PENERAPAN KONTROL ADAPTIF DAHLIN PROPORSIONAL PADA BUCK CONVERTER DENGAN GANGGUAN MEDAN MAGNET EKSTERNAL

Transkripsi

1 PENERAPAN KONTROL ADAPTIF DAHLIN PROPORSIONAL PADA BUCK CONVERTER DENGAN GANGGUAN MEDAN MAGNET EKSTERNAL IMPLEMENTATION OF ADAPTIVE CONTROL DAHLIN PROPORTIONAL FOR BUCK CONVERTER WITH MAGNETIC FIELD EXTERNAL INTERFERENCE PROPOSAL TUGAS AKHIR Diajukan untuk memenuhi sebagian dari syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik Oleh : ADWIN WELMARK CRISTRI PROGRAM STUDI TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS TELKOM 2016

2 UNIVERSITAS TELKOM Jl. Telekomunikasi No. 1 Ters. Buah Batu Bandung FORMULIR LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TUGAS AKHIR I No. Dokumen No. Revisi Berlaku efektif LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL TUGAS AKHIR I PENERAPAN KONTROL ADAPTIF DAHLIN PROPORSIONAL PADA BUCK CONVERTER DENGAN GANGGUAN MEDAN MAGNET EKSTERNAL IMPLEMENTATION OF ADAPTIVE CONTROL DAHLIN PROPORTIONAL FOR BUCK CONVERTER WITH MAGNETIC FIELD EXTERNAL INTERFERENCE Telah disetujui dan disahkan sebagai Proposal Tugas Akhir I Program S1 Teknik Fisika Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom Disusun oleh: ADWIN WELMARK CRISTRI Bandung, 21 Oktober 2016 Menyetujui, Pembimbing I Pembimbing II Dr. Dudi Darmawan, S.Si., M.T. NIP Reza Fauzi Iskandar, S.Pd., M.T. NIP i

3 UNIVERSITAS TELKOM Jl. Telekomunikasi No. 1 Ters. Buah Batu Bandung FORMULIR PERNYATAAN ORISINALITAS No. Dokumen No. Revisi Berlaku efektif LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS NAMA : Adwin Welmark Cristri NIM : ALAMAT : Jl. Johari 1 No.5 RT/RW 010/011, Kel. Keb. Lama Selatan, Kec, Keb. Lama, Jakarta Selatan No Tlp/HP : adwinwellmark@gmail.com Menyatakan bahwa Tugas Akhir ini merupakan karya orisinal saya sendiri, dengan judul: PENERAPAN KONTROL ADAPTIF DAHLIN PROPORSIONAL PADA BUCK CONVERTER DENGAN GANGGUAN MEDAN MAGNET EKSTERNAL IMPLEMENTATION OF ADAPTIVE CONTROL DAHLIN PROPORTIONAL FOR BUCK CONVERTER WITH MAGNETIC FIELD EXTERNAL INTERFERENCE Atas pernyataan ini, saya siap menanggung resiko / sanksi yang dijatuhkan kepada saya apabila kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap kejujuran akademik atau etika keilmuan dalam karya ini, atau ditemukan bukti yang menunjukkan ketidak aslian karya ini. Bandung, 21 Oktober 2016 (Adwin Welmark Cristri) ii

4 KATA PENGANTAR Puji syukur kepada Tuhan Yesus Kristus yang telah membimbing dan memimpin sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, yang berjudul Penerapan Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal. Tugas akhir ini merupakan syarat terakhir yang harus ditempuh untuk menyelesaikan pendidikan pada jenjang Strata Satu (S1), pada Jurursan Teknik Fisika Universitas Telkom. Dalam pengerjaan tugas akhir ini, tentunya banyak pihak yang telah memberikan bantuan baik moril maupun materil. Oleh karena itu penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih yang tiada hingganya kepada: 1. Bapak M. Ramdlan Kirom M.Si., selaku Ketua Program Studi Teknik Fisika Universitas Telkom. 2. Bapak Dr. Dudi Darmawan, S.Si, M.T. selaku Dosen Pembimbing I atas kritik, saran, motivasi dan bimbingan yang diberikan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Bapak Reza Fauzi Iskandar S.Pd., M.T. selaku Dosen Pembimbing II atas kritik, saran, motivasi dan bimbingan yang diberikan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 4. Bapak Drs. Suwandi M.Si selaku dosen wali, yang telah memberikan arahan, bimbingan, semangat, motivasi, dorongan, dan berbagi pengalaman selama kuliah di Teknik Fisika. 5. Seluruh Dosen dan Pegawai Teknik Fisika Universitas Telkom atas keramahan, dukungan dan bantuan yang diberikan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 6. Secara khusus penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada Ayahanda yang penulis banggakan Winner Pardapotan Simanjuntak dan Ibunda penulis tercinta Adrina Suryani Parhusip, adik-adik penulis, Keluarga Besar Pomparan Opung Yoki Simanjuntak, dan Keluarga Besar Opung Ivan Parhusip yang telah membantu moril dan materil penulis menyelesaikan studi dan penelitian Tugas Akhir ini. iii

5 7. Teman-teman Teknik Fisika angkatan 2012 yang telah menjadi keluarga penulis selama empat tahun terima kasih atas dukungan dan kebersamaannya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir. 8. Teman teman kontrakan BSA 52 yang telah memberi semangat dan mendukung pada penulis sehingga dapat menyelesaikan tugas akhir. 9. Teman-teman TF semangat berjuang, segera menyusul, dan sukses bareng. 10. Teman-teman diskusi dan bertukar pikiran, kru Palasari, semoga tetap kompak dan selalu mengingatkan 11. Seluruh civitas akademik Teknik Fisika Universitas Telkom, yang telah menjadi teman diskusi, teman berbagi ilmu dan juga pengalaman dengan penulis. 12. Dan semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan skripsi ini yang tidak bisa disebutkan satu persatu. Terima kasih banyak. Tentunya sebagai manusia tidak pernah luput dari kesalahan, penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari kesempurnaan, Oleh karena itu saran dan kritik yang konstruktif dari semua pihak sangat diharapkan demi penyempurnaan selanjutnya. Semoga penelitian yang penulis lakukan diberkati oleh Tuhan Yesus dan dapat bermanfaat bagi orang bannyak. Bandung, 21 Oktober 2016 Adwin Welmark Cristri iv

6 ABSTRAK Sebagian pembangkit mikrohidro menggunakan genereator DC, dengan demikian diperlukan perangkat elektronik buck converter yang merupakan salah satu jenis dari dc-dc converter yang berfungsi mengubah besaran pentransmisian listrik ke tempat penyimapanan energi atau dari baterai ke beban penggunaan listrik. Pada rangkian buck converter ini digunakan komponen induktor. Komponen induktor sendiri juga sensitif terhadap gangguan medan magnet di sekelilingnya. Jika perangkat buck converter ini beroperasi di pembangkit mikrohidro maka memungkinkan terjadinya gangguan medan magnet yang berasal dari generator. Oleh karana itu, diperlukan suatu perlakuan khusus untuk mempertahankan keadaan respon sistem walaupun sistem diganggu. Dalam penelitian ini akan di uji buck converter dengan menggunakan metode kontrol adaptif proporsional Dahlin. Dengan meggunakan metode ini diharapkan keadaan sistem dapat diketahui setiap saat, sehingga diketahui perlakuan yang perlu diberikan kepada sistem. Selain itu, metode tersebut akan dibandingkan dengan metode kontrol proporsional konvensional. Kata Kunci: Buck Converter, Mikrohidro, Gangguan Medan Magnet, Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional v

