ANALISIS DAN PERANCANGAN KOMPENSASI RIAK FREKUENSI RENDAH PADA TEKNOLOGI KONVERTER DC KE DC TERKENDALI MENGGUNAKAN PENGENDALI PI

Transkripsi

1 Prodng Peranan Peneltan Perguruan Tngg untuk Menngkatkan Mutu Penddkan Naonal dalam Rangka Pekan Ilmah Unverta Ilam SumateranUtara (UISU), Medan, 7- Februar ISSN : ANAISIS DAN PERANCANGAN OMPENSASI RIA FREUENSI RENDAH PADA TENOOGI ONVERTER DC E DC TERENDAI MENGGUNAAN PENGENDAI PI Suwtno Juruan Teknk Elektro Fakulta Teknk Unverta Rau amu Bna Wdya m,5 Panam-Rau, 893 Indonea ABSTRA Tulan n mengemukakan uatu erancangan komena rak frekuen rendah ada teknolog converter dc ke dc terkendal menggunakan engendal rooonal dan ntergrator yang dlengka kendal aru dan tegangan yang mang-mang engendalnya danal ecara terah, dmakudkan menghalkan fung alh tem hanya orde dua. Stem n memberkan kontrbu anal dan erancangan dar tem menjad lebh ederhana dan mudah. Proedur anal dlakukan dengan membentuk fung alh loo terbuka dar tem, yang fungnya menentukan elang gan yang memenuh margn faa 3-6. Dan dar elang gan nlah dlh gan yang menghalkan bandwdth tem yang lebar, teta tdak ama menyebabkan dtor nyal terhada noe. Pada tulan n dtunjukkan bahwa dengan memlh gan engendal yang otmum ada fung alh tertutu antara aru dan dturban dhalkan reduk kandungan rak frekwen rendah ecara emurna. Sehngga ta yang dgunakan ada beban kecl dan murah, elan tu keceatan reon ada tem menjad ceat aat terjad erubahan kond kerja dan gangguan. Dengan adanya engendal aru dhalkan aru keluaran yang teta, walauun beban terjad hubung ngkat. Sedangkan engendal tegangan beruaha agar tegangan keluaran kontan. onekuennya tegangan keluaran yang dhalkan lebh kontan, walauun tem bekerja dalam keadaan tdak normal. ata kunc : rooonal dan ntegrator, kendal aru dan tegangan Pendahuluan Berkat kemajuan teknolog emkonduktor daya memungknkan frekwen enaklaran konverter dc ke dc dertngg untuk memeroleh knerja yang lebh bak. onverter dc ke dc banyak daka dalam tem catu daya terkendal, engendal motor aru earah dan engendal tegangan atau aru maukkan nverter. Teknk umum yang baa dgunakan untuk mengatur nla rata-rata tegangan atau aru keluaran konverter adalah teknk modula lebar ula. Sumber tegangan earah yang dgunakan baanya berua batere atau tegangan keluaran enyearah. Pada umber tegangan earah berua batere, frekwen reonan jauh lebh kecl dar frekwen enaklaran, edangkan umber tegangan earah yang beraal dar tegangan keluaran enyearah umumnya mengandung rak frekwen rendah, yang lebh bear dar frekwen reonannya, ehngga engaruh harmona frekwen tngg mauun harmona frekwen rendah dar enyearah muncul d dkeluaran converter dc ke dc. eberadaan frekwen reonan yang angat rendah ukuran ta C akan menjad angat bear dan ult dwujudkan, karena dmen dan harga yang mahal. H Jn, S.B. Dewan (99) telah menganala dan merancang loo feedback ada catu daya magnet mode aklar AC/DC, untuk memeroleh knerja loo tegangan, reon yang ceat dengan rak yang rendah. Rchard (985) dan We Tang (993) telah menganala ytem engendal dengan menggunakan kendal mode. Sedangkan Vatche Voreran (99) telah menganala konverter PWM menggunakan engendal aru aklar PWM. Dar beberaa lteratur yang membaha tentang kendal mode aru dan tegangan ama aat n belum ernah enul temukan lteratur yang am, 8 Februar -69-

