Analisa dan Desain Maximum Power Point Tracking Untuk Generator Induksi Pada Aplikasi Sepeda Listrik

Transkripsi

1 Analisa dan Desain Maxiu Power Point Tracking Untuk Generator Induksi Pada Aplikasi Sepeda Listrik Anshari Hasan*, Air Hazah** *Teknik Elektro Universitas Riau **Jurusan Teknik Elektro Universitas Riau** Kapus Binawidya K 12,5 Sipang Baru Pana, Pekanbaru Jurusan Teknik Elektro Universitas Riau Eail: anshari_hasan@yail.co ABSTRACT Currently, vehicle transportation is becoing a very iportant tool in helping huans. Therefore an increase in the volue of the vehicle is very high every year. With so any current vehicles could daage the air cleaner in nature, caused by the cobustion of residual Fuel (Fuel oil) the vehicles that eit fues. Therefore it needs an alternative environent-friendly vehicles with electric bicycles. Electric vehicles currently using peranent agnet otors as their otive. On this research the drivers of electric vehicles use the induction generator who has the advantages i.e. a constant round of and excitation does not need another otor as a driving force. This vehicle is also installed on a syste power savings, power saving ethods is iproved significantly. One of the is MPPT (Maxiu Power Point Tracking) used in induction generators. MPPT design is odelled using Matlab/Siulink software. The Matlab siulation has anage to obtain volts of MPPT. While the generator output voltage without using the MPPT is aount of volts. By using perturb and observe algorith, it is possible to search the optiu power of generator. Keywords : Generator, Maxiu Power Point Tracking (MPPT), Perturb and Observe, Boost Converter, Matlab/ Siulink. 1. PENDAHULUAN Perkebangan teknologi seakin inovatif guna eperudah anusia dala elakukan pekerjaan. Naun perkebangan teknologi tidak lepas dari suber energi yang digunakan. Hapir seua kendaraan berotor di dunia enggunakan energi bahan bakar inyak atau yang biasa disebut dengan BBM. Seperti dewasa ini, suber energi seakin hari seakin enipis, aka dibutuhkan energi lain sebagai alternatif suber energi baru untuk engurangi krisis energi yang pada akhirnya akan eningkatkan kesejahteraan anusia. Integrasi antara teknologi yang enggunakan energi terbarukan sangat ebantu kegiatan anusia disaping enyelaatkan bui ini karena bersifat raah lingkungan dan bisa engurangi peanasan global. Perkebangan ini salah satunya bisa diwujudkan dala bidang transportasi yang pada akhirnya bertujuan untuk eberikan keudahan kepada anusia. Sepeda listrik adalah sebuah alat transportasi yang raah lingkungan, didesain untuk engurangi eisi dari kendaraan bahan bakar inyak serta dapat digunakan untuk sarana rekreasi, fitness dan olahraga lainnya. Penelitian ini akan dikebangkan untuk sepeda listrik dengan enggunakan generator induksi yang sekaligus eiliki fungsi sebagai otor. Generator sebagai 1

