcones, S., Mao, X., & Ayyanar, R. (2010, July). Topology comparison for Solid State

Transformer implementation. In IEEE PES General Meeting (pp. 1-8). IEEE.

Harlow, J. H. (2003). Electric power transformer engineering. CRC press.

IEEE Std. 519-2014., 2014, IEEE Guide for Harmonic Control and Reactive

Compensation of Static Power Converter. Internet.

Ortiz-Lopez, M. G., Leyva-Ramos, J., Carbajal-Gutierrez, E. E., & Morales-Saldana, J. A.

(2008). Modelling and analysis of switch-mode cascade converters with a single

active switch. IET Power Electronics, 1(4), 478-487.

Ramadoni, S. (2017). Transmisi dan Distribusi Tenaga Listrik. Yogyakarta: LP3M UMY.

Rashmil Dahanayake (2020). 3 Phase Inverter (https://www.mathworks.com/

matlabcentral/fileexchange/44676-3-phase-inverter), MATLAB Central File

Exchange. Retrieved September 2, 2020

https://www.mathworks.com/

57

Sankaran, C. (2002). Power quality. CRC press.

Satiawan, I. N. W., Citarsa, I. B. F., & Suksmadana, I. M. B. (2020, July). Design and

Control a High Gain Synchronous Buck Converter for a Solid State Distribution

Transformer. In Journal of Physics: Conference Series (Vol. 1569, No. 3, p.

032090). IOP Publishing.

She, X., Huang, A. Q., & Burgos, R. (2013). Review of solid-state transformer

technologies and their application in power distribution systems. IEEE journal of

emerging and selected topics in power electronics, 1(3), 186-198.

Suhadi, S. M. K. (2008). Teknik Distribusi Tenaga Listrik Jilid III. Departemen

Pendidikan Nasional, Jakarta.

Tiro, J., & Ruslan, L. (2019). Analisis Penempatan Transformator Distribusi Berdasarkan

Jatuh Tegangan Di PT PLN (Persero) ULP Malino. Jurnal Teknologi

Elekterika, 16(2), 69-72.

Tohir, N. I. (2016). Rancang Bangun Catu Daya Digital Menggunakan Buck Converter

Berbasis Mikrokontroler Arduino. The Design of Power Supply Digital Using

Buck Converter Based on Microcontroller Arduino, 10(10)

Documents

DESAIN BUCK CONVERTER BERTINGKAT UNTUK