7 ABSTRACT Partially micro hydro power plants using genereator DC, thus the necessary electronic devices buck converter which is one type of dc-dc converter which serves to change the amount of electricity to the transmission of energy storage or from the battery to the load electricity use. In buck converter s ciruits inductor component is used. Inductor component itself is also sensitive to disturbance magnetic fields around. If the device operates in buck converter micro hydro generator then enables disturbance magnetic field emanating from the generator. Therefore, we need a special treatment to maintain the state of the system response although plagued system. In this study will be tested using a buck converter with an adaptive control method of proportional Dahlin. This method is by using state of the system is expected to be known at all times, in order to know which treatment should be given to the system. In addition, these methods will be compared with conventional proportional control method. Keywords: Buck Converter, Micro hydro, Magnetic Field Disturbance, Adaptive Control Method of Proportional Dahlin vi

8 DAFTAR ISI LEMBAR PENGESAHAN... i LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS... ii KATA PENGANTAR... iii ABSTRAK... v ABSTRACT... vi DAFTAR ISI... vii DAFTAR TABEL... ix DAFTAR GAMBAR... x BAB 1 PENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Batasan Masalah Manfaat Penelitian Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB 2 DASAR TEORI Sumber dan Kegunaan Listrik DC (Direct Current) DC-DC Converter Buck Converter Boost Converter Buck-Boost Converter Constan Voltage PWM (Pulse Width Modulation) Kontrol PID Kontrol Proporsional Kontrol Adaptif Recursive Least Square Kontrol Adaptif Dahlin Induktansi Bersama vii

9 BAB 3 METODELOGI PERANCANGAN SISTEM Kontrol Buck Converter Metode Kontrol Proporsional Adaptif Dahlin Flowchart Algoritma Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Charge Controller Algoritma Penyangga (Buffering) Metode Penelitian Perancangan Sistem Identifikasi Sistem Estimasi Sistem Diskrit Menentukan Mikrokontroler dan Parameter Pengukuran Kalibrasi Alat Pengujian Sistem Akuisisi Data Analisis Kesimpulan BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Desain Sistem Charge Controller Pengujian Buck Converter Menggunakan Softwere Matlab Pengujian di Project Board Orde Sistem Buck Converter Karakterisasi Sensor Pengujian Sistem Kontrol Adaptif Dahlin pada Charge Controller Buck Converter dengan Kontrol Proporsional Konvensional Buck Converter Dengan Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan Saran Daftar Pustaka DAFTAR LAMPIRAN Data Percobaan Lainnya Kontrol Proporsional Konvensional Kontrol Adaptif Proporsional Dahlin viii

10 DAFTAR TABEL Tabel Pengujian Buck Converter dalam Project Board ix

11 DAFTAR GAMBAR Gambar Skema Buck Converter [5]... 7 Gambar Buck Converter: Saklar Tertutup [5]... 7 Gambar Buck Converter: Saklar Terbuka [5]... 8 Gambar Rangkaian Boost Converter [5]... 9 Gambar Rangkaian Buck-Boost Converter [12] Gambar Grafik PWM [11] Gambar Skema Kontrol Proporsional [12] Gambar Skema Kontrol Adaptif [8] Gambar Ilustrasi Induktansi Bersama Gambar Skema Kontrol Pengisian adaptif Proporsional 17 Gambar Flowchart Algoritma Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Buck Converter Gambar Skema Metode Penelitian Gambar Rangkaian Sensor Daya Gambar Rangkain RLC pada Buck Converter Gambar Skema Sistem Dengan Gangguan Medan Magnet Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi nilai Induktor..27 Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 0.85 mh Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 3.25 mh Gambar Skema Rangkaian Buck Converter pada Project Board Gambar Karakterisasi Sensor Arus Input Gambar Karakterisasi Sensor Arus Output Gambar Karakterisasi Sensor Tegangan Input Gambar Karakterisasi Sensor Tegangan Output Gambar Sistem Buck Converter Gambar Pengujian Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Gambar Sinyal Respon Daya Output dan Error dari Sistem Buck Converter Kontrol Adaptif Proporsional dengan Gangguan Medan Magnet Gambar Respon Duty Ratio Buck Converter Kontrol Proporsional Konvensional dengan Setpoint 3 Watt Gambar Pembesaran Respon Daya Output Buck Converter Kontrol Proporsional Konvensional Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal µt Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal µt Gambar Grafik Perubahan Kp dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebesar µt x

12 Gambar Grafik Perubahan Kp dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebesar µt Gambar Grafik Duty Ratio dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebasar µt pada Sistem Buck Converter Gambar Grafik Duty Ratio dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebasar µt pada Sistem Buck Converter Gambar Grafik Parameter Dahlin: a1, a2, dan b1 pada Sistem Buck Converter yang Diganggu Medan Magnet Eksternal Sebesar µt Gambar Grafik Parameter Dahlin: a1, a2, dan b1 pada Sistem Buck Converter yang Diganggu Medan Magnet Eksternal Sebesar µt Gambar Perbersaran Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan pada Sistem µt Gambar Perbersaran Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan pada Sistem µt xi

13 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada saat ini gencar dilakukuan peralihan penggunaan sumber energi listrik, dari sumber energi berbahan dasar fosil ke sumber energi yang terbarukan [1]. Peralihan ini terjadi dikarenakan semakin menipisnya cadangan sumber energi yang berbahan dari bahan fosil dan faktor pencemaran lingkungan yang merupakan residu dari penggunaan bahan fosil sebagai sumber energi listrik [1]. Salah satu sumber energi terbarukan yaitu adalah mikrohidro, terlebih di Indonesia banyak tersebar jalur-jalur sungai yang memungkinkan untuk dibangunnya pembangkit listrik mikrohidro [1] [2] [3]. Umumnya energi listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan berjenis direct current (arus searah) [1]. Energi listrik yang dihasilkan oleh sumber energi terbarukan akan fluktuatif karena bergantung pada keadaan alam sekitarnya [1]. Dalam pengimplementasian pembangkit memungkinkan terjadinya beban yang berlebihan namun daya dari sumber tidak mencukupi sehingga diperlukan sumber lain untuk memenuhi kebutuhan daya dari beban listrik yang digunakan. Selain itu, mungkin juga terjadi daya berlebihan dari sumber sedangkan daya yang diperlukan oleh beban hanya sebagian yang dihasilkan oleh sumber, oleh sebab itu diperlukan daya untuk menampung daya yang tidak dipakai beban [1]. Pada pentransmisian listrik ke tempat penyimapanan energi atau dari baterai ke beban penggunaan listrik, umumnya dc-dc coverter digunakan untuk pengubah daya dengan merubah tegangan agar tegangan yang diterima baterai stabil karena pada baterai dan beban umumnya memiliki karakteristik tegangan dan daya pengisian tertentu yang perlu dijaga agar terjaga umur dari baterai atau beban yang digunakan [4]. Dc-dc converter ini memiliki beberapa jenis salah satunya adalah buck converter [4]. Buck converter merupakan konverter daya dc-dc yang berfungsi menurunkan tegangan (sementara meningkatkan arus) dari inputnya menuju beban. Konverter daya jenis ini menggunakan metode pensaklaran frekuensi tinggi yang menggunakan transistor dan dioda sebagai saklar, yang diatur dengan merubahrubah duty ratio [4] [5]. Dalam penggunaan buck converter ini diperlukan sebuah 1

