KOMPARASI PERFORMA KENDALI ON-OFF DAN PID SEBAGAI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR GENERATOR SINKRON DI PLTMH

Transkripsi

1 KOMPARASI PERFORMA KENDALI ON-OFF DAN PID SEBAGAI AUTOMATIC VOLTAGE REGULATOR GENERATOR SINKRON DI PLTMH Firdaus ), Herisajani 2), Desmiwarman n),2,3) Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang, Padang Kampus Limau Manis Padang mrdauz@yahoo.com ), herisajani@yahoo.co.id 2) Abstrak Salah satu jenis generator yang digunakan di PLTMH adalah generator sinkron. Untuk menstabilkan tegangan output ke konsumen, generator membutuhkan Automatic age Regulator (AVR). Generator yang dipekerjakan harus selalu pada daya maksimum sehingga bila beban konsumen berubah maka AVR mengkompensasi pembuangan daya ke beban komplemen agar daya total selalu optmal. Beban komplemen yang umum dipakai adalah heater dan AVR akan mengendalikannya menggunakan metode kendali on-off atau PID. Dua cara ini dibandingkan performanya ketika AVR bekerja menstabilkan tegangan generator dengan memvariasikan beban konsumen dari 0 s.d kw. Tegangan output dimonitor dengan mengakuisisi datanya pada sampling rate 00 Hz lalu direpresentasikan dalam bentuk chart dan dianalisa parameter rise time, settling time, overshoot dan steady state error-nya. Kendali on-off menghasilkan rise time 54,5 detik, overshoot 48%, settling time 67 detik sedangkan kendali PID menghasilkan performa lebih baik dimana rise time,3 detik, overshoot 5% dan settling time 2, detik semua terjadi pada berbagai variasi beban. Kata kunci : automatic voltage regulator, PID, generator sinkron, PLTMH. Pendahuluan Salah satu generator yang digunakan di PLTMH adala generator sinkron. Jika beban atau daya konsumen bertambah maka tegangan generator akan menurun begitu sebaliknya. Oleh jarena itu untuk menstabilkan tegangan output ke konsumen, generator membutuhkan AVR. Generator bekerja harus selalu pada daya maksimum sehinga bila beban konsumen berubah maka AVR mengkompensasi pembuangan daya ke beban komplemen agar daya total selalu optimal. Awalnya AVR yang dibuat dicoba di PLTMH desa Guo kecamatan Kuranji ber-generator 0 kw menggunakan metode kendali on-off dan hasil yang didapatkan kurang memuaskan karena belum mencapai target yang diinginkan sehingga perlu ada revisi dengan memperbaiki performa AVR melalui penggunaan metode kendali lain seperti PID yang umum digunakan. Dengan mengkomparasi hasil percobaan kedua metode tersebut maka diharapkan AVR yang dibuat diperbaiki sehingga bekerja lebih baik sesuai toleransi yang ditetapkan dan memberikan manfaat bagi konsumen pengguna PLTMH maupun peneliti lainnya untuk bereksperimen dengan metode lain di tempat yang sama. 2. Tinjauan Pustaka A. Penelitian terdahulu Sebelumnya dilakukan penelitian dengan topik Rancang Bangun Electronic Load Controller (ELC) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) kampung Guo dengan masalah bagaimana merancang dan membangun sistem Electronic Load Controller guna mengaktifkan kembali PLTMH desa Guo []. ELC yang dimaksud sebenarnya adalah AVR. Metode yang digunakan dengan melakukan eksperimen pembuatan AVR baik hardware maupun firmware. Gambar menunjukkan diagram blok hardware AVR dengan Generator menghasilkan sinyal berbentuk gelombang sinus dengan amplitudo dan frekuensi tertentu, Penurun Tegangan berupa trafo Step Down memperkecil tegangan tinggi dari generator yang akan diubah ke bentuk dc oleh Konverter Ac ke Dc Aktif. ZCD memberikan informasi level tegangan generator saat berada pada 0 V ke Mikrokontroler untuk mengaktifkan Triac melalui Optoisolator. Beban Komplemen berupa heater akan terhubung ke generator bergantung pada Triac. Jika terhubung maka akan ada daya yang didisipasikan untuk 54

