UPS Tanpa Trafo

UPS Tanpa Trafo

1. PENDAHULUAN

Dalam tiga puluh tahun terakhir ini, teknologi elektronika daya dan pengendaliannya mengalami perkembangan yang sangat pesat. Salah satu penerapan yang merasakan kemajuan teknologi ini adalah sistem catu daya tak terputuskan atau UPS (Uninterruptible Power Supply). Ada bermacam UPS yang digunakan dalam industri akan tetapi yang paling banyak adalah jenis dua kali konversi atau double conversion. Skema sistem sistem UPS semacam ini diperlihatkan di Gambar 1.

Gambar 1. UPS jenis double conversion

UPS jenis double conversion menggunakan penyearah atau rectifier untuk mengkonversikan daya AC (bolak-balik) menjadi daya DC (searah). Penyearah ini bertugas untuk memasok kebutuhan daya bagi batere dan juga bagi inverter. Inverter berfungsi untuk mengkonversikan daya DC menjadi daya AC dengan kwalitas seperti kebutuhan bebannya. Pada saat sumber daya normal yang memasok penyearah terputus, kebutuhan daya beban dipasok oleh batere melalui inverter. Selain itu, UPS biasanya dilengkapi dengan saklar bypass statis yang akan berfungsi saat terjadi pembebanan lebih, UPS mengalami gangguan, atau saat muatan batere habis.

Di masa lalu, hampir semua UPS memerlukan trafo dalam implementasinya. Trafo diperlukan di sisi masukan penyearah dan juga di sisi keluaran inverter. Akibatnya, ukuran UPS menjadi sangat besar dan mempunyai efisiensi yang rendah. Berkat kemajuan teknologi elektronika daya, bisa diciptakan UPS yang sama sekali tidak menggunakan trafo. Karena tidak lagi menggunakan trafo, ukuran UPS bisa menjadi lebih kecil dan lebih efisien. Selain itu, berkat kemajuan teknologi elektronika daya, penyearah bisa dirancang untuk menarik arus masukan yang bentuknya mendekati sinusoidal dengan faktor-daya mendekati satu. Akibatnya, tidak lagi diperlukan tapis yang besar di sisi masukan penyearah.

Banyak orang awam berpendapat bahwa fasilitas kritis harus menggunakan UPS yang berbasis trafo. Pendapat ini muncul karena dengan adanya trafo, terdapat isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran UPS sehingga kita tidak lagi perlu memasang trafo isolasi. Ditunjukkan dalam tulisan ini bahwa pendapat tersebut sama sekali tidak benar. Baik UPS tanpa trafo maupun UPS berbasis trafo memerlukan adanya trafo isolasi tambahan agar terdapat isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran UPS.

2. UPS BERBASIS TRAFO

Skema UPS berbasis trafo diperlihatkan di Gambar 2. UPS biasanya mendapatkan daya AC masukan dari sumber tegangan 400 Volt, 50 Hz. Tegangan AC ini mula-mula sedikit diturunkan untuk mendapatkan tegangan AC sekitar 100-350 Volt dengan menggunakan trafo. Hubungan trafo yang digunakan biasanya adalah trafo hubungan delta-bintang. Hasil keluaran trafo kemudian disearahkan dengan menggunakan penyearah thyristor (SCR) enam pulsa untuk mendapatkan tegangan DC yang terkendali. Tegangan DC yang dipakai biasanya adalah 120-480 volt tergantung pada kapasitas daya UPS. Kapasitas penyearah harus dirancang agar mampu mengisi batere dan juga mampu memasok inverter secara bersamaan.

Batere terhubung langsung ke tegangan DC keluaran penyearah. Di sisi DC juga terdapat kapasitor elektrolit untuk menyerap riak arus yang dihasilkan oleh penyearah maupun inverter.

Tegangan DC 120-480 volt ini selanjutnya diubah menjadi tegangan AC oleh inverter. Inverter modern biasanya diimplementasikan dengan menggunakan saklar IGBT yang dibuka-tutup dengan kecepatan tinggi. Inverter dikendalikan dengan teknik modulasi lebar pulsa atau PWM (Pulse Width Modulation) agar menghasilkan gelombang tegangan yang bentuknya mendekati sinusoidal. Karena tegangan DC nya rendah maka diperlukan trafo untuk mendapatkan tegangan 380 volt sesuai dengan kebutuhan beban. Trafo yang digunakan biasanya mempunyai hubungan delta-bintang.

Gambar 2. UPS berbasis trafo

Berdasarkan pembahasan di atas, trafo diperlukan di sisi penyearah untuk menurunkan tegangan. Di sisi keluaran inverter, trafo diperlukan untuk menaikkan tegangan. Jadi, peran utama trafo adalah untuk menurunkan dan menaikkan tegangan, bukan sebagai isolator galvanis.

Jika harmonisa yang dihasilkan oleh penyearah enam pulsa dirasa terlalu besar, UPS daya besar biasanya menggunakan penyearah dua belas pulsa. Penyearah dua belas pulsa memerlukan trafo hubungan khusus yang besar dan mahal. Sekali lagi, trafo di sini tidak dirancang sebagai isolator galvanis tetapi karena bagian dari penyearah dua belas pulsa.

Jika tidak ada saklar bypass, maka adanya trafo pada sisi masukan dan keluaran UPS menyebabkan adanya isolasi galvanis. Akan tetapi, seperti terlihat di Gambar 3, adanya saklar bypass menyebabkan tidak ada isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran UPS. Dengan kata lain, kita akan tetap memerlukan tambahan trafo isolasi jika kita memerlukan isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran. Trafo isolasi bisa dipasang di saklar bypass seperti terlihat di Gambar 4 atau di sisi beban seperti terlihat di Gambar 5. Keuntungan dari pemasangan trafo isolasi di saklar bypass adalah trafo hanya berkerja saat saklar bypass berfungsi sehingga lebih efisien. Problemnya adalah jika lokasi UPS dan beban berjauhan. Jika jaraknya jauh, bisa jadi tegangan antara netral ke ground di titik beban tidak lagi mendekati nol. Jika jarak antara UPS dan beban berjauhan, idealnya trafo isolasi dipasang di dekat beban. Kelemahan cara ini adalah trafo isolasi selalu dibebani sehingga efisiensinya lebih rendah dibanding jika dipasang di saklar bypass.

Gambar 3. Adanya saklar bypass menyebabkan tidak adanya isolasi antara input dan output

Gambar 4. Pemasangan trafo isolasi di sisi saklar bypass

Gambar 5. Trafo isolasi di sisi beban

3. UPS TANPA TRAFO

Skema UPS tanpa trafo diperlihatkan di Gambar 6. Pada UPS jenis ini, digunakan penyearah PWM yang mana IGBT dijadikan saklar semikonduktor daya. Trafo tidak diperlukan di sisi masukan penyearah. Penyearah ini menghasilkan tegangan DC yang lebih tinggi dari tegangan masukannya. Untuk penyearah tiga-fasa, tegangan DC yang dihasilkan biasanya 800 Volt. Penyearah ini bisa menghasilkan arus masukan yang bentuknya mendekati sinusoidal dengan faktor daya mendekati satu. Akibatnya, kita tidak lagi memerlukan tapis yang besar dan mahal di sisi masukan penyearah.

Batere yang tegangannya 120-480 volt tidak bisa dihubungkan langsung ke tegangan DC keluaran penyearah. Batere dihubungkan ke tegangan DC melalui konverter DC-DC. Aliran daya di konverter DC-DC ini bisa dua arah, bisa mengisi batere maupun mengambil daya dari batere.

Tegangan DC 800-V keluaran penyearah diubah langsung menjadi tegangan AC 380-V oleh inverter yang juga menggunakan saklar IGBT. Karena tegangan DC-nya sudah tinggi maka tidak lagi diperlukan trafo di sisi keluaran inverter.

Untuk menstabilkan tegangan titik netral digunakan konverter DC-DC. Konverter dc-dc ini bekerja sedemikian rupa sehingga tegangan titik netral selalu sama dengan tegangan titik tengah sumber DC. Stabilisasi tegangan titik netral ini penting pada sistem 3-fasa 4-kawat seperti yang biasa ditemui pada sistem distribusi tegangan rendah.

Gambar 6. UPS tanpa trafo

Tidak adanya trafo di sisi masukan dan penyearah menyebabkan UPS tanpa trafo mempunyai ukuran yang lebih kecil dan lebih efisien dibanding UPS berbasis trafo. Karena kecil maka mudah sekali dibuat sistem modular untuk meningkatkan redundansi dan keandalan.

Gambar 7 memperlihatkan perbandingan antara arus masukan UPS berbasis trafo dan UPS tanpa trafo. Jelas bentuk gelombang arus masukan UPS tanpa trafo mempunyai bentuk gelombang yang lebih baik dibanding UPS berbasis trafo. UPS berbasis trafo mempunyai arus masukan yang mengandung banyak harmonisa sehinga harus dipasang tapis ukuran besar dan mahal agar tidak mengganggu peralatan lain atau agar bisa memenuhi standard IEC. Selain mempunyai bentuk gelombang yang buruk, UPS berbasis trafo mempunyai faktor-daya yang lebih rendah dibanding UPS tanpa trafo.

4. TRAFO ISOLASI

Gambar 8 memperlihatkan skema jaringan listrik satu-fasa tiga-kawat. Di sisi sumber, tegangan netral-ke-tanah mempunyai nilai mendekati nol. Akan tetapi di sisi beban, tegangan antara netral-ke-tanah tidak lagi sama dengan nol karena adanya susut tegangan di kawat netral. Pada beberapa peralatan sensitif, tegangan netral-ke-tanah sering sekali dibatasi maksimum 1 (satu) volt. Kondisi ini susah sekali dicapai jika jarak antara sumber dan beban cukup jauh.

Beberapa instalatir atau teknisi yang kurang paham masalah ini sering sekali masalah tegangan netral-ke-tanah yang tinggi diselesaikan dengan menyambung langsung kawat netral dan tanah secara langsung seperti terlihat di Gambar 9. Adanya sambungan langsung antara netral dan tanah di sisi beban memang membuat teganan netral-ke-tanah menurun tetapi menyebabkan sebagian arus mengalir melalui kawat tanah, bukan melalui kawat netral. Selain itu, arus balik dari beban lain yang berasal dari sumber yang sama bisa mengalir balik melalui kawat netral beban kita. Selain membahayakan, penyambungan langsung semacam ini juga melanggar standar instalasi.

Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan memasang trafo isolasi seperti terlihat di Gambar 10. Trafo isolasi adalah trafo dua belitan dengan rasio satu banding satu (1:1). Ada isolasi galvanis antara belitan promer dan sekunder. Netral belitan sekunder disambung ke tanah seperti terlihat di Gambar 10. Dengan cara ini, tegangan netral-ke-tanah di sisi beban bisa dibuat mendekati nol dan arus netral tidak akan kembali melalui kawat tanah. Untuk mendapatkan isolasi galvanis pada UPS tanpa trafo kita harus memasang trafo isolasi di sisi keluaran inverter mirip seperti terlihat di Gambar 5.

Gambar 7(a) Gelombang tegangan (atas) dan arus masukan (bawah) UPS berbasis trafo

Gambar 7(b) Gelombang tegangan (atas) dan arus masukan (bawah) UPS tanpa trafo

Gambar 8. Skema sistem satu-fasa tiga-kawat

Gambar 9. Sambungan langsung netral ke tanah yang membahayakan

Gambar 10. Penggunaan trafo isolasi

Jika ditinjau dari kecenderungan di masa yang akan datang, perusahaan cenderung menawarkan UPS tanpa trafo dibanding UPS berbasis trafo. Industri cenderung sesedikit mungkin menggunakan trafo karena harga trafo cenderung semakin mahal sedangkan harga penyearah dan inverter cenderung semakin murah. UPS tanpa trafo juga bisa dirancang seandal UPS konvensional dengan efisiensi dan kinerja yang lebih tinggi.

5. KESIMPULAN

UPS tanpa trafo akan mempunyai ukuran lebih kecil dan lebih efisien dibanding UPS berbasis trafo. Untuk mendapatkan isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran, kedua jenis UPS ini memerlukan trafo isolasi tambahan. UPS tanpa trafo menarik arus masukan mendekati sinusoidal dan faktor daya mendekati satu sehingga tidak memerlukan tapis yang besar dan mahal. Diperkirakan hampir semua UPS akan berubah menjadi UPS tanpa trafo dengan IGBT sebagai komponen utama baik sisi inverter maupun penyearah.