2 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P membaha kedua mode kendal terebut derlengka engendal rooronal ntegrator (PI) yang danal ecara terah. Adaun tujuan dalam tulan n adalah bagamana mengurang harmona dalam range frekwen rendah dengan bak, ehngga enggunaan ta C relat kecl. Oleh ebab tu dalam tulan n mengemukakan anal loo kendal ganda untuk mengatur fung alh kendal yang teat dem tercaanya engurangan harmona yang makmum dan reon yang ceat. Teknk Modula ebar Pula (MP) Untuk menghalkan tegangan keluaran yang ba datur, konverter daat dkendalkan dengan teknk modula lebar ula. Teknk MP membantu mengurang harmona orde rendah d gelombang keluaran konverter. Teknk MP n dmlementakan eert derlhatkan ada gambar yatu uatu gelombang referen dbandngkan dengan gelombang embawa. Jka nla eaat gelombang referen lebh bear dar gelombang embawa, maka aklar menutu dan ebalknya aklar membuka. Ed vo vr Gambar. Teknk Modula ebar Pula (MP) Dar gambar daat dbuktkan bahwa nla ratarata tegangan beban adalah : Ed V o vr...() Vc Berdaarkan teknk modula lebar ula nla ratarata tegangan beban ebandng ecara rooronal dengan nla eaat gelombang referen. Sehngga dengan menngkatnya nla eaat gelombang referen, tegangan keluaran juga menngkat dan bla menurun tegangan keluaran juga menurun. Jad engaturan teknk MP dlakukan agar tegangan keluaran konverter teta berada ada uatu level tegangan yang dngnkan, mekun tegangan keluaran dan beban berubah-ubah. vc Vc t t Prn konverter modula lebar ula dc ke dc adalah tegangan maukan dcacah oleh deretan ula yang dbangktkan teknk modula lebar ula yang bervara, ehngga tegangan keluaran rata-rata eua dengan yang dngnkan, eert terlhat ada gambar. Gambar. onverter dc ke dc Gambar, menunjukan tegangan maukan dc mengandung rak frekwen rendah, ehngga tegangan keluaran choer terebut mah mengandung rak frekwen rendah yang ult untuk ta. D keluaran dlengka ta C agar rak tegangan keluaran kecl. Jka trantor dnyalakan maka beban meraakan tegangan umber dan aru d nduktor akan nak. Setelah trantor dnyalakan elama ton, trantor dadamkan elama waktu t off. Tegangan V o, dan aru nduktor menurun. Akan teta karena aru nduktor mah teta ot, ehngga aru nduktor akan berkula lewat doda dan tdak ada alran aru dar umber ke beban. Gambar, memerlhatkan hubungan antara nla rata-rata tegangan V o dengan tegangan umber ebaga berkut : ton Vo Ed αed T dengan T adalah eroda enaklaran. Pada teknk MP eroda enaklaran djaga kontan dan nla rata-rata tegangan beban datur dengan mengatur t on trantor atau lebar ula tegangan keluaran. Dengan kata lan, nla rata-rata tegangan keluaran konvereter dc ke dc ba datur dengan mengatur faktor kerja duty cycle α konverter Tulan n tem engaturan dlakukan dengan engaturan MP dengan frekwen enaklaran teta eert ada gambar 3. Prn kerja konverter modula lebar ula (MP) am, 8 Februar -7-

3 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P Gambar 3. Rangkaan converter dc ke dc dengan engendal rooonal dan Integrator Namun enggunaan engendal aru dan tegangan, mengakbatkan anal tem keeluruhan mengandung tem orde tngg dan keceatan reon tem un menjad emakn lambat. Oleh ebab tu dalam tulan n anal ada kedua loo tegangan dan aru danal ecara terah, dengan ketentuan reon engendal aru ddan lebh ceat dar reon engendal tegangannya. Akbatnya ada aat menganal engendal tegangan reon aru udah keadaan manta. Pada aat menganal kendal aru, kendal tegangan belum bekerja, ehngga daat dbentuk dagram blok kendal aru ada gambar 4 bar 4. Blok dagram kendal aru Gam Pengendal tegangan dan aru yang dergunakan berua rooronal ntegrator yang memunya fung alh ebaga berkut : PI...