2 pebangkit listrik dengan penggerak kayuhan sepeda yang keudian engisi akuulator dan otor akan enggerakan roda sepeda dengan enggunakan suber listrik dari akuulator tersebut. Mengingat pentingnya fungsi anfukatur pengheatan energi listrik dan koponen pendukungnya, aka sangat dibutuhkan sebuah siste yang dapat encari atau enjejak daya axiu dari suatu siste pebangkitan untuk engatur konsusi daya listrik itu sendiri. 2. LANDASAN TEORI 2.1 Generator Induksi Prinsip kerja generator induksi adalah kebalikan daripada saat esin induksi bekerja sebagai otor. ketika esin berfungsi sebagai otor, kuparan stator diberi tegangan tiga fasa sehingga akan tibul edan putar dengan kecepatan sinkron (ns). Naun jika otor berfungsi sebagai generator, pada rotor otor diputar oleh suber penggerak dengan kecepatan lebih besar daripada kecepatan sinkronnya. Bila suatu konduktor yang berputar didala edan agnet (kuparan stator) akan ebangkitkan tegangan sebesar, e B l v... (2.1) Diana : e = tegangan induksi yang dihasilkan (volt) B = fluks agnetik (weber) l = panjang konduktor yang dilewati edan agnet () v = kecepatan edan agnet elewati konduktor (/s) Dan bila dihubungkan ke beban akan engalirkan arus. Arus pada rotor ini akan berinteraksi dengan edan agnet pada kuparan stator sehingga tibul arus pada kuparan stator sebagai reaksi atas gaya ekanik yang diberikan. Pada proses perubahan otor induksi enjadi generator induksi dibutuhkan daya reaktif untuk ebangkitkan tegangan pada terinal keluarannya. Dala hal ini yang berfungsi sebagai penyedia daya reaktif adalah kapasitor yang besarnya disesuaikan dengan daya reaktif yang diperlukan. Kebutuhan daya reaktif dapat dipenuhi dengan easang suatu unit kapasitor pada terinal keluaran, diana kapasitor enarik daya reaktif kapasitif atau dengan kata lain kapasitor eberikan daya reaktif induktif pada esin induksi. Kerja dari kapasitor ini dapat dipandang sebagai suatu siste penguat (eksitasi) sehingga generator induksi juga dikenal dengan sebutan generator induksi penguatan sendiri (self excited of induction generator). 2.2 DC- DC Converter DC-Dc converter adalah sirkuit elektronik yang berfungsi untuk engubah tegangan searah (DC) ke tegangan DC dengan level yang berbeda Boost Converter Boost converter digunakan untuk eregulasi tegangan DC enjadi tegangan DC yang lebih tinggi levelnya dan dengan polaritas yang saa. Gabar 2.1 Boost converter Switching Converter Switching converter epunyai efisiensi daya yang lebih baik dari linier voltage regulator. Di dala switching, transitor difungsikan sebagai saklar digital, 2

3 berbeda dengan linier regulator yang dijadikan sebagai penguat. Sehingga hanya ada 2 keadaan yaitu saturasi dan cutoff, converter ini juga dikenal sebagai DC chopper Induktor Apabila ada tegangan yang asuk ke sebuah induktor, aka arus yang elewati induktor akan beubah-ubah berdasarkan waktu walaupun tegangan yang asuk konstan. Ruus dasar untuk endefinisikan hubungan antara tegangan dan arus didala induktor adalah : = L (di / dt) PWM Seua switching konverter enggunakan bentuk output regulasi tegangan dikenal sebagai Pulse Width Modulation (PWM). PWM adalah bentuk gelobang kotak yang epunyai waktu aktif (Ton) dan waktu ati (Toff) dala satu periodenya. Dala PWM juga dikenal dengan perbandingan waktu saat waktu aktif dibagi julah waktu dala satu periode dikenal dengan istilah duty cycle. 2.3 Maxiu Power Point Tracking (MPPT) MPPT adalah etode untuk endapatkan daya aksiu dari sebuah suber energi pada berbagai kondisi lingkungan dan kondisi beban. MPPT berfungsi untuk eningkatkan energi yang dapat ditransfer dari penggerak utaa ke siste listrik. Fungsi utaanya adalah untuk enyesuaikan tegangan output generator yang digunakan untuk easok energi aksiu ke beban. Kebanyakan desainnya terdiri atas tiga koponen dasar : switch-ode dc - dc converter, siste kontrol, dan koponen tracking, (Rashid, M. H. 2011) Terdapat beberapa algorita MPPT yang telah diteukan dan ditulis pada jurnal iliah internasional seperti Perturb and Observe, Increental Conductance, Dynaic Approach, Teperature Methods, Artificial Neural Network ethod, Fuzzy Logic ethod dll. Seua algorita tersebut berbeda-beda dala beberapa aspek terasuk kesederhanaan, kecepatan, ipleentasi hardware, sensor yang dibutuhkan, biaya, efektifitas, dan paraeter yang dibutuhkan. 2.4 Algorita Perturb and Observe Pada aplikasi sepeda listrik seperti diketahui bahwa karakteristik daya keluaran turbinnya dipengaruhi oleh kecepatan kayuh dari penggunanya, diperlukan sebuah algorita untuk encari titik daya aksiu (MPP) dan enjaga pada titik kerja tersebut. Terdapat beberapa cara untuk enjejak titik daya aksiu tersebut seperti Perturb and Observe, Increental Conductance, Dynaic Approach, Teperature Methods dll. Pada pebahasan kali ini dipilih algorita perturb and observe (P&O) sebagai algorita kontrol MPPT karena koputasi yang udah dan cepat. P&O disebut juga dengan etode hill clibing, yang engacu pada karakteristik P- ω. Dala tugas akhir ini energi ekanik yang dihasilkan oleh rotor diubah enjadi energi listrik oleh generator induksi, karena generator induksi sangat 3

