Kautsar Wira Difitra S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya

Transkripsi

1 Penggunaan Fuzzy Logic Sebagai Pengendali Tegangan Self Excited Induction Generator Untuk Pembangkit Mikrohidro Terhadap Perubahan Beban PENGGUNAAN FUZZY LOGIC SEBAGAI PENGENDALI TEGANGAN SELF EXCITED INDUCTION GENERATOR UNTUK PEMBANGKIT MIKROHIDRO TERHADAP PERUBAHAN BEBAN Kautsar Wira Difitra S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya kautsarwira@gmail.com Subuh Isnur Haryudo S1 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Surabaya unesasubuh@gmail.com Abstrak Generator induksi banyak digunakan pada sistem pembangkit listrik tenaga mikrohidro (PLTM). Kelebihan menggunakan generator induksi dalam sistem ini adalah lebih sederhana dan konstruksi yang lebih kuat dibanding generator sinkron. Tegangan output generator induksi sangat sensitif terhadap perubahan beban. Perubahan beban akan menyebabkan tegangan output generator induksi menjadi berfluktuatif. Oleh karena itu, diperlukan regulasi tegangan output generator induksi agar tegangan output generator induksi tidak berfluktuatif pada kondisi perubahan beban. Dalam skripsi ini akan dilakukan pemodelan generator induksi dengan pemasangan rangkaian voltage source inverter. Pada sisi dc rangkaian inverter dipasang sebuah kendali fuzzy logic untuk menghasilkan duty cycle pada gate MOSFET. Generator induksi disimulasikan beroperasi dengan beban yang berubah. Hasil simulasi menunjukkan tegangan output generator induksi tidak berfluktuatif pada kondisi beban yang berubah dan stabil pada tegangan sebesar Volt.. Kata Kunci : PLTM, self excited induction generator, fuzzy Abstract Induction generator system is many used in microhydro power plant (MHPP). Excess use induction generators in this system is simpler and stronger construction than the synchronous generator. Output voltage induction generator is very sensitive in the load changes. The load changes make the output voltage induction generator into fluctuate. Therefore, it is necessary output voltage induction generator regulation, so the output voltage is not fluctuated at the induction generator load change condition. In this script will do modeling induction generator with the installation of voltage source inverter circuit. On the dc side of the inverter circuit installed a fuzzy logic control to generate the duty cycle on the MOSFET gate. Induction generator operates with a simulated load change. The simulation results show the induction generator output voltage is not fluctuated in a changing load conditions and stabilized at a voltage of Volt. Keyword: MHPP, self excited induction generator, fuzzy PENDAHULUAN Permintaan akan kebutuhan listrik semakin meningkat setiap tahunnya. Data dari Indonesia Industry mengungkapkan pertumbuhan konsumsi listrik selama awal tahun 2016 mencapai 107,2 TWh atau naik tumbuh 7.85% dibandingkan awal tahun 2015 sebesar 99,4TWh. Dengan berkembangnya isu mengenai perusakan lingkungan akibat dari penggunaan bahan bakar fosil, maka perlu dikembangkan teknologi-teknologi pembangkitan listrik yang memanfaatkan energi yang ramah lingkungan. Salah satu energi yang bisa digunakan untuk menghasilkan daya listrik adalah dengan memanfaatkan potensi energi air. Indonesia merupakan negara yang berpotensi untuk dibangun pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Prinsip sederhana pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah memanfaatkan energi kinetik air untuk dikonversi menjadi energi listrik. Generator induksi adalah generator yang menggunakan prinsip induksi elektromagnetik dalam pengoperasiannya. Generator ini dapat bekerja pada putaran rendah serta tidak tetap kecepatannya. Oleh karenanya generator induksi banyak digunakan pada sistem tenaga listrik terisolir. Pada sistem tenaga listrik yang terisolir, generator induksi menggunakan penguat yang dihasilkan sendiri (self excited) sehingga sering disebut generator induksi berpenguat sendiri (self excited induction generator) Tegangan output generator induksi pada pengoperasian pembangkit stand-alone sangat sensitif terhadap perubahan beban. Hal ini akan menyebabkan generator induksi beroperasi pada tegangan output yang berfluktuatif pada perubahan beban. Dalam hal ini perlu dilakukan pengaturan tegangan output 29