() Untuk mengevalua knerja loo kendal aru dbentuk fung alh loo terbuka G o () yang menentukan elang gan engendal dalam daerah margn faa ketablan yang memenuh efk ketablan. E. E. G o ( ) r...(3) Fung alh loo tertutu dar aru keluaran dengan dturban V c () dberkan fung alh : I ( )...(5) VC ( ) ( r) E( ) Fung alh loo tertutu dar aru keluaran dengan dturban E ~ ( ) adalah ebaga berkut : I E ~ ( )...(6) ( ) ( r) E( ) Peramaan karaktertk dar eramaan (4), (5), dan (6) adalah : r E( ) E( )...(7) Secara umum eramaan karaktertk orde dua adalah: ζω n ω n...(8) Dengan memergunakan teorema dentk untuk eramaan (7) dan eramaan (8) maka deroleh hubungan ; ( ζω n. r)...(9) E Dan gan ntegrator dar engendal PI daat deroleh eert dbawah n : ωn....() E Sedangkan kontanta waktu ntegrator adalah eert dbawah n : T...() Pada aat menganal kendal tegangan, kendal aru udah kond keadaan manta, ehngga aru Iref I. ehngga dagram blok kendal tegangan daat derlhatkan ada gambar 5; Dan G () yang dgunakan untuk memlh gan engendal yang eua ada elang gan yang telah dberkan ada loo terbuka. E( ) I ( )...(4) I ref ( ) ( r) E( ) Fung alh F () untuk daat melhat beraa bear harmona daat derlemah dalam gan makmum yang derkenankan yatu ; am, 8 Februar -7- Gambar 5. Blok dagram kendal tegangan Dar gambar 5, daat dturunkan fung alh T o (), G o () dan F o () ebaga berkut;

4 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P Fung alh loo terbuka T o () adalah untuk menentukan elang gan engendal yang memenuh krtera margn faa ketablan. T ( ) C C o...() Dan G o () adalah fung alh loo tertutu tegangan keluaran terhada referen dgunakan untuk memlh gan yang telah dberkan ada fung alh loo terbuka, ehngga deroleh bandwdth yang lebar teta dtor nyal terhada noe kecl. V o( ).....(3) Vo ref ( ) C Serta F o () adalah fung alh tegangan beban terhada dturban yang memberkan nforma beraa bear tem engendal terebut daat mereduk harmona keluaran ada gan tertentu. Peramaan karaktertk dar eramaan () and (3) daat dtul :...(4) C C Dar eramaan (6) dan eramaan (4) deroleh hubungan arameter tem engendal tegangan ebaga berkut : ζω nc...(5) Dan gan ntegrator engendal tegangan tem adalah : ω.c...(6) n Metoda Peneltan Dalam elakanaan menggunakan catu daya dar enyearah yang keluaran V, nduktan 5 mh, kaator µf, tahanan beban 8,3 Ω, dan modul trantor 3 A dan 5 Volt erta olocoe dgtal 6 Mhz yang fungnya untuk mengukur hal keluaran yang dngnkan ada eneltan. Adaun metoda yang dgunakan ada tulan n membuat blok dagram dar tem keeluruhan eert derlhatkan ada gambar 6; vref() ev Iref() e vo() PI PI E r C I() α αε vo() Gambar 6 Blok dagram tem kendal konverter dengan kendal loo ganda. Untuk memermudah anal dagram blok tem kendal loo ganda danal ecara terah. Dengan ketentuan reon kendal aru lebh ceat dar ada reon kendal tegangan. Sehngga dagram blok kendal aru daat dtunjukan ada gambar 4 dan dagram blok kendal tegangan dtunjukkan ada gambar 5. Dar mang-mang kendal dcar formula untuk loo terbuka, yang fung untuk menentukan efk ketablan, erumuan fung alh antara keluaran terhada dturban yang fungnya untuk menentukan beraa bear rak keluaran daat dreduk dengan ytem kendalnya. Berdaarkan arameter bahan yang dergunakan dengan tegangan keluaran konverter dc ke dc 6 Volt, agar deroleh tegangan yang reonnya ceat dan rak keluaran konverternya kecl maka dlhlah knerja loo engendal fung alh loo terbuka dar tem T () reon gan engendal PI untuk kendal aru ω 8.754,75 rad/ dan ζ.7. Untuk menentukan knerja loo engendal daat dergunakan fung alh loo terbuka dar tem T (), ehngga daat dlhat reon gan engendal rooronal ntegrator yang terletak ada elang margn faa 3-6. Dar bagan bode lot yang dtunjukkan ada gambar 7 dan 8 terlhat yang terletak ada elang margn faa 3-6 dan gan yang memenuh krtera terebut adalah,3 -,73. Fa a [ d e r a ja t ] w [rad/] Faa [derajat] I() Io() Gan [db} vo() M a g n tu d e [ d B ] am, 8 Februar -7-

5 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P Gambar 7 Reon bode lot T () dar fung alh terbuka engendal aru dengan,3 dan margn faa 3. Fa a [ d e r a ja t ] w [rad/] Gambar 8. Reon bode lot T () dar fung alh terbuka engendal aru dengan,73 dan margn faa 6. Gambar 9, memerlhatkan Bode lot G () dengan gan engendal,63 yang dlh cuku bak, karena memberkan enguatan nyal yang kecl teta lebar bandwdth yang lebar, akbatnya reon tem menjad ceat. F a a [ d e ra ja t ] Gambar 9.Bode lot fung alh I()/Iref() Dengan ω 754,75 rad/dan,63 8 Gambar, memerlhatkan bode lot F () yang menyatakan bertambah bearnya gan engendal aru, emakn bear dturban daat dreduk. Gambar.Bode lot fung alh I () / E ~ () dengan ω 754,75 rad/ dan,63. 8 Faa [derajat] Gan [db] w [rad/] F a a [ d e ra ja t ] Phaa Gan w [rad/] -5 Phaa Gan G a n [ d B ] M a g n t u d e [ d B ] G a n [ d B ] Dengan anal data dlh gan engendal,63 yang dangga cuku bak, karena bandwdth yang lebar dan enguatan nyal terhada noe kecl. Sehngga dar eramaan (9) akan deroleh ebaga berkut : ( r E( ) ) ω n. 47 rad/ ζ Gan engendal ntegrator deroleh dar eramaan (). ω ,75x, , ontanta waktu ntegrator tem engendal ada eramaan () adalah. 663 T, 4 m , Fung alh tertutu ada eramaan (4) dhalkan : G ( ) ebar bandwdth daat dtentukan : BW ωc BW rad/ BW 8.555,838 rad/ Jad dengan dberkan gan tem engendal aru yang makmum, akan deroleh aru keluaran yang mengandung harmona frekwen rendah yang angat mnmum, dan ecara langung memberkan keceatan reon yang ceat. Selan tu dhalkan aru I yang mendekat dc murn. Dengan cara yang ama maka deroleh arameter engendal tegangannya ; Bode lot T v () dengan ω v 39,49 rad/ deroleh nla gan engendal ada elang yang memberkan loo ketablan margn faa 3-6. Dengan ω v 39,49 rad/ dan gan engendal.63 yang dlh cuku bak, karena memberkan enguatan nyal kecl teta lebar bandwdth yang lebar, akbatnya reon tem yang dhalkan lebh ceat. Dar anal data dlh gan engendal,63, ehngga dar eramaan (5) akan dhalkan frekwen natural : ω n 47, 36 rad / ζ C Dar eramaan (6) akan dhtung gan engendal ntegrator : ω. 39, 4889x, 66 v Waktu ntegrator tem engendal adalah. 66 T 3, 3 m am, 8 Februar -73-

6 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P Hal erhtungan data deroleh fung alh tertutu G v () ada eramaan (3) : 66,. G v ( ) 66,. Sehngga lebar bandwdth : BW ω c BW , 5 BW 93,6 rad/ rad/ eceatan reon tem tergantung terhada lebar bdang (bandwdth) dar tem terebut, karena emakn lebar bandwdth emakn ceat reon dnamknya. Hal Peneltan Dalam menguj keakuratan anal yang dlakukan, dgunakan mula komuter. Hal akhr engujan dlakukan ercobaan d laboratorum, dengan arameter dar tem ercobaan dberkan eert dbawah n : E Volt V out 5 Volt 5 mh C µf C µf r. Ω R 8,3 Ω ζ.7 f 5 khz Dan engendal aru dengan arameter ω 8.754,75 rad/ dan rao damng ζ.7 haru dtentukan terlebh dahulu. Berdaarkan eramaan (8) dan (9) erta () akan dtentukan