4 tepat untuk pebangkit listrik skala kecil yang berdiri sendri tanpa eerlukan eksitasi dari luar. Untuk aplikasi daya yang besar enggunakan generator sinkron, generator sinkron enggunakan eksitasi diciptakan rotor sehingga enibulkan edan putar yang akan enghasilkan tegangan terbangkit di stator. Jenis generator ini tidak perlu siste eksitasi karena suber eksitasi disediakan oleh kapasitor bank Diagra Alir Algorita P&O Algorita P&O dapat dinyatakan dala bentuk diagra alir. Gabar 2.2 enunjukkan diagra alir dari algorita P&O yang akan digunakan pada siste MPPT. Keterangan variabel yang digunakan pada Gabar 2.2: (k) : Tegangan keluaran Generator pada sapling k I(k) : Arus keluaran Generator pada sapling k (k-1) : Tegangan keluaran Generator pada sapling k-1 I(k-1) : Arus keluaran Generator pada sapling k-1 P(k) : Daya keluaran Generator pada sapling k P(k-1) : Daya keluaran Generator pada sapling k-1 ref : Rekoendasi tegangan operasi Generator Gabar 2.2 Diagra Alir Algorita P&O 2.3 Penyearah Tegangan Tiga Fasa Gabar rangkaian penyearah gelobang-penuh tiga-fasa hubungan jebatan dengan beban resistif (R) dapat dilihat pada gabar 2.3, sedangkan Gabar 2.4 erupakan bentuk gelobang hasil penyearahan. Untuk eudahkan penjelasan proses penyearahan, dioda pada setiap fasa diberi noor sebagai berikut: fasa R terdiri dari dioda D1 dan D4, fasa Y terdiri dari dioda D3 dan D6, dan fasa B terdiri dari dioda D5 dan D2. Sudut konduksi setiap dioda sebesar 2π/3, sehingga urutan kerja dioda adalah 12, 23, 34, 45, 56, dan 61. Gabar 2.3 Rangkaian Penyearah 4

5 3. Frekuensi Fundaental: f = 50 Hz 4. Frekuensi PWM: fz = 2.5 khz 5. Generator Induksi Tiga Fasa LL = 30, R s = 1,791 Ω, Rr = 1.2 Ω, X ls = 1.71 Ω, X = Ω, R = 100 Ω. 3.3 Blok Diagra Penelitian Gabar 2.4 Bentuk Gelobang Hasil Penyearahan Dengan bentuk gelobang hasil penyerahan seperti ditunjukkan pada Gabar 2.4 dapat ditentukan nilai rata-rata tegangan keluaran (dc) dan tegangan efektif (rs) sebagai berikut: dc dc rs rs sint dt sin (2.2)... (2.3) 3.1 Alat dan Bahan Adapun sarana yang digunakan untuk enyelesaikan tugas akhir ini antara lain : 1. Laptop Hawlett Packard. 2. Software Matlab R2008b. 3.2 Metode Pengupulan Data Adapun paraeter yang ditentukan, yaitu: 1. MOSFET NTB35N15, Rating Maksial: DS = 200, I D = 20 A 2. Tegangan baterai: S = 48 d Generator Induksi Baterai Penye arah Boost Converter MPPT P&O PWM Gabar 3.1 Blok Diagra Penelitian Gabar 3.1 enunjukkan rancangan siste MPPT dengan rangkaian Boost Converter. Siste MPPT ini eiliki 3 blok yang eiliki fungsi asing-asing, yaitu blok rangkaian Boost Converter, blok MPPT dan blok PWM. Dala siste ini, tegangan asukan pada blok rangkaian boost converter adalah tegangan keluaran generator yang terlebih dahulu disearahkan oleh sebuah penyearah. Algorita MPPT berfungsi untuk encari nilai tegangan dari generator yang optial. Dengan pengendalian pada tegangan asukan rangkaian boost converter seperti ini aka generator akan dipaksa bekerja pada titik yang optial. Algorita yang digunakan sebagai algorita MPPT adalah algorita perturb and observe. Agar algorita P&O apu eneukan titik kerja optial, algorita ini ebutuhkan pengukuran nilai tegangan dan arus dari generator sehingga asukan dari blok algorita P&O adalah arus dan tegangan generator. 5