14 perangkat pengontrol, berupa mikrokontroler dan algoritma kontroler yang berfungsi menentukan duty ratio yang tepat untuk menghasilkan tegangan dan daya tertentu [5]. Pada sistem ini pun dapat digunakan algoritma konvesional proporsional. Karena pada rangkaian buck converter jenis ini digunakan komponen induktor yang sensitif terhadap perubahan medan magnet disekitarnya, maka jika sistem buck converter yang sedang beroprasi pada area pembangkit mikrohidro memungkinkan terpapar induksi medan magnet dari generator, yang dapat menyebabkan kinerja dari konverter ini akan terganggu [3] [6] [7]. Jika hal tersebut terjadi mungkin saja tujuan daya yang sudah ditentukan untuk digunakan pada beban tidak akan tercapai. Maka dari itu diperlukan sebuah perlakuan agar buck converter dapat menjaga kinerja walaupun konverter terpapar oleh induksi medan magnet. Untuk menangkal medan magnet atau medan listrik secara fisik dapat digunakan sangkar Faraday yang diposisikan menyelimuti objek [14]. Walaupun demikian, objek yang dilindungi oleh sangkar Faraday mungkin saja tetap terpapar medan magnet karena hal-hal teknis. Oleh karena itu pada penelitian ini, untuk mengatasi gangguan medan magnet dari luar yang tidak dapat ditanggulangi sangkar Faraday dicoba menggunakan meteode Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional, metode kontrol ini memiliki konsep untuk beradaptasi terhadap kedaan lingkungan sekitarnya, dengan cara mengidentifkasi keadaan sistem setiap saat melalui algoritma matematis yaitu Recursive Least Square [8].. Dengan teridentifikasinya keadaan sistem setiap saat, maka kontroler akan memberikan konstanta penguatan yaitu kendali prorporsional yang diperlukan oleh sistem buck converter agar dapat mempertahankan tujuan nilai pentransfer daya ke beban [7] [8]. Dengan demikian tujuan daya yang sudah ditentukan dapat tercapai walau dipengaruhi oleh medan magnet eksternal 1.2. Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh medan magnet eksternal mempengaruhi buck converter yang menggunakan metode kontrol proporsional? 2

15 2. Bagaimana Pengaruh Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada buck converter yang dipengruhi medan magnet? 1.3. Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh medan magnet eksternal mempengaruhi buck converter yang menggunakan metode kontrol proporsional. 2. Mengetahui pengaruh Kontrol Adaptif Proporsional pada buck converter yang dipengaruhi medan magnet Batasan Masalah Berkaitan dengan rumusan masalah diatas, maka fokus Tugas Akhir ini adalah untuk membangun Algoritma Kontrol Adaptif Proporsional untuk buck converter. Dengan demikian, beberapa batasan-batasan masalah perlu dirumuskan sebagai berikut: 1. Daya yang dihasilkan diasumsikan lebih besar dari daya yang dibutuhkan beban. 2. Pengaturan parameter tegangan output dari buck converter dengan cara merubah duty ratio. 3. Daya yang di transfer merupakan daya jenis DC. 4. Menggunakan kendali proporsional adaptif Dahlin. 5. Tidak mengkaji daya disipasi dari pengkabelan. 6. Tidak memperhitungkan fluktuasi dari sumber. 7. Tidak mengkaji efisiensi daya dari buck converter 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian Tugas Akhir ini adalah dapat membandingkan respon yang dihasilkan oleh buck converter menggunakan kontrol proporsional adaptif dengan respon yang digunakan dengan menggunakan metode kontrol proporsional konvensional Metodologi Penelitian Metodelogi yang akan dilakukan dalam penelitan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 3

16 1. Studi literatur Studi literatur dalam pengerjaan Tugas Akhir ini diperlukaan pemahaman untuk menentukan dan memperdalam metode yang akan digunakan. Sumber literatur didapat dari Jurnal Ilmiah, E-Book, dan Text Book. 2. Studi Lapangan Studi lapangan dalam penelitian Tugas Akhir ini untuk memperkuat pandangan-pandangan yang didapat dalam studi literatur. Studi lapangan ini didapat dilakukan dengan berkonsultasi dengan dengan orang-orang yang berpenganlaman dan berkompeten dibidang kontrol terlebih kontrol adaptif. 3.Perancangan Sistem dan Kalibrasi Desain perancangan sistem diperlukan dalam penelitian ini, karena dengan mendesain terlebih dahulu maka akan diketahui peralatan-perlatan dan komponen apa saja yang diperlukan. Selain itu, dengan mendesain terlebih dahulu akan mengurangi tingkat kesalahan dalam perancangan sistem sebenarnya. Setelah melakukan desain sistem, maka hal yang dilakukan adalah melakukan perancangan sistem. Pada bagian ini akan dilakukan integrasi peralatan-peralatan dan komponen-komponen yang diperlukan dalam tugas akhir ini. Akan tetapi, sebelum melakukan pengintegerasian, di perlukan pengkalibrasian sensor dan pengujian rangkian buck converter. yang digunakan.dalam penelitian ini sensor yang gunakan adalah sensor tegangan dan sensor arus. 4. Pengambilan Data dan Analisis Data Setelah perancangan alat maka tahap selanjutnya dalam penelitan ini adalah pengambilan data yang diperlukan dalam analisis sistem yang digukanan dalam tugas akhir ini. 5. Kesimpulan Setalah analisis data maka yang langkah terakhir dalam penelitian tugas akhir ini adalah penarikan kesimpulan. Kesimpulan didapat dari analisisanalisis yang telah dilakukan. 4

17 1.7. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan memiliki tujuan untuk menggambarkan secara umum dari penelitian yang akan dilakukan. Dalam penulisan tugas akhir ini terdiri dari lima bab, yaitu adalah: BAB 1 PENDAHULUAN Dalam bab ini menjelaskan tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batas masalah, manfaat penelitan, metodologi penelitian, serta sistematika penulisan. BAB 2 DASAR TEORI Bab ini berisi teori-teori yang mendukung penelitian ini seperti Pulse Width Modulation (PWM), DC-DC Converter, Kontrol PID, Kontrol Adaptif. BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Pada bab ini akan menjelaskan alur penelitan yang akan dilakukan dan pemilihan perangkat dalam penelitan. BAB 4 HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS DATA Bab ini berisi pemaparan data-data yang didapat dari beberapa uji coba yang dilakukan serta analisis dari data-data tersebut. BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan yang didapat dari penelitan tugas akhir yang telah dilakukan dan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya. 5

18 BAB 2 DASAR TEORI 2.1. Sumber dan Kegunaan Listrik DC (Direct Current) Istilah DC digunakan untuk merujuk pada sistem tenaga yang menggunakan satu polaritas tegangan, arus, dan pada frekuensi nol yang konstan, atau dapat dikatakan variasi yang sangat kecil dalam tegangan dan arus [9]. Arus DC digunakan untuk mengisi baterai dan juga sebagai sumber daya bagi hampir semua sistem elektronik. Arus besar dengan kekuatan besar juga digunakan untuk produksi aluminium dan proses elektrokimia lainnya [9]. Arus DC juga digunakan untuk beberapa penggerak kereta api, terutama di daerah perkotaan. Saat ini semakin banyak sumber tenaga listrik yang menghasilkan arus searah seperti panel surya dan generator DC yang biasanya digunakan pada turbin angin dan pembangkit listrik mikrohidro [9] DC-DC Converter Teknologi catu daya adalah teknologi yang membantu kita untuk membangun dan mengoprasikan rangkaian dan sistem elektronik. Semua rangkaian elektronik, baik analog dan digital memerlukan sumber daya. Banyak sistem elektronik membutuhkan suplai tegangan DC. Sebuah suplai tegangan DC biasanya diperoleh dari baterai atau sumber AC yang nantinya akan ditransformasi, disearahkan dan difilter. Hasil dari sumber DC tidak cukup stabil dan banyak memiliki ripple yang tidak baik hamper untuk semua aplikasi. Untuk itu Voltage Regulator digunakan agar tegangan dc lebih stabil dan menurukan atenuasi ripple [4]. DC-DC Converter merupkan sebuah Voltage Regulator yang bekerja dalam mode pensaklaran. Jenis ini lebih efisien dibandingkan regulator tegangan linier dengan sebab daya yang dihasilan regulator tegangan jenis ini hanya sedikit menghasilkan daya disipasi [4]. Fungsi alat ini adalah mengkonversi bentuk daya elektrik dc (searah) menjadi bentuk daya elektrik dc yang lainnya. Secara umum ada dua rangkaian dasar konverter dc-dc yaitu buck converter dan boost converter. 6