ω n.47 rad/ dan gan engendal ntegrator 5.483, erta waktu ntegral T,4 m. Sedangkan dan engendal tegangan dlh arameter rao damng ζ.7, dan ω v 39,49 rad/. Jad dar eramaaan ( 4) dan (5) akan deroleh ω n 447,36 rad/ dan, erta waktu ntegral T 3,3 m. Dalam menguj keakuratan anal yang dlakukan, maka konverter dmlementakan dengan menggunakan modul trantor 3 A dan 5 Volt. Catu daya maukan bag konveter beraal dar uatu catu daya aru bolak balk (ac) dengan menggunakan uatu doda enyearah jembatan yang keluarannya dta dengan menggunakan kaator µf. Tegangan maukan bag konveter dar hal enyearahan adalah Volt yang mengandung rak frekwen rendah ( Hz) uncak ke uncak ebear Volt. Trantor ebaga aklar tat dchong ada frekwen 5 Hz yang dergunakan ebaga eralatan enaklaran bag konverter. Alat enyarng yatu nduktan dan kaator adalah 5 mh dan µf erta beban tat berua retan ebear 8,3 Ω. Hal ercobaan drekam oleh Dgtal Storage Ocllocoe, dan datanya dman yang elanjut dbaca oleh komuter untuk dolah. Gambar 3 ama 5 menunjukkan hal ercobaan. Gambar 3 menunjukkan rak frekwen rendah dar hal keluaran enyearah yang dergunakan ebaga umber tegangan maukan dc bag konverter. T e g a n g a n [ V o l t ] Rak Tegangan Maukan dc Choer Waktu [detk] Gambar. Hal ercobaan rak tegangan maukan dc choer Gambar menunjukkan gelombang rak tegangan keluaran konverter tana kendal aru. T e g a n g a n [ V o l t ] Rak Tegangan eluaran dc Choer Waktu [detk] Gambar. Hal ercobaan rak tegangan keluaran dc choer tana dan dengan dlengka engendal aru 3 Rak tegangan keluaran dc hanya dlengka kendal tegangan Rak tegangan keluaran dc yang dlengka kendal aru dan tegangan am, 8 Februar -74-

7 Anal dan Perancangan omena Rak Frekuen Rendah ada Teknolog onverter DC ke DC Terkendal Menggunakan Pengendal P Gambar 3 menunjukkan gelombang rak tegangan keluaran dc yang derlengka kendal aru dan tegangan, dan hal tegangan keluarannya mamu mereduk rak keluaran yang angat bear. We Tang, Fred C. ee, and Raymond B. Rdley, Small-Sgnal Modelng of Average Current-Mode Control, IEEE, Arl 993 T e g a n g a n [V o lt ] Gambar 3. Hal ercobaan rak tegangan keluaran converter dlengka engendal aru yang derbear dar gambar. Gambar meruakan rak gelombang maukan converter dc ke dc yang bearnya uncak ke uncak ebear 3 Volt, dan gambar menunjukan gambar engukuran rak gelombang keluaran converter ada aat hanya mengunakan engendal tegangan raknya ebear 5 Volt edangkan etelah engendalnya loo ganda (dlengka engendal aru) rak keluaran converter dc ke dc uncak ke uncak menjad,6 Volt emulan Dengan enggunakan engendal loo ganda ada tem konverter dc ke dc rak maukan ebear Volt daat dreduk menjad,6 Volt, dengan kata lan mamu mereduk rak maukan ebear 94,5 % d keluaran, edangkan jka engendalnya hanya menggunakan engendal tegangan, rak maukan Volt hanya dreduk menjad 5 Volt atau hanya mamu mereduk rak maukan ebear 54,5% d keluaran. Daftar Putaka Rak Tegangan eluaran dc choer Waktu [detk] H.Jn, S.B.Dewan, J.D. aver, Voltage oo Degn For A ow-rle Fat Reone AC/DC SwtchMode Magnet Power Suly, IEEE, 99. Rchard Redl, Current-Mode Control, Fve Dfferent Tye, Ued wth The Three Bac Clae of Power Converter: Small-Sgnal AC dan arge-sgnal DC Characterzaton, Stablty Requrement, and Imlementaton of Practcal Crcut, IEEE 985. Vatche Voreran, Analy of Current-Mode Controlled PWM Converter Ung The Model of The Current-Controlled PWM Swtch, Proceedng, October, 99. am, 8 Februar -75-