6 3.4 Perancangan Model Siulasi Desain Boost Converter Tabel 3.1 Paraeter Boost Converter Tegangan Masukan 40.5 dc Induktor Kapasitor 2.86x10-5 H 5.87x10-3 F Rasio Kerja Frekuensi pensaklaran Tegangan Keluaran Hz 55,2 dc dipakai dapat dilihat pada blok paraeter dibawah ini. Gabar 4.1 Masukan generator Desain Penyearah Gabar 4.2 Tegangan keluaran generator Gabar 3.2 Rangkaian Penyearah Gabar 3.2 erupakan rangkaian penyearah gelobang penuh tiga fasa dengan beban resistif (R). Pada penelitian ini odel penyearah yang digunakan epunyai nilai tahanan sebesar 5.5 oh dengan suber induktif bernilai 5 ili Henry. Arus penyearahan disearahkan dengan induktansi sebesar 200 ili Henry. Dioda yang digunakan pada siulink dikoneksikan dengan Rc snubber secara paralel (1000 oh, 0.1 ikro Farad).. 4. ANALISIS HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Tegangan Masukan dan Keluaran Generator Pada siulink siste tegangan asukan generator adalah sebesar 30 olt. Nilai ini didapat dari perhitungan bab 3 dari persaaan Adapun untuk frekuensi yang dipakai nilainya adalah sebesar 50 Hertz. Untuk lebih jelasnya tentang tegangan input generator yang 4.3 Tegangan Keluaran Generator Meakai Rectifier Untuk endapatkan tegangan generator dala bentuk dc digunakan penyerah 3 fasa dengan beban R. Tegangan keluaran dari generator ini adalah sebesar Gabar 4.3 Siulink rangkaian penyearah Gabar 4.4 Bentuk gelobang tegangan dc generator 6

7 4.3 Tegangan Keluaran Generator Meakai Filter Untuk enghasilkan tegangan keluaran dengan bentuk gelobang yang ideal aka pada keluaran penyearah dipasang filter berupa kapasitor dengan nilai sebesar 0.1 Farad. Gabar 4.7 Gelobang daya aktif keluaran generator 4.5 Desain Maxiu Power Point Tracking Gabar 4.4 Rangkaian penyearah dengan eakai filter Adapun bentuk hasil gelobang tegangan keluaran dari penyearah dengan eakai filter dapat dilihat pada gabar dibawah ini. Model keseluruhan siste untuk generator dengan axiu power point tracking (MPPT) pada penelitian ini dapat dilihat pada gabar 4.8 diana odel ini terdiri dari blok blok dan subsyste. Bentuk keseluruhan desain generator dengan MPPT ini akan enapilkan karakteristik keluaran tegangan generator dengan MPPT, arus generator dengan MPPT dan daya generator dengan MPPT. Gabar 4.5 Gelobang tegangan generator eakai filter 4.4 Daya Aktif Keluaran Generator Untuk dapat enghasilkan daya aktif keluaran generator adalah dengan cara engalikan tegangan keluaran generator dengan arus keluaran generator. Gabar 4.6 Daya aktif keluaran generator Gabar 4.8 Model siulink keseluruhan generator dengan MPPT 4.6 Grafik dan Hasil Desain Maxiu Power Point Tracking Pada gabar dibawah ini dapat terlihat beberapa keluaran dari generator dengan enggunakan MPPT. Pada hasil 7

8 siulasi ini enapilkan hasil grafik yang terdiri dari grafik rasio kerja (duty cycle) siste, tegangan keluaran dari boost converter yang berbentuk tegangan dc, arus keluaran dari boost converter, daya aktif siste. Siulasi ini dilakukan selaa 1 detik. Gabar 4.9 Duty cycle Pada gabar diatas dapat terlihat gabar sinyal keluaran dari blok MPPT algorita perturb and observe yang berