Elektronika Untuk Hobi Dan Belajar: UPS (Uninterruptible Power Supply) Part II

Seperti dibahas pada artikel terdahulu, sistem kerja UPS pada dasarnya dibedakan pada 3 sistem tetapi semuanya mempunyai elemen-elemen pendukung yang fungsinya hampir sama. Yang membedakan tiap-tiap tipe UPS adalah cara kerja untuk mem-backup sistem tenaga listrik.

Elemen Sistem UPS

Karakteristik elemen yang mendukung sebuah sistem UPS ini sangat memegang peranan penting dalam performa UPS secara keseluruhan. Sehingga pada proses disain sebuah sistem UPS harus benar-benar diperhitungkan karakteristik masing-masing elemen tersebut. Elemen utama pendukung sebuah sistem UPS dibagi menjadi 3 bagian.

Rectifier-Charger

Pada bagian ini merupakan rangkaian yang umum dipakai dalam penyerahan dan pengisian baterai. Namun rangkaian inilah yang menjadi titik berat sistem UPS. Pada prinsipnya blok rectifier-charger ini akan mensuplai daya yang dibutuhkan oleh inverter dalam kondisi terbeban penuh dan pada saat itu juga dapat mempertahankan muatan di dalam baterai backup. Selain itu blok ini harus mempunyai batasan yang cukup tinggi dalam hal kemampuan mengalirkan daya ke output yaitu sebeasr 125-130%.

Jadi seandainya beban meningkat sampai 125% dari batas daya yang diijinkan maka blok ini harus masih bisa memberikan daya ke bagian inverter tanpa ada penurunan performa.

Karakteristik baterai juga perlu diperhitungkan dalam disain rangkaian charger-nya karena jika sebuah baterai diisi ulang dengan arus yang melebihi batasan kemampuan sebuah baterai dapat memperpendek umur baterai tersebut. Biasanya untuk arus pengisian sebuah baterai backup UPS ini adalah 80% dari kondisi arus yang dikeluarkan oleh baterai backup pada saat beban penuh (pada kondisi emergency-kondisi dimana suplai tenaga konvensional terganggu).

Batasan sebuah sistem UPS yang baik (menurut standar NEMA-National Electical Manufacturer Association) adalah dapat memberikan daya 100% terus-menerus (continous load) dan 2 jam pada beban 125% tanpa terjadi penurunan performa (kerusakan). Dalam hal baterai, baterai masih dapat dikategorikan sebagai kondisi layak pakai adalah baterai yang masih mampu memberikan daya 100% selama 1 jam jika lama pengisiannya selama 8 jam (ditentukan oleh manufaktur baterai).

Inverter

Kualitas inverter merupakan penentu dari kualitas daya yang dihasilkan oleh suatu sistem UPS. Sistem inverter yang membangun sebuah sistem UPS biasanya disesuiakan dengan beban kritis yang akan diaplikasikan. Pada dasarnya sistem inverter yang digunakan tidaklah menjadi masalah yang serius jika beban kritisnya masih berupa komputer saja tetapi ketidak sesuaian karakteristik inverter pada beban tertentu dapat menyebabkan sebuah sistem UPS berhenti bekerja.

Tugas utama dari sebuah inverter adalah merubah tegangan DC dari rangkaian rectifier-charger menjadi tegangan AC yang berupa sinyal sinus setelah melalui pembentukan gelombang dan rangkaian filter. Tegangan output yang dihasilkan harus stabil baik amplitudo tegangan maupun frekuensi tegangan yang dihasilkan, distorsi yang rendah, tidak terdapat tegangan transien serta tidak dapat diinterupsi oleh suatu keadaan.

Sistem inverter yang biasa digunakan adalah sistem Quasi-Square Wave inverter. Sistem ini dapat menghasilkan sinyal dengan duty cycle yang bervariasi yang mana harus dilakukan pemfilteran baik dengan menggunakan rangkaian ser/paralel LC. Dengan adanya filter ini maka sistem inverter akan lambat dalam merespon adanya tegangan transien dan frekunsinya pun akan tetap. Dengan adanya rangkaian ini maka effisiensi inverter biasanya mencapai 75%. Selain itu perlu adanya feedback yang menjaga agar didapatkan tegangan konstan, sehingga perlu adanya rangkaian regulator tegangan dengan feedback baik feedback berupa tegangan maupun berupa arus output. Pada bagian inilah yang menjadikan sebuauh sistem UPS menjadi rumit.

Gambar 1

Inverter dengan tipe Quasi-Square Wave

Tipe inverter quasi square wave ini hanya mempunyai effisiensi yang tidak terlalu tinggi yaitu 75% sehingga daya sebesar 25% terbuang untuk regulasi dan pengubahan tegangan DC menjadi tegangan AC. Dan di dalam blok osilator dan kontrol tidaklah sederhana sehingga membutuhkan komponen yang banyak dan biaya pembuatannya menjadi mahal.

Tipe inverter yang lain adalah tipe pulse width modulation. Tipe inverter ini menghasilkan deretan pulsa-pulsa yang dutycyclenya bervariasi. Pulsa-pulsa ini setelah melalui filter akan dihasilkan sebuah sinyal sinusoidal yang cukup baik. Tipe inverter pulse with modulation ini akan meningkatkan respon regulasi dan respon terhadap tegangan transien yang cukup baik. Walapun demikian tipe inverter seperti ini masih kompleks namun jumlah penggunaan komponen untuk kontrol tidak terlalu banyak. Tipe inverter semacam ini biasanya digunakan pada inverter dengan daya yang besar, sekitar 50KVA.

Gambar 2

Pulse Width Modulation Inverter

Sistem UPS dengan inverter PWM ini dapat menghasilkan tegangan output yang baik dengan pengurangan komponen filter sehingga rangkaian filter menjadi lebih sederhana dan penurunan biaya pembuatan. Namun tipe inverter ini digunakan pada inverter dengan kapasitas daya yang besar.

Gambar 3

Pulsa PWM membentuk Sinusoidal

Tipe inverter yang lain adalah tipe inverter Step wave Inverter. Pada rangkaian step wave inverter ini menggunakan inverter yang banyak untuk mendapatkan sinyal sinusoidal yang baik dan pengurangan komponen filter. Jumlah inverter yang digunakan di dalam sebuah sistem UPS biasanya 3 buah tetapi dapat pula berjumlah 6 bahkan 12 (kelipatan 3).

Pada tipe regulator ini tegangan DC harus sudah teregulasi sebelum masuk pada bagian inverter agar tidak terjadi pergeseran tegangan kotak yang dihasilkan. Sistem UPS dengan inverter ini mempunyai effisiensi sampai 85% pada beban penuh.

Gambar 4

Step Wave Inverter

Dengan banyaknya inverter akan menghasilkan step yang lebih halus sehingga fungsi filter dapat diminimisasi. Penggunaan inverter dengan tipe ini jarang dipakai untuk aplikasi komputer tetapi biasanya digunakan untuk aplikasi 3 fasa dengan kapasitas daya yang besar. Walaupun demikian kelemahan sistem inverter ini adalah dengan banyaknya inverter yang digunakan akan menghasilkan sinyal sinus yang baik namun biaya yang dibutuhkan untuk membuat invertet ini menjadi berlipat-lipat tergantung dari jumlah inverter yang digunakan.

Yang menjadi titik berat pada tipe inverter ini adalah pada bagian osilator dan kontrolnya karena pada bagian ini akan menghasilkan trigger-trigger bagi SCR-SCR yang berfungsi sebagai inverter tersebut dengan perioda yang disesuaikan antara yang satu dengan yang lainnya sehingga dapat membentuk sinyal stair case up/down dengan frekuensi yang sesuai dengan frekuensi yang dinginkan.

Transfer Switches

Pada umumnya saklar pemindah dibagi menjadi 2 bagian yaitu ;

q Electromekanikal

q Static

Pada saklar elektromekanikal dibangun dari relay-relay yang salah satu terminal mendapatkan suplai tegangan dari suplai konvensional dan yang lain dari sistem UPS.

Gambar 5

Saklar Elektromekanikal

Pada sistem saklar statis digunakan komponen semikonduktpr seperti SCR. Pada dasarnya penggunaan SCR akan lebih baik karena kecepatan peralihan pada saklar elektromekanikal terlalu lama yaitu sekitar 50 sampai 100 ms jika dibandingkan dengan operasi pemindahan yang dilakukan dengan SCR yang hanya membutuhkan waktu 3 sampai 4 ms.