2 mengimbangi daya konsumen sehingga daya Generator akan selalu maksimal. Untuk mengatur besarnya daya yang diberikan ke beban komplemen, tegangan ke beban komplemen dinaikkan atau diturunkan oleh mikrokontroler dengan metoda regulasi sudut phasa yaitu memberikan sudut penyalaan ke Triac pada selang waktu tertentu setelah ada sinyal dari ZCD berupa pulsa falling edge []. generator Detektor persilangan nol (ZCD) Int pin Penurun Tegangan mikrokontroler optoisolator triac Konverter ac ke dc aktif Adc pin Beban komplemen Gambar. Diagram blok ELC [] Aksi kendali yang digunakan pada ELC ini adalah kendali on-off dengan mengikuti aturan dari persamaan () dan (2) u(t) = U, untuk e(t) > 0 () u(t) = U2, untuk e(t) < 0 (2) dimana u(t) adalah nilai sudut penyalaan Triac, U yaitu sudut penyalaan yang bertambah dalam interval waktu tertentu dan U2 adalah sudut penyalaan yang berkurang dalam interval waktu tertentu seperti tertera pada persamaan (3) dan (4) []. U = u(t)+ U 80 (3) U2 = u(t) U2 0 (4) Pengendali utama ELC adalah Mikrokontroler ATMEGA328 yang diprogram agar dapat bekerja sesuai dengan aksi kendali di atas. Algoritma dieksekusi pada setiap terjadi interupsi yang berasal dari sinyal ZCD atau setiap 0 ms. Sedangkan interval perubahan nilai u(t) dalam percobaan diberikan 500 ms []. Hasil yang didapatkan setelah percobaan dapat dilihat pada Gambar 2 hingga 0 berikut. Gambar 2 menunjukkan grafik level tegangan generator dalam keadaan tanpa beban. Pada kondisi settle, tegangan generator memiliki steady state error rata-rata ±,078 % dan ini sudah memadai karena masih dibawah 2 % []. Vgen tanpa beban Gambar 3 Nilai tegangan generator tanpa beban [] Pada Gambar 4 ketika t = s, generator diberi beban W dan terjadi overshoot dengan nilai 6,86 %. Untuk menuju tegangan referensi ELC membutuhkan Rise time sebesar 9,5 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 5 s sedangkan steady state error rata-rata ±0.65 % []. 55

3 Vgen beban W Gambar 4 Nilai tegangan generator dengan beban W [] Pada Gambar 5 beban berdaya 400 W sudah dihubungkan terlebih dahulu kemudian saat t = 9 s beban dilepaskan dan terjadi overshoot sebesar 37,25 %. Saat t = 63 s beban terhubung kembali sehingga terjadi undershoot 8,6 %. Untuk menuju ke keadaan settle memerlukan Rise time 20 s dan waktu mencapai steady state, nilai Settling time 27 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.54 % []. Vgen beban 400 W Gambar 5 Nilai tegangan generator dengan beban 400 W [] Pada Gambar 6 beban berdaya 600 W dihubungkan saat t = 4 s dan terjadi undershoot 25,49 %. Untuk menuju ke tegangan referensi membutuhkan waktu Rise time 3,5 s dan mencapai steady state sebesar Settling time 34,5 s. Beban lalu dilepaskan ketika t = 62 s sehingga terjadi overshoot sebesar 38,2 % dan kondisi ini berlangsung selama 22 s. Ini adalah waktu dimana ELC mengalami saturasi. Untuk steady state error rata-rata ±0.96 % []. 56

4 Vgen beban 600 W Gambar 6 Nilai tegangan generator dengan beban 600 W [] Pada Gambar 7 data menampilkan ketika t = s, generator dihubungkan ke beban 800 W sehingga terjadi undershoot dengan nilai maksimum 48 %. Untuk menuju tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar 54,5 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 67 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.20 % [] Vgen beban 800 W Gambar 7 Nilai tegangan generator dengan beban 800 W [] B. Kendali Proportional Integral Derivative (PID) Lebih dari separuh kontroler di industri pada saat ini adalah pengendali PID. Pengendali PID muncul ketika model dari plant tidak diketahui yang membuat metode desain analitis tidak bias digunakan. Output kendali PID ditentukan oleh persamaan (5). ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Dimana Kp adalah gain proporsional, Ki adalah gain integral, Kd adalah gain derivativ, e adalah error, t adalah waktu saat ini dan adalah variable integrasi yang nilainya diambil dari 0 hingga t. Untuk mengatur pengendali PID maka nilai parameter gain harus diubah sehingga menghasilkan pengaruh yang dijelaskan pada Tabel. Tabel. Efek perubahan konstanta PID [2] Parameter Rise time Overshoot Settling time Steady state error Kp Turun Naik Berubah sedikit Turun Ki Turun Naik Naik Dihilangkan Kd Berubah sedikit Turun Turun Tidak berpengaruh 57

5 3. Metode Penelitian Pengambilan data dilakukan dengan eksperimen dimana peralatan dan lokasi sama dengan penelitian sebelumnya namun hanya algoritma di firmware yang diubah ke metode kendali PID diskrit sesuai persamaan (6). ( ) ( ) ( ) ( ( ) ( )) ( ) Gambar 8 merupakan alur program yang disimpan di dalam mikrokontroler. Terlebih dahulu tegangan generator diambil datanya kemudian didapatkan nilai error (e) yaitu selisih antara tegangan referensi V dengan tegangan generator. Untuk menghindari wind up maka nilai error dibatasi dalam range bilangan integer bertanda. Selanjutnya akumulasi dan selisih nilai error dikalikan dengan gain masing-masing parameter PID untuk mendapatkan besarnya firing angle triac. Konstanta gain diubah dengan panduan Tabel agar diperoleh nilai steady state error, rise time, settling time dan overshoot yang sangat kecil. Setiap 0 ms data tegangan generator dikrimkan ke komputer untuk disimpan agar dapat dikomparasi hasilnya nanti dengan data penelitian sebelumnya. Mulai ersum = 0 erprev = 0 vgen e = vgen ersum = ersum + e erdel = e erprev erprev = e ersum > 32700? ersum = ersum < ? ersum = erdel > 32700? erdel = erdel < ? erdel = u=kp*e+(ki*ersum)+(kd*erdel) Selesai Gambar 8. Flow chart program 58

6 Hasil dan Pembahasan Terlihat pada Gambar 9 grafik level tegangan generator saat tanpa beban. Dalam kondisi settle, tegangan generator memiliki steady state error rata-rata ±,45 % Vgen tanpa beban x 0 ms Gambar 9. Nilai tegangan generator tanpa beban Pada Gambar 0 ketika t = 3 s, generator diberi beban W dan terjadi overshoot sebesar 6,8 %. Untuk menuju tegangan referensi AVR membutuhkan rise time sebesar,0 s dan waktu menuju steady state sebesar settling time 2,79 s sedangkan steady state error 4.5 %. 95 Vgen beban W x0 ms Gambar 0. Nilai tegangan generator dengan beban W Pada Gambar terlihat saat t = 2,8 s, generator dikoneksikan dengan beban 400 W yang berakibat ada overshoot 2,27 %. Untuk menuju ke tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar 0.58 s serta waktu menuju steady state sebesar Settling time 0,74 s sedangkan steady state error rata-rata ±0.9 %. VGen 400W x 0 ms Gambar. Nilai tegangan generator dengan beban 400 W 59

7 Pada Gambar 2 beban berdaya 600 W dihubungkan saat t = 2,8 s dan terjadi overshoot sebesar 5, %. Untuk menuju ke keadaan settle memerlukan Rise time 0,65 s dan waktu mencapai steady state, nilai Settling time,29 s. Untuk steady state error rata-rata 2.27 %. VGen beban 600W x 0 ms Gambar 2. Nilai tegangan generator dengan beban 600 W Pada Gambar 3 beban berdaya 800 W dihubungkan saat t = 3,4 s dan terjadi overshoot 5,58 %. Untuk menuju ke tegangan referensi membutuhkan waktu Rise time,69 s dan mencapai steady state sebesar Settling time 3,05 s. Untuk steady state error rata-rata 4,6 % VGen beban 800W x 0 ms Gambar 3. Nilai tegangan generator dengan beban 800 W Pada Gambar 4 data menampilkan ketika t = 3,4 s, generator dihubungkan ke beban 000 W sehingga terjadi overshoot dengan nilai maksimum,36 %. Untuk menuju tegangan referensi dibutuhkan Rise time sebesar 2,78 s dan waktu menuju steady state sebesar Settling time 3 s. Untuk steady state error rata-rata ±0.45 % VGen beban 000W x 0 ms Gambar 4. Nilai tegangan generator dengan beban 000 W 60

8 5. Kesimpulan dan Saran Hasil komparasi data respon transien antara kedua aksi kendali on-off dan PID menghasilkan perbedaan yang signifikan khususnya pada parameter overshoot, rise time dan settling time. Overshoot kendali on-off cenderung naik saat beban naik maksimal 48% sedangkan kendali PID pada berbagai variasi beban rata-rata 5%. Rise time kendali on-off juga naik bila beban naik maksimal 54,5 detik, sedangkan kendali PID rata-rata,3 detik. Settling time kendali on-off maksimal 67 detik sedangkan kendali PID rata-rata 2, detik. Hal ini menunjukkan kendali PID dapat memperbaiki kinerja AVR yang sebelumnya menggunakan kendali on-off. Untuk parameter steady state error antara kedua kendali tersebut tidak menunjukkan perbedaan tapi masih dalam toleransi yang diinginkan yaitu dibawah 5%. Penelitian yang akan dilakukan selanjutnya adalah meminimalisir semua parameter dengan mengubah konstanta gain melalui percobaan beberapa metode optimasi. Daftar Pustaka [] Herisajani, Firdaus, Desmiwarman, 205, Rancang Bangun Electronic Load Controller (ELC) untuk Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro (PLTMH) Kampung Guo, Proceeding SEMNASREKOM 205. [2] Ogata Katsuhiko, 200, Modern Control Engineering, 5 th ed., Prentice Hall, New Jersey [3] Atmel, 6, AVR22 : Discrete PID Controller, 8-bit AVR Microcontroller Application Note. [4] ChetnaNagpal, RiyazBasheer, Abin Thomas, Rinjo Daniel, Irfan Yusuf, February 204, Analysis and Design of Electronic Load Controllers used in Micro Hydro Power Systems, IJETAE, Vol. 4, Special Issue 2. [5] Richard C. Dorf, Robert H. Bishop, 8, Modern Control System, Pearson Prentice Hall NJ. [6] Jim Ledin, 4, Embebedded Control System in C/C++, CMP Books Biodata Penulis Herisajani, memperoleh gelar sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro [Institut Teknologi Padang], lulus tahun 998. Tahun 8 memperoleh gelar Magister Komputer (M.Kom) dari Jurusan Komputer [niversitas Putra Indonesia Padang]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Listrik [Politeknik Negeri Padang]. Firdaus, memperoleh gelar sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro/prodi elektronika [Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya], lulus tahun 2. Tahun 20 memperoleh gelar Magister Teknik (MT) dari Jurusan/Prodi Teknik Elektro/Elektronika [Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Telekomunikasi [Politeknik Negeri Padang]. Desmiwarman, memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST), Jurusan teknik elektro [Sekolah Tinggi Teknik Padang], lulus tahun 996. Tahun 5 memperoleh gelar Magister Teknik (M.Si) dari Jurusan Ilmu Lingkingan [Universitas Andalas Padang]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan/Prodi Elektro/Listrik [Politeknik Negeri Padang]. 6