19 Buck Converter Buck conveter merupakan tipe dari konverter dc-dc konverter ini berfungsi menurunkan tegangan dc menjadi tegangan dc lain yang lebih [4]. Rangkaian converter ini terdiri dari MOSFET yang digunakan untuk pengontrol saklar, sebuah diode, induktor dan rangkaian filter yang terdiri dari kapasitor dan resistor beban. Buck converter menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) sebagai sinyal pensaklaran untuk menentukan lama waktu pensaklaran hidup dan mati [4]. Gambar Skema Buck Converter [5] Pada buck converter terdapat dua state kerja, yaitu pada saat saklar tertutup atau pada saat mosfet berada pada daerah saturasi dan pada saat saklar terbuka atau pada saat mosfet berada pada daerah cut-off. Gambar Buck Converter: Saklar Tertutup [5] Pada saat saklar tertutup arus mengalir menuju induktor dan pada saat yang sama dioda berada pada kondisi reverse bias sehingga energi akan tersimpan pada induktor. Pada kondisi ini tegangan pada induktor adalah sebagai berikut [5]: V L = V s V o = L. di L dt di L = V s V o dt L (1) (2) 7

20 Tingkat perubahan arus induktor adalah konstan, hal ini menunjukkan arus pada induktor meningkat secara liner. Persamaan sebelumnya dapat dinyatakan sebagai berikut [4]: i L t = i L = V s (1 D)T L il pada saat saklar tertutup adalah ( i L ) closed = V sdt L (3) (4) Gambar Buck Converter: Saklar Terbuka [5] Pada saat saklar terbuka arus pada induktor tidak dapat berubah secara instan, sehingga dioda berada pada keadaan forward bias dan menyebabkan arus mengalir menuju resistor dan kapasitor. Pada kondisi ini tegangan pada induktor adalah sebagai berikut [4]: V L = V 0 = L. di L dt (5) di L = V 0 dt L Tingkat perubahan arus adalah konstan, sehingga persamaan sebelumnya dapat dinyatakan sebagai berikut [4]: i L t = i L = V 0 (1 D)T L il pada saat saklar terbuka adalah ( i L ) open = V 0(1 D)T L Dengan menggunakan persamaan (17) dan (21) maka didapatkan hubungan antara tegangan masukan dan keluaran pada buck-boost converter adalah sebagai berikut [4]: ( i L ) closed + ( i L ) open = 0 (9) (6) (7) (8) 8

21 Vo = D Vin (10) Dalam persamaan diatas ini masing-masing Vo, Vi, dan D adalah teganga output, tegangan input, dan duty ratio yang merupakan perbandingan periode saat saklar on dengan periode saklar melakunan satu gelombang (on-off). Selain mengkonversi tegangan masukan dc menjadi lebih rendah konverter ini juga sekaligus akan meningkatkan nilai arus [5] Boost Converter Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan [4]. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Skema konverter jenis ini dapat dilihat pada gambar 2.3, dimana komponen utamanya terdiri atas MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor. Jika saklar MOSFET pada kondisi tertutup, arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar MOSFET terbuka, arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati diode sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Keunggulan dari converter boost adalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontinu [10]. Gambar Rangkaian Boost Converter [5] Karena arus masukan konverter dapat dijaga kontinu, pada saat konverter ini diserikan dengan penyearah dioda, konverter ini tidak menimbulkan harmonisa pada arus sumber penyearah dioda. Atau dengan kata lain, arus sumber mempunyai bentuk gelombang mendekati sinusoidal dengan faktor daya sama dengan satu. Vo = Vi 1 D (11) 9

22 Persamaan diatas merupakan persamaan untuk menentukan tegangan output dari Boost Converter. Dalam persamaan ini nilai tegangan output akan bergantung pada variabel Vi yang merupakan tegangan input dan D merupakan nilai PWM yang diberikan kepada MOSFET sebagai saklar elektronik [10] Buck-Boost Converter Konverter buck-boost merupakan gabungan dari kedua fungsi konverter tipe buck dan boost. Dengan demikan menggunakan konverter jenis ini akan dapat mengatur keluaran tegangan yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya [4]. Skema konverter tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.4. Rangkaian kontrol daya penyaklaran akan memberikan sinyal ON-OFF kepada MOSFET. Untuk kondisi MOSFET OFF maka arus akan mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Ketika MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Inilah yang mengakibatkan topologi ini bisa menghasilkan nilai rata-rata tegangan keluaran bisa lebih tinggi maupun lebih rendah daripada tegangan sumbernya [10]. Gambar Rangkaian Buck-Boost Converter [12] Masalah utama dari konverter buck-boost adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi. Adapun yang perlu diperhatikan juga disini adalah tegangan keluaran konverter buck-boost bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan [4] [10]. Vo = D 1 D Vi (12) 10

23 Persamaan diatas merupakan persamaan untuk menentukan tegangan output dari konverter tipe buck-boost. Dalam persamaan ini nilai tegangan output akan bergantung pada variabel Vi yang merupakan tegangan input dan D merupakan nilai PWM yang diberikan kepada MOSFET sebagai saklar elektronik [4] Constan Voltage Metode Constant Voltage (CV) merupakan metode yang paling sederhana yang dapat digunakan dalam implementasi converter dc-dc [4]. Metode CV ini memerlukan input berupa tegangan dan arus dari sumber sebagai parameter objek yang akan memanipulasi nilai output tegangan pada konverter dc-dc dengan cara merubah nilai duty ratio sehingga nilai tegangan output dapat berubah [4] PWM (Pulse Width Modulation) Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa Contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya [11]. Keuntungan menggunakan teknologi PWM sebagai berikut [11]: 1. Mudah dalam implementasi dan pengendaliannya 2. Cocok digunakan dengan menggunakan mikroprosesor 3. Mengurangi disipasi daya 4. Mengontrol linier kontrol amplitude dari output tegangan atauarus dari keadaan sebelumnya Gambar Grafik PWM [11] 11

24 2.5. Kontrol PID Dalam sistem kontrol konvensional (PID) teradapat beberapa macam aksi kontrol, diantaranya yaitu aksi kontrol proporsional, aksi kontrol integral dan aksi kontrol derivative [12]. Masing-masing aksi kontrol ini mempunyai keunggulankeunggulan tertentu. Aksi kontrol proporsional mempunyai keunggulan rise time yang cepat, aksi kontrol integral mempunyai keunggulan untuk memperkecil error, dan aksi kontrol derivative mempunyai keunggulan untuk memperkecil error atau meredam overshot/undershot [12]. Untuk itu agar kita dapat menghasilkan output dengan risetime yang cepat dan error yang kecil kita dapat menggabungkan ketiga aksi kontrol ini menjadi aksi kontrol PID. Parameter pengontrol Proporsional Integral derivative (PID) selalu berdasarkan tinjauan terhadap karakteristik yang di atur (plant). Dengan demikian bagaimanapun rumitnya suatu plant, prilaku plant tersebut harus di ketahui terlabih dahulu sebelum pencarian parameter PID itu dilakukan Kontrol Proporsional Pengontrolan Proporsional memiliki keluaran yang berbanding lurus dengan nilai kesalahannya (selisih antara sinyal input dan feedback (besaran aktual) [12]. Dengan kata lain bahwa keluaran control Proporsional merupakan perkalian antara konstanta Proporsional dengan nilai inputnya (nilai kesalahan). Gambar Skema Kontrol Proporsional [12] Gambar diatas menjelaskan hubungan antara besaran setting, besaran aktual yang telah dikalikan dengan besaran keluaran pengontrol Proporsional [12]. Selisih dari nilai input dan feedback (besaran aktual) akan mempengaruhi pengontrol, untuk mengeluarkan sinyal positif (mempercepat pencapaian harga setting) atau negatif (memperlambat tercapainya harga yang diinginkan) [12]. u(t) = Kp. e(t) (13) 12