2 Jurnal Teknik Elektro, Volume 06 Nomor 01 Tahun 2017, generator induksi agar tetap konstan pada nilai tertentu sehingga tetap mampu menyuplai ke beban. Fuzzy Logic merupakan salah satu kontroler yang bisa diaplikasikan sebagai pengendali tegangan output generator. Telah banyak pengaplikasian fuzzy logic sebagai kontrol dalam suatu sistem. Ini karena konsep fuzzy logic yang sangat sederhana dan mudah dipahami. Selain itu rancang bangun sistem bisa dilakukan lebih cepat dan efisien dengan fuzzy logic. Berdasarkan penjelasan tersebut, maka akan dibahas mengenai pengendalian tegangan output generator induksi penguatan sendiri terhadap perubahan beban dengan menggunakan kontrol logika fuzzy. KAJIAN PUSTAKA Motor Induksi Motor induksi merupakan motor listrik yang bekerja menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Dikatakan motor induksi karena tegangan yang timbul pada stator, yang nantinya akan menghasilkan medan magnet stator dan arus stator, diinduksikan pada kumparan rotor. (Winna Evelina, 2008). Prinsip kerja dari motor induksi adalah jika pada belitan stator diberi tegangan tiga fasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga fasa. Arus ini akan mengalir melalui belitan yang akan menimbulkan fluks dan karena adanya perbedaan sudut fasa sebesar 120 antara ketiga fasanya, maka akan timbul medan putar, dengan kecepatan sinkron ns. (Stephen J. Chapman, 2002) n s = 120.f P (rpm) (1) Dalam stator sendiri akan timbul tegangan pada masing-masing fasa yang dinyatakan: E 1 = 4,441 f N 1 φ (2) Dalam keadaan rotor masih diam, medan putar stator akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2: E 2 = 4,441 f N 2 φ m (3) Perbedaan kecepatan sinkron medan putar stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip. Besarnya slip yang terjadi adalah: Gambar 1 Karakteristik torka-kecepatan pada motor induksi, memperlihatkan wilayah operasi generator Generator induksi sangat berguna pada aplikasiaplikasi seperti pembangkit listrik mikrohidro, turbin angin, atau untuk menurunkan aliran gas bertekanan tinggi ke tekanan rendah, karena dapat memanfaatkan energi dengan pengontrolan yang relatif sederhana. Untuk mengoperasikannya, generator induksi harus dieksitasi menggunakan tegangan yang leading. Ini biasanya dilakukan dengan menghubungkan generator kepada sistem tenaga eksisting. Pada generator induksi yang beroperasi standalone, bank kapasitor harus digunakan untuk mensuplay daya reaktif. Daya reaktif yang diberikan harus sama atau lebih besar daripada daya reaktif yang diambil mesin ketika beroperasi sebagai motor. Tegangan terminal generator akan bertambah dengan pertambahan kapasitansi. (M. Rashid, 2011) Generator Induksi Penguatan Sendiri Pada generator induksi berpenguat sendiri, eksitasi diperoleh dari kapasitor yang dipasang paralel pada terminal keluaran generator. Generator induksi jenis ini bekerja seperti motor induksi pada daerah saturasinya hanya saja terdapat bank kapasitor yang dipasang pada terminal statornya. Karena sumber eksitasi generator ini berasal dari kapasitor yang dipasang pada terminalnya, maka motor induksi dengan rotor kumparan maupun sangkar bajing dapat digunakan sebagai generator induksi penguatan sendiri. (Winna Evelina, 2008) S = n s n r n s. 100% (4) Generator Induksi Generator induksi merupakan salah satu jenis generator AC yang menerapkan prinsip motor induksi untuk menghasilkan daya. Generator induksi dioperasikan dengan menggerakkan rotornya secara mekanis lebih cepat daripada kecepatan sinkron sehingga menghasilkan slip negatif. Motor induksi biasa umumnya dapat digunakan sebagai sebuah generator tanpa ada modifikasi internal (Winna Evelina, 2008). Gambar 2. Generator induksi penguatan sendiri dengan bank kapasitor untuk mensuplay daya reaktif

3 Penggunaan Fuzzy Logic Sebagai Pengendali Tegangan Self Excited Induction Generator Untuk Pembangkit Mikrohidro Terhadap Perubahan Beban Nilai Kapasitansi Minimum Untuk dapat menentukan nilai kapasitansi minimum yang dibutuhkan oleh generator dapat dilakukan dengan menggunakan karakteristik magnetisasi motor induksi. Dalam kondisi beban nol, arus yang mengalir pada kapasitor Ic akan sama dengan arus magnetisasi Im. Tegangan yang dihasilkan V akan meningkat secara linier hingga titik saturasi dari magnet inti tercapai, sehingga dalam kondisi stabil (Winna Evelina, 2008) I m = I c (5) V X m = V X c (6) X c = X m (7) Dalam percoban beban nol motor induksi, kita dapat menghitung besar reaktansi magnetis Xm dengan mencatukan tegangan pada mesin dan kemudian mengukur arus magnetisasi sehingga X m = V fasa I m (8) X c = X m = 1 2πfc Voltage Source Inverter Voltage Source Inverter adalah inverter sumber tegangan yang mana inverternya dicatu dari sumber tegangan searah. Tujuan dari pemasangan rangkaian voltage source inverter adalah mengatur tegangan output generator induksi. Pada rangkaian voltage source inverter terdapat rangkaian dc chopper yang digunakan untuk menyerap daya output generator induksi yang tidak dialirkan ke beban. Rangkaian VSI dipasang paralel dengan generator. Rangkaian VSI dapat berfungsi sebagai sumber daya reaktif untuk eksitasi pada generator induksi. Sehingga tidak perlu kapasitor sisi ac sebagai eksitasi. Pemasangan kapasitor pada sisi ac digunakan sebagai filter output inverter. Secara umum, rangkaian VSI yang digunakan terdiri dari inverter 3 fasa dan rangkaian pengontrol tegangan dc yang terdapat resistor DC (Rdc) sebagai dump load inverter. (Heri Ardiansyah, 2012) Untuk menentukan tegangan dc: V dc = 3 2 V L π Untuk menentukan input arus: I D = dimana, I = I 0,955 P (9) (10) (11) 3 V L (12) Untuk menentukan arus puncak: I p = 2 I D (13) Untuk menentukan nilai dump load: R D = V DC 2 P Untuk menentukan nilai kapasitor dc 1 C = [ ] [ 12 f R D (14) 1 ] (15) 2 R f Rangkaian VSI dapat digunakan untuk menyerap daya yang tidak dialirkan ke beban. Aliran daya dalam sistem ini dapat dirumuskan dengan persamaan: Pgen= Pbeban+ Pinv (16) Fuzzy Logic Logika fuzzy adalah komponen pembentuk soft computing. Dasar logika fuzzy adalah teori himpunan fuzzy. Himpunan fuzzy adalah kelas objek dengan rangkaian nilai keanggotaan. Himpunan tersebut ditandai dengan fungsi keanggotaan yang diberikan kepada setiap objek dengan nilai berkisar antara nol dan satu. notasi yang digunakan antara lain inclusion, union, intersection, komplemen, relasi, berbagai sifat dari notasi dalam konteks himpunan fuzzy juga diterapkan (Agus Naba, 2009). METODE PENELITITAN Perancangan Sistem Plant Proses identifikasi sistem dalam perancangan plant ini dilakukan menggunakan metode konvensional yang disimulasikan menggunakan software MatlabR12a. Secara konvensional rangkaian dari generator induksi penguatan sendiri sebelum dipasangnya kontroler terdiri dari generator induksi, V-I Measurement, bank capacitor, signal builder dan beban resistif dengan parameter berikut Tabel 1. Parameter Generator Induksi Parameter Nilai Satuan P 2000 W VL 380 V f 50 Hz Rs 2 Ω Ls H Rr 2.36 Ω Lr H Lm H J 0.02 kg m^2 F Nms p 2 - Secara konvensional simulasi akan dibuat dengan melakukan 3 percobaan dengan beban yang berbeda pada 31

4 Jurnal Teknik Elektro, Volume 06 Nomor 01 Tahun 2017, setiap simulasi. Beban yang akan digunakan dalam simulasi yaitu beban pada 800 Watt, 1200 Watt dan 1800 Watt. Perancangan Voltage Source Inverter Pada sisi dc inverter dipasang rangkaian dc chopper. Rangkaian ini digunakan untuk menyerap daya output generator yang tidak dialirkan ke beban. Dalam simulasi ini fuzzy dipasang pada gate MOSFET yang ada pada sisi dc inverter. Output kontroler fuzzy merupakan sinyal yang akan dimodulasikan dengan sinyal segitiga untuk mendapatkan duty cycle yang akan digunakan untuk mengatur pensaklaran pada rangkaian dc chopper. (Dedet Candra,2012). Gambar 6. Fungsi Anggota Output HASIL DAN PEMBAHASAN Analisa Sistem Generator Induksi Secara konvensional, dalam simulasi generator induksi berpenguat sendiri tanpa dilengkapi dengan pengendali tegangan. Generator induksi pada simulasi ini dibebani dengan beban resistif bervariasi mulai 800, 1200 dan 1800 Watt dengan konfigurasi bintang. Generator dilengkapi dengan kapasitor eksitasi yang didapatkan dari hasil perhitungan dari rumus 5 sampai 9 sebesar 39,31µF seimbang untuk 3 fasa. Gambar 3. Rangkaian VSI dengan MOSFET Perancangan Kontroler Fuzzy akan dipasang pada gate MOSFET untuk proses switching pada blok VSI yang akan mengendalikan tegangan. Dalam penelitian ini Membership function yang akan digunakan adalah negative big (NB), negative medium (NM), negative small (NS), zero (Z), positive small (PS), positive medium (PM), positive big (PB). Penentuan range ditentukan dari percobaan yang telah dilakukan. Untuk fungsi keanggotaan dipilih berbentuk kurva segitiga karena memiliki harga batas antar fungsi yang jelas dan perhitungan yang relatif sederhana. Kurva segitiga pada dasarnya merupakan gabungan antara dua garis (linear) Berikut adalah gambar fungsi keanggotaan dari error, delta error dan output kontroler. Gambar 4. Fungsi Anggota Error Gambar 5. Fungsi Anggota Error Gambar 7. Rangkaian Generator Induksi Selanjutnya pemberian variasi beban yaitu beban 800, 1200 dan 1800 Watt. Pemberian beban yang berbeda bertujuan mengetahui seberapa besar tegangan yang dihasilkan. Nilai tegangan keluaran yang tercatat pada grafik tegangan memperlihatkan bahwa tegangan keluaran yang terjadi sempat bernilai 0 seperti yang terlihat pada gambar berikut Percobaan pada beban 800W, didapatkan bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.56 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan dan berfluktuasi hingga mencapai keadaan steady state pada waktu t=4,1 detik. Pada percobaan beban 1200W, didapatkan pula bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.6 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan dan berfluktuasi hingga mencapai keadaan steady state pada waktu t=4,2 detik. Demikian juga pada beban 1800W didapatkan bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.64 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan dan berfluktuasi hingga mencapai keadaan steady state pada waktu t=4,8 detik. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut,

5 Penggunaan Fuzzy Logic Sebagai Pengendali Tegangan Self Excited Induction Generator Untuk Pembangkit Mikrohidro Terhadap Perubahan Beban Gambar 8. Grafik tegangan generator beban 800 Watt Percobaan pada beban 800W, didapatkan bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.005 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan dan mencapai keadaan steady state pada waktu t=0.6 detik. Pada percobaan beban 1200W, didapatkan pula bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.005 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan hingga mencapai keadaan steady state pada waktu t=0.7 detik. Demikian juga pada beban 1800W didapatkan bahwa waktu delay yang dibutuhkan untuk menghasilkan tegangan adalah t=0.005 detik. Kemudian tegangan terus mengalami lonjakan hingga mencapai keadaan steady state pada waktu t=0,85 detik. Seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut Gambar 9. Grafik tegangan generator beban 1200 Watt Gambar 12. Grafik tegangan generator beban 800 Watt Gambar 10. Grafik tegangan generator beban 1800 Watt Analisa Sistem Generator Induksi Menggunakan Kontroler Simulasi generator induksi berpenguat sendiri menggunakan kontroler adalah dengan menghubungkan secara paralel rangkaian VSI dan merubah besar beban resistif murni mulai dari 800 Watt, 1200 Watt dan 1800 Watt dengan konfigurasi bintang. Berikut adalah gambar simulasi generator induksi dengan menggunakan kontroler yang ditunjukkan pada gambar 11 Gambar 13. Grafik tegangan generator beban 1200 Watt Gambar 14. Grafik tegangan generator beban 1800 Watt Gambar 11 Rangkaian generator induksi berpenguat sendiri dengan kontroler. Waktu yang dibutuhkan generator induksi berpenguat sendiri untuk mencapai keadaan tunak pada simulasi ini lebih cepat daripada simulasi generator induksi berpenguat sendiri tanpa pengendali tegangan. Hal ini karena VSI menyuplai daya reaktif ke generator induksi berpenguat sendiri yang mengakibatkan generator mendapat daya 33

6 Jurnal Teknik Elektro, Volume 06 Nomor 01 Tahun 2017, reakif yang tinggi dan waktu yang dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan lebih cepat. Dari hasil simulasi ini dapat disimpulkan bahwa penggunaan VSI yang mana pada gate MOSFET tersebut dipasang kontroler fuzzy dan outputnya dimodulasikan dengan sinyal segitiga untuk mendapatkan duty cycle untuk pengaturan tegangan mampu menghasilkan besar tegangan yang konstan pada sisi beban. PENUTUP Simpulan Dengan menggunakan logika fuzzy didapatkan keadaan dimana kondisi tegangan yang stabil dan konstan pada tegangan Volt... Pada sisi dc inverter dipasang rangkaian dc chopper. Rangkaian ini digunakan untuk menyerap daya output generator yang tidak dialirkan ke beban. Dalam simulasi ini fuzzy dipasang pada gate MOSFET yang ada pada sisi dc inverter. Output kontroller fuzzy merupakan sinyal yang akan dimodulasikan dengan sinyal segitiga untuk mendapatkan duty cycle yang akan digunakan untuk mengatur pensaklaran pada sisi dc inverter. Waktu yang dibutuhkan generator induksi berpenguat sendiri untuk mencapai keadaan tunak pada simulasi ini lebih cepat daripada simulasi generator induksi berpenguat sendiri tanpa pengendali tegangan. Hal ini karena VSI menyuplai daya reaktif ke generator induksi berpenguat sendiri yang mengakibatkan generator mendapat daya reakif yang tinggi dan waktu yang dibutuhkan untuk membangkitkan tegangan lebih cepat Tegangan yang dihasilkan oleh generator induksi berpenguat sendiri menggunakan kontroler fuzzy besarnya konstan. Tidak seperti tegangan yang dihasilkan pada simulasi generator induksi tanpa pengendali tegangan dimana besarnya berubah mengikuti perubahan torsi. Hal ini karena pada saat beban pada generator berkurang maka daya yang diserap inverter akan bertambah. Sebaliknya pada saat beban generator bertambah maka daya yang diserap inverter akan berkurang. Sehingga dengan demikian adanya bisa menjaga tegangan pada sisi beban maupun bagian stator generator induksi tetap terjaga konstan. DAFTAR PUSTAKA Chapman, Stephen J Electric Machinery and Power Systems Fundamentals. McGraw-Hill. New York. Evelina, Winna Analisis Karakteristik Pengaturan VAR Pada Generator Induksi Berpenguat Sendiri Dengan Menggunakan Kondensor Sinkron. Skripsi diterbitkan. Depok. Universitas Indonesia. Heri Ardiansyah, Dedet Candra Riawan, Sjamsjul Anam Studi Regulasi Output Generator Induksi dengan Voltage Source Inverter. Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni Institut Teknologi Surabaya. Insya Anshori, Akhmad Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro. (Online) ( embangkit-listrik-tenaga-mikro-hidro.html). Diakses pada 27 Maret Muhammad H. Rashid, Ph.D Power Electronics Handbook Devices, Circuits, and Applications, Third Edition. Electrical and Computer Engineering University ofwest Florida University Parkway Pensacola, FL U.S.A. Naba, Agus Belajar Cepat dan Mudah Fuzzy Logic Menggunakan MATLAB. Penerbit ANDI Yogyakarta. Yogyakarta. Porkumaran, K Fuzzy Logic Based Voltage and Frequency of a Self Excited Induction Generator for Microhydro Tutbines for Rural Applications. Journal of Theoretical and Applied Information Technology. India. Institute of Technology Coimbatore. Theraja, B.L A Text Book of Eelectrical Technology Volume 1 Basic Electrical Engineering. S.Chand and Company Ltd. Ram Nagar, New Delhi Saran Penggunaan beban bisa lebih bervariasi lagi tidak hanya menggunakan beban resistif murni, melainkan bisa juga ditambahkan beban induktif, kapasitif ataupun gabungan diantara komponen itu semua untuk penelitian kedepannya.kemudian meetode pengontrolan bisa lebih ditingkatkan lagi untuk mendapatkan hasil yang lebih bagus lagi kedepannya.