25 u(t) merupakan sinyal output dari sistem kontrol yang didapatkan dari perkalian konstanta Kp dengan nilai kesalahannya e(t) [12]. Secara eksperimen, dalam penggunaan kontrol Proporsional harus memperhatikan beberapa hal berikut: 1. Semakin besar nilai Kp yang diberikan maka respon dari sistem maka respon sistem untuk mencapai keadaan steady state (tunak) akan semakin cepat. 2. Akan tetapi jika diberikan nilai Kp yang berlebihan maka respon akan berosilasi dan menjadi tidak stabil Kontrol Adaptif Adaptasi memiliki arti merubah bentuk atau sifat agar dapat menyesuaikan diri dengan keadaan sekelilingnya atau lingkungan sekitar. Sistem adaptif dan kontrol adaptif mulai dikenal sejak awal tahun Desain auto-pilot untuk meningkatkan performansi pesawat terbang adalah salah satu alasan utama untuk melakukan riset kontrol adaptif. Pesawat terbang digunakan pada tingkat kecepatan dan ketinggian yang lebar, dan dan dinamika pesawat tidak linier dan berubah-ubah setiap saat. Dengan menggunakan kontrol adaptif ini maka dapat dilakukan pendekatan dinamika pesawat terbang yang kompleks menjadi pemodelan linier [8]. Gambar Skema Kontrol Adaptif [8] Pada respon ini sinyal output u(t) dan respon output y(t) digunakan untuk mengidentifikasi sistem setiap saat dengan menjadikan keduanya sebagai input auto-tuner yang nantinya data u(t) dan y(t) akan diolah atau diakuisisi untuk 13

26 mengidentifikasi sistem setiap saat [8]. Setelah melakukan identifikasi sistem proses maka output dari auto-tuner ini akan menghasilkan parameter-parameter yang digunakan untuk rubah konstanta pengontrolan sesuai dengan keadaan sistem proses yang telah diidentifikasi [8] Recursive Least Square Recursive Least Square (RLS) merupakan salah satu metode matematis yang dapat digunakan untuk menduga koefisien parameter regresi atau mengestimasi keadaan sebuah sistem [8]. Dalam pengoprasian kontrol adaptif metode ini dapat digunakan dalam menentukan model matematis dari sistem fisik yang berdasarkan data dari observasi sistem, yang mencatat setiap relasi data input dan output dari suatu sistem fisik. Kelebihan dari metode ini adalah sistem ini menganggap sistem fisik yang akan dimodelkan sebagai sebuah black box, sehingga apapun jenis komponen yang ada didalam sistem fisik dan apapun jenis bahannya tidak dipermasalahkan dan tidak perlu diperhatikan. Selain itu, algoritma RLS ini dapat diaplikasikan secara online [8] Kontrol Adaptif Dahlin Kontrol konvensional, seperti pengendali proporsional dapat dengan baik digunakan ketika parameter-parameter dalam suatu sistem tetap pada setiap saat, tetapi pengendali ini memiliki performa yang kurang baik ketika parameter-parameter dalam sistem berubah setiap keadaan. Sebab, dengan berubahnya parameter dalam sistem kemampuan akurasi pengendali proporsional akan menurun [8]. Eric Dahlin pada tahun 1968 memperkenalkan algoritma kontrol untuk sebuah sistem yang memiliki waktu delay [8]. Kontrol adaptif proporsional Dahlin memiliki keuntungan yaitu dapat mengikuti respon model sistem agar dapat mengejar error steady state yang kecil atau memperbaiki nilai akurasi, Dengan selalu melihat perubahan model sistem yang berubah-ubah. Sehingga ketika terjadi perubahan model sistem yang diakibatkan oleh faktor lingkungan sekitar atau dari dalam sistem sendiri maka algoritma Dahlin akan menerima parameter input dari sistem yang berubah dan akan diolah sehingga akan 14

27 menghasilkan nilai gain kontroler yang baru agar dapat mengejar error yang kecil. Untuk memahami atau mengatamati perubahan sistem, kontrol adaptasi dahlin menggunakan pendekatan dengan metode Recursive Least Square untuk mendapatkan parameter-parameter perubah nilai kontrol yang menyesuaikan keadaan sistem. Membentuk nilai KP baru dapat menggunakan pengendalian proporsional Dahlin [12] dalam persamaana1 (1).. Kp = (a 1+2a 2 )Q b 1 (14) Parameter a1, a2, dan b1 akan berubah secara otomatis akibat perubahanperbahan kondisi sistem. Variabel Q dalam persamaan diatas dapat dijelaskan pada persamaan (2). Q = 1 e T 0 B (15) Variabel B merupakan konstanta waktu dan T0 adalah settling time dari sistem. Jika nilai B semakin kecil maka kecepatan respon sistem close loop akan meningkat [8]. Kontrol adaptif Dahlin merupakan suatu metode identifikasi terpadu. Pendekatan dalam menggunakana metode ini terdiri dari dua fase yaitu fase identifikasi parameter terlebih dahulu dan setelahd itu fase kontrol. Setelah setiap fase didesain dari pendekatan tersebut selesai diidentifikasi, informasi parameter yang berkaitan dapat digunakan dan diimplementasikan dalam berbagai algoritma kontrol [8]. Estimasi yang dilakukan dengan menggunakan metode RLS menghasilkan estimasi keadaan sistem secara diskrit yang digunakan dalam perancangan kontrol adaptif Dahlin 2.7. Induktansi Bersama Ketika salah satu kumparan 1 dialiri oleh arus akan timbul fluksi magnetik, dimana fluksi ini ada yang merambat ke kumparan 2, yang mana fluksi yang merambat ke kumparan 2 akan menimbulkan tegangan pada kumparan 2 peristiwa 15

28 ini sering disebut sebagai tegangan induksi, maka fenomena tersebut dikenal dengan induksi bersama [13]. Gambar Ilustrasi Induktansi Bersama Apabila kumparan N1 dialiri arus, maka pada kumparan N1 tersebut akan timbul fluksi ɸ1, dimana fluksi ini terbagi menjadi dua bagian yaitu fluksi ɸ11 dan ɸ12. Fluksi ɸ11 ini adalah fluksi yang hanya melingkupi kumparan 1 itu sendiri, sedangkan fluksi ɸ12 adalah fluksi yang berasal dari kumparan 1 yang melingkupi kumparan 2 [13]. Maka fluksi yang timbul pada kumparan 1 adalah: Φ 1 = Φ 11 + Φ 12 (16) Dan apabila meninjau induktansi pada kumparan kedua dengan mengaliri arus pada kedua kumparan maka besar fluksi yang dialami oleh kumparan 2 bergantung pada ɸ21 yang merupakan fluksi dari kumparan 2 yang melingkupi kumparan 1, sedangkan ɸ22 merupakan fluksi yang hanya melingkupi kumparan 2 sendiri [14]. Maka fluksi yang ditimbulkan oleh kumpran 2 adalah sebagai berikut: Φ 2 = Φ 21 + Φ 22 + Φ 12 (17) Dengan demikian nilai induktansi pada setiap kumparan akan bergantung pada fluksi yang dihasilkan oleh kumparan itu sendiri dan juga akan dipengaruhi oleh kumparan yang didekatnya [13]. L 2 = N 2 dφ 2 dt (18) 16

29 BAB 3 METODELOGI PERANCANGAN SISTEM 3.1. Kontrol Buck Converter Metode Kontrol Proporsional Adaptif Dahlin Buck converter ini bekerja dengan menghasilkan pulsa on-off yang lebar pulsanya dapat diatur. Pulsa berasal atau dihasilkan oleh driver PWM (Pulse Width Modulation). Driver PWM akan merubah-rubah besar lebar pulsa on-off sesuai dengan sinyal input yang diterima yaitu sinyal output dari sistem kontrol proporsional. Gambar Skema Kontrol Pengisian adaptif Proporsional Skema diatas menggambarkan alur transfer daya atau energi listrik yang berasal dari sumber menuju beban. Dalam mentransfer daya tersebut dibutuhkan sebuah perangkat berupa konverter DC-DC jenis buck converter. Perangkat ini berfungsi agar transfer daya dari sumber ke beban maksimal, sebab jarak antara letak sumber dan beban kemungkinan besar diletakkan cukup jauh ini akan berakibat daya terdisipasi akan semakin banyak dan daya yang diterima beban jauh lebih kecil dibandingkan yang dihasilkan sumber. Dalam sistem ini menggunakan metode Kontrol Adaptif Dahlin dan hanya menggunakan parameter kontrol Proporsional saja. Metode kontrol ini akan merubah nilai konstanta kontrol menyesuaikan dengan kondisi sistem proses dalam hal ini adakah DC-DC Converter, dengan meninjau input-output DC-DC Converter 17

30 berupa parameter daya listrik. Untuk dapat menggunakan metode ini diperlukan identifikasi pendekatan orde dan sistem terlebih dahulu. Untuk sistem ini dilakukan pendekatan orde sistem satu Flowchart Algoritma Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Charge Controller Di bagian ini disajikan diagram untuk mendapatkan nilai dari sensor dan respon sistem dengan menggunakan Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada charge controller. Gambar Flowchart Algoritma Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Buck Converter Dalam diagram diatas dijelaskan bahwa nilai yang terbaca dalam pada sensor digunakan untuk mendapatkan nilai error sistem dan memperbaharui konstanta pengendalian yang tepat digunakan pada sistem agar dapat mengejar setpoint yang berupa Pload. Pada saat iterasi awal sistem diberikan Kp= 0.5 sebagai trigger. 18

31 Algoritma Penyangga (Buffering) Dalam perancangan algoritma untuk sebuah sistem pengendalian memungkinkan menggunakan batas-batas nilai dari variabel-variabel yang digunakan dalam pengendalian sistem atau biasa disebut buffering. Hal ini diperlukan sebagai pengaman dari sebuah sistem, karena dalam sebuah sistem pengendalian terdapat perankat-perangkat yang masing-masing memiliki batasan yang perlu diperhatikan agar perintah dari pengendalian tidak merusak perangkat lainnya. Untuk merancang algoritma penyangga, langkah yang perlu dilakukan adalah pengujian dan monitoring sistem pengendalian tanpa ada batasanbatasan yang dilakukan beberapa kali, sehingga terlihat beberapa gejala yang timbul dan mengganggu respon sistem. Jika hal tersebut terjadi, maka perlu dilakukan pembatasan dengan mengkaji terlebih dahulu hasil pengujian dan monitoring sistem Metode Penelitian Berikut ini merupakan alur metode yang digunakan dalam melakukan penelitian tugas akhir. Gambar Skema Metode Penelitian 19

32 Perancangan Sistem Langkah pertama dalam melakukan penelitian ini adalah dilakukan desain dan perancangan sistem charge controller (kontrol pengisian). Tahap ini perlu dilakukan, sebab dengan mendesain sistem yang akan dibangun maka dapat diketahui komponen-komponen dan peralatan yang diperlukan dalam perancangan sistem kontrol pengisian ini. Dalam sistem kontrol pengisian ini juga terdiri dari beberapa subsistem yang perlu dipahami sebelum melakukan pengintergrasian sehingga menjadi satu kesatuan sistem kontrol pengisian, subsistem-subsistem yang digunakan adalah DC-DC Converter, Sistem Kontrol, Sistem Akuisisi, Mikrokontroler, dan Sensor. Untuk menunjang pemahaman tentang sistem yang akan diteliti maka diperlukan kegiatan studi literatur dan studi lapangan Desain Buck Converter Dalam mendesain subsistem berupa buck converter yang digunakan sebagai aktuator juga. Maka dilakukan terhadap perhitungan nilai induktor, nilai kapasitor, serta menentukan dioda dan mosfet yang digunakan dalam rangkaian buck converter. Setelah melakukan penentuan komponen-komponen yang akan digunakan dalam rangkaian maka perlu dilakukan pengujian menggunakan simulasi pada softwere Matlab dan langkah terakhir dalam mendesain rangkaian ini dilakukan pengujian di project board. Untuk mengoptimalkan fungsi actuator yang digunakan dalam hal ini buck converter maka diperlukan penentuan komponen-komponen dengan tepat. Pada sistem yang akan dirancang terdapat beban memerlukan output sebesar 3 Watt dengan tegangan sekitar 12 Volt -13 Volt. Sedangkan tegangan sumber dari panel di asumsikan sebesar 16 Volt, maka dapat ditentukan desain arus yang diinginkan adalah: I out = P beban V = 3 Watt = 0.25 A (19) 12 Volt Frekuensi saklar mikrokontroler yang digunakan dalam buck converter adalah 7.8kHz dengan demikian kita dapat menentukan nilai induktansi dan kapasitansi dari komponen induktor dan kapasitior. 20

33 Dengan menentukan riak dari arus induktor sebesar 10% dari arus output [4]. I L = 10% x I out = (20) Vout yang ingin dicapai berkisar 12 Volt hingga 13 Volt maka diambil nilai tertinggi untuk menentukan duty ratio (D) maksimumnya [4]: D = V out = 13 = (21) V in 16 Dengan mengharapkan riak tegangan output hanya sampai 1 Volt saja. maka nilai Induktor (L) dan Kapasitor (C) didapat [4]: L = 1 f x (Vin Vout) x D x 1 C = V out(1 D) 8 x L x V out x f IL = 128,6 µh (22) 2 = 40 µf (23) Dengan demikian nilai Induktor dan Kapasitor yang digunakan berkisar µh dan 40 µf. Selain itu, dipakai MOSFET tipe IRLZ24 sebagai switching, Dioda 1N522 sebagai saklar sekunder dan juga menggukana IC sebaga Driver Gate Mosfet dengan spesifikasi terdapat pada datasheet [4]. Sebelum digunakan sebagai aktuator pada sistem charge controller, rangkaian buck converter ini akan diuji terlebih dahulu dan di bandingkan dengan beberapa komposisi nilai Induktor dan Kapasitor yang lainnya [4] Desain Rangkaian Sensor Dalam merancang sensor daya, digunakan sensor tegangan dan sensor arus yang disusun menjadi satu rangkaian. Gambar Rangkaian Sensor Daya 21

34 Pada gambar di atas menjelaskan bahwa sensor tegangan dirangkai secara paralel dengan sensor arus dan beban, sedangkan sensor arus dirangkai secara seri dengan beban. Untuk sensor tegangan digunakan dua resistor dan kapasitor dengan komposisi R1= 27 kohm, R2= 4.65 kohm, dan C= 1 µf. Dengan desain seperti demikian maka sesuai dengan perhitungan tegangan yang dapat di ukur dapat mencapai 30 V. Sedangkan sensor arus di gunakan modul ACS12-5A, dengan menggunakan sensor ini arus maksimal yang dapat diukur mencapai 5A Identifikasi Sistem Setelah melakukan perancangan dan pengintergrasian sistem, maka yang perlu dilakukan adalah mengidentifikasi bagaimana sistem kontrol pengisian ini bekerja. Tahap ini akan menentukan saat melakukan percobaan, sebab jika terdapat masalah maka dapat dilakukan pengambilan tindakan dengan tepat. Identifikasi buck converter adalah hal yang pertama dan utama untuk ditinjau sebab bagian ini akan mempengaruhi subsistem-subsistem yang lainnya. Dalam hal ini kita perlu mengetahui sistem orde dan tipe apa yang digunakan dalam buck converter dan juga spesifikasi daya dari sistem ini sehingga dapat digunakan untuk pembangkit listrik yang menghasilkan. SL Vo Vs 1/ SC R Gambar Rangkain RLC pada Buck Converter Dengan mengtahui rangkaian RLC pada buck converter maka dapat ditentukan fungsi transfer dari sistem buck converter tersebut dengan pendekatan kirchoff s current law: Vo(s) Vs(s) sl + Vo(s) 1 sc + Vo(s) R = 0 (24) Vo(s) sl = Vo(s)( 1 sl + sc + 1 R ) (25) 22

35 Vo(s) = 1 (26) Vs(s) LCS 2 + L R S Estimasi Sistem Diskrit Perancangan dari sistem kontrol dapat dilakukan dengan diketahuinya fungsi transfer sistem. Akan tetapi, kita perlu menentukan sistem dimodelkan sebagai sistem diskrit atau sistem kontinu. Dalam mengkonversi model sistem kontinu menjadi model sistem diskrit maka variabel s dapat diganti dengan persamaan sebagai berikut: s= 2(z 1) T(z+1) (27) Variabel T merupakan waktu cuplik yang dilakukan oleh sistem [15]. Sedangkan untuk mengkonversi model sistem diskrit menjadi model sistem kontinu, maka dapat dilakukan dengan merubah variabel z dengan persamaan sebagai berikut: z= (st+2) (st 2) Mikrokontroler yang digunakan pada sistem yaitu ATMega328P. Mikrokontroler ini memiliki frekuensi clock sebesar 16MHz. Karena frekuensi clock dari mikrokontroler cukup besar sehingga cuplikan data yang diolah dan respon yang diberikan sistem sangan cepat, dengan demikian estimasi sistem yang dilakukan dengan metode RLS, walaupun menghasilkan estimasi sistem diskrit namun dapat menerjemahkan estimasi sistem secara kontinu sesuai dengan persamaan (28). (28) Menentukan Mikrokontroler dan Parameter Pengukuran Dalam penelitian ini yang akan ditinjau adalah perbandingan input dan output daya listrik dari DC-DC Converter sehingga diharapkan dapat menghasilkan daya output yang sama atau mendekati nilai daya inputnya. Maka dengan demikian diperlukan sensor tegangan dan sensor arus listrik untuk menunjang penelitian ini. Selain itu, menentukan mikrokontroler yang akan digunakan juga perlu dilakukan agar dapat menunjang kinerja pembacaan sensor yang dipakai. 23

36 Kalibrasi Alat Tahap ini merupakan lanjutan dari penentuan parameter pengukuran setelah mengetahui parameter yang akan diukur dan telah memilih sensor yang akan digunakan maka tahap selanjutnya adalah pengkalibrasian atau penyesuaian pembacaan nilai dari alat ukur atau sensor yang digunakan. Pengkalibrasian ini dapat dilakukan dengan cara membandingkan dengan alat ukur yang sudah ada dan telah teruji Pengujian Sistem Untuk tahap pengujian sistem buck converter yang sudah terintegrasi akan diberi gangguan berupa medan magnet seperti skema yang telah diterangkan diatas. Dalam penelitian ini digunakan dua variasi besaran medan magnet sebagai pengganggu sistem. GANGGUAN MEDAN MAGNET SUMBER DAYA BUCK CONVERTER LOAD/ BATTERY Gambar Skema Sistem Dengan Gangguan Medan Magnet Akuisisi Data Untuk tahap akuisisi data ini akan dilakukan dengan menggunakan program yang telah dirancang pada mikrokontroler. Program yang dirancang adalah program Recursive Least Square yang dapat mengidentifikasi keadaan sistem setiap saat dan juga Kontrol Adaptif Dahlin yang dapat mengubah konstanta pengendali yang digunakan agar sesuai dengan keadaan sistem. Dengan demikian semua data terukur yang didapat dari sensor akan terbaca di serial monitor dan selanjutnya akan di ekspor ke softwere Microsoft Excel Analisis Tahap berikutnya dalam penelitian ini adalah analisis sistem. Analisis dapat dilakukan dengan melihat respon yang diberikan oleh sistem kontrol pengisian. Respon yang dihasilkan berupa grafik dalam softwere Microsoft Excel. 24

37 Kesimpulan Penarikan kesimpulan dapat dilakukan setelah melakukan analisis kinerja yang ditunjukan sistem dengan melihat respon sistem yang dihasilkan. Pada bagian ini peneliti juga akan memberikan saran untuk mengembangkan dan memperbaiki penelitian yang akan dilakukan selanjutnya. 25

38 BAB 4 HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Desain Sistem Charge Controller Dalam perancangan sistem charge controller dengan menggunakan metode kontrol adaptif Dahlin terdapat dua subsistem utama yaitu rangkaian buck converter sebagai aktuator dan menggunakan rangkaian sensor daya yang di tempatkan pada input buck converter dan output buck converter. Charge controller ini menggunakan mikrokontroler dengan tipe ATMega328P yang berfungsi sebagai otak dari sistem. Pada mikrokontroler tersebut ditanam algoritma kontrol adaptif Dahlin yang bekerja memberi sinyal pada aktuator untuk merespon keadaan yang diterima oleh sensor. Sistem ini didesain sedemikian rupa untuk mentransfer daya ke beban (perangkat elektronik) yang memiliki tahanan transfer daya maksimal 3 Watt bersifat resistif, dengan demikian daya yang ditransfer sesuai dengan ketentuan dari beban yang dipakai sehingga dapat menjaga life-time dari beban dan dapat menjaga daya yang ditranfer tidak melebihi daya yang diperlukan sehingga tidak terjadi daya disipasi dari beban (perangkat) Pengujian Buck Converter Pada Buck Converter yang digunakan sebagai aktuator pada perancangan kontrol adaptif Dahlin pada charge controller dilakukan beberapa pengujian agar mendapatkan aktuator yang baik dan dapat mendukung kinerja sistem charge controller. Terdapat dua pengujian buck converter antara lain simulasi rangkaian pada softwere Matlab dan perngujian rangkaian buck converter pada project board sesuai dengan kompossisi yang dikerjakan di Matlab. Pada pengujian buck converter ini dilakukan pengujian dari variasi nilai induktor dan kapasistor salah satu variasi yang diuji adalah nilai induktor dan kapasitor seusai dengan persamaan (22) dan (23) Menggunakan Softwere Matlab Pada pengujian ini digunakan beberapa komposisi pada rangkaian buck converter dengan memvariasikan nilai dari komponen induktor dan kapasitor 26

39 untuk melihat kondisi transien dan kondisi tunak pada tegangan outputnya. Pada pengujian ini digunakan tegangan input 16 Volt dan frekuensi pensaklaran 7,8 khz dengan duty ratio 80% Variasi Nilai Induktor Dalam percobaan variasi pertama dilakukan dengan menggunakan kapasitor yang sama dengan menggunakan lima variasi induktor. Dapat dilihat dari gambar di atas bahwa memiliki perbedaan nilai tegangan output sesuai dengan perhitungan matematis pada persamaan (1) yaitu 12.8 Volt, akan tetapi fluktuasi terjadi lebih sedikit pada variasi induktor di sekitar 0.85 mh dan 3.25 mh. Sedangkan pada variasi kapasitor dan induktor yang sesuai dengan persamaan (22) dan (23) memiliki fluktuasi yang sangat tinggi. Oleh karena itu, variasi induktor 0.85 mh dan 3.25 mh akan digunakan pada pengujian variasi kapasitor. Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi nilai Induktor 27

40 Variasi Nilai Kapasitor Pada pengujian ini digunakan variasi nilai dua induktor yaitu 0.85 mh dan 3.25 mh, sebab pada percobaan sebelumnya memiliki fluktuasi yang tidak jauh berbeda dan memiliki perbedaan dengan nilai perhitungan matematis (1) yang tidak terlalu jauh dibandingkan dengan variasi induktor yang lain. Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 0.85 mh Gambar Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 3.25 mh Dapat dilihat pada grafik diatas di uji beberapa variasi kapasitor. Jika dilihat maka didapatkan bahwa dengan menggunakan nilai kapasitor yang lebih besar maka fluktuasi yang terjadi akan lebih kecil. Akan tetapi, dengan menggunakan kapasitor yang lebih besar maka respon akan lebih lama mencapai nilai tunaknya. Oleh karena itu, pada percobaan ini diambil kapasitor 28

41 470 µf sebab fluktuasi yang terjadi kecil dibandingkan dengan variasi kapasitor yang bernilai lebih kecil dan respon lebih cepat dibandingkan dengan kapasitor yang bernilai lebih besar. Dengan demikian akan diuji pada project board buck converter dengan variasi 0.85 mh dengan 470 µf dan 3.25 mh dengan 470 µf Pengujian di Project Board Pada pengujian ini, digunakan variasi nilai kapasitor dan induktor pada buck converter yang telah ditentukan pada percobaan simulasi di dalam Matlab, yaitu variasi 0.85 mh dengan 470 µf dan 3.25 mh dengan 470 µf. Nilai Tegangan Input Tabel Pengujian Buck Converter dalam Project Board L= 3.25mH, C= 470 µf, L= 0.8mH, C= 470 µf, RL= 47 Ohm RL= 47 Ohm Error Terhadap Perhitung Matematis 15 Volt 18.03% 21.81% 17 Volt 19.36% 16.19% 20 Volt 23.13% 14.52% Rata-Rata Error 20.17% 17.50% Tabel 4.1. menampilkan error dari kedua variasi dari induktor dan sepuluh variasi nilai duty ratio dan juga diuji pada tiga variasi nilai tegangan input, lalu setiap hasil dibandingkan dengan hasil perhitungan matematisnya (10) dan dilihat persentase errornya. Dengan persamaan error nya sebagai berikut: error = Vo actual Vo perhitungan Vo perhitungan x 100% (29) Setelah itu error nilai dari setiap variasi duty ratio yang di uji dalam tiga variasi input dirata-ratakan. Dan selanjutnya rata-rata error dari sepuluh duty ratio akan dirata-ratakan. 29

42 Dari data hasil pengujian yang ditampilkan Tabel 4.1., maka digunakan variasi induktor yang digunakan berada pada nilai 0.8 mh dan kapasitor pada nilai 470 µf karena memiliki rata-rata error yang yang lebih kecil. Dalam perancangan buck converter diperlukan suatu komponen pendukung yaitu Driver Gate Mosfet (DGM). Dengan rancangan seperti gambar dibawah ini. Mosfet Induktor Vi Dioda Kapasitor Beban + - Driver Gate Mosfet PWM Mikrokontroler Gambar Skema Rangkaian Buck Converter pada Project Board Penggunaan komponen Driver Gate Mosfet adalah bertujuan sebagai akan menghasilkan tegangan yang tinggi pada gate high side MOSFET, pada beberapa DGM digunakan teknik bootstrap untuk menghasilkan tegangan yang tinggi, pada rangkaian ini DGM yang digunakan adalah TC2240. Pada rangkaian buck converter digunakan MOSFET dengan tipe IRLZ24 yang memiliki VGS 16 Volt maka jika hanya menggunakan sinyal PWM dari mikrokontroler hasil yang akan dihasilkan kurang baik, sehingga perlu digunakan DGM untuk meningkatkan tegangan PWM. 4.3.Orde Sistem Buck Converter Dengan menggunakan komponen-komponen RLC tersebut diketahui pada persamaan (28) konstanta LC akan sangat kecil maka dapat diabaikan. Sehingga sistem dapat didekati dengan persamaan sistem orde satu. Vo(s) Vs(s) = L R s+ L R (30) Oleh karena itu sistem buck converter yang dirancang dapat didekati dengan persamaan sistem orde satu. Dimana persamaan umum fungsi transfer dari sistem orde satu diskrit adalah: Y(z) U(z) = b 1 a 1 z+a 2 (31) 30

43 Dengan mengetahui keadaan sistem setiap saat maka dengan persamaan (16) akan diketahui nilai konstanta proporsional yang tepat sesuai keadaan sistem.dari persamaan (33) ini maka parameter a1, a2, dan b1 menggambarkan keadaan sistem secara diskrit. Dengan mengetahui periode cuplik dari mikrokontroler yaitu sebesar 0.03 detik maka didapatkan fungsi transfer dari sistem buck converter secara kontinu dengan merubah variabel z pada persamaan (28) dengan menggunakan persamaan (32) adalah: Y(s) U(s) = 0.03b 1s 2b 1 (0.03a 1 s+2a 1 )+a 2 (32) 4.4.Karakterisasi Sensor Untuk menyesuaiakan masing-masiang sensor dengan satuan yang dapat dibaca oleh mikrokontroler maka perlu dilakukan karakterisasi masing-masing dari setiap sensor. Karakterisasi yang dilakukan adalah dengan membandingkan nilai yang dibaca oleh mikrokontroler dengan alat ukur yang sudah teruji. Berikut gambar-gambar dibawah menginformasikan grafik korelasi antara nilai yang di baca mikrokontroler dari setiap sensor (sumbu y) dengan nilai yang diukur oleh alat ukur yang sudah ada dan teruji (sumbu x). Gambar Karakterisasi Sensor Tegangan Input Gambar Karakterisasi Sensor Arus Input Gambar Karakterisasi Sensor Arus Input Gambar Karakterisasi Sensor Arus Output 31

44 Gambar diatas merupakan grafik-grafik karakterisasi dari sensor-sensor yang digunakan dalam sistem, yang dibaca mikrokontroler dari sensor dengan besaran tegangan sebenarnya. Dari grafik-grafik diatas maka sensor tegangan input memiliki kualitas linieritas R 2 = , sensor tegangan output memiliki kualitas linieritas R 2 = , sensor arus input memiliki kualitas linieritas R 2 = , sensor arus output memiliki kualitas linieritas R 2 = Hal ini menunjukkan bahwa semua sensor layak digunakan dalam sistem Pengujian Sistem Kontrol Adaptif Dahlin pada Charge Controller Setelah melakukan pengujian pada buck converter dan pengkalibrasian pada sensor-sensor yang digunakan, selajutnya dilakukan pengintegrasian antara rangkaian buck converter, rangkaian sensor daya, dan mikrokontroler. Pengujian dilakukan setelah pengintegrasian antara subsistem. Pengujian sistem yang dilakukan antara lain pengujian yang dilakukan tanpa gangguan, pengujian dengan gangguan medan magnet eksternal, dan pengujian dengan merubah-rubah tegangan input dari sumber. Sumber yang digunakan pada pengujian ini adalah power supply. Gambar Sistem Buck Converter Dalam gambar diatas terlihat antara board mikrokontroler dengan buck converter (yang ditunjukkan pada kotak berangka dua), pada bagian ini mikrokontroler terletak di bawa rangkaian buck converter dan sensor daya inputdaya output (yang ditunjukkan pada kotak berangka satu, angka 1a menunjukkan sensor daya input dan angka 1b menunjukkan sensor daya output) terpisah, hal ini didesain untuk menjaga medan magnet yang dihasilkan oleh indukor agar tidak 32

45 mengganggu sensor arus yang sensitif terhadap perubahan medan magnet disekitarnya. Di karenakan data daya output hasil pengujian memiliki fluktuasi yang cukup banyak dan setiap pencupikan data dilakukan setiap 0.03 detik, maka pada setiap 20 data daya output hasil pengujian dirata-ratakan sehingga data yang ditampilkan lebih smooth dan informatif. Gambar Pengujian Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Gambar 4.10 merupakan cara menguji sistem buck converter dengan diberi gangguan medan magnetik yang bersumber dari koil yang dialiri arus listrik. Koil yang digunakan memiliki 750 lilitan. Pada pengujian dilakukan dua kali perubahan tegangan yang diberikan kepada koil, sehingga merubah medan magnet yang diterima oleh komponen induktor pada buck convereter Buck Converter dengan Kontrol Proporsional Konvensional Sistem buck comverter yang sudah dirancang akan dipekerjakan dengan dengan selama tiga menit dengan tegangan input dari power supply sebesar 16 Volt dan beban yang dipakai bernilai 47 Ohm. Pada bagian ini dilakukan tiga perubahan tujuan daya yang ingin dicapai (setpoint) 1 Watt, 2 Watt, dan 3 Watt, dalam penggunaan kontrol proporsional konvensional sebagai pengontrol buck converter tanpa diberi gangguan medan magnet, pada bagian ini ditampilkan grafik daya output dan duty ratio. Dengan menggunakan konstanta pengendali proporsional (Kp) yang sama dengan yang didapat dari rata-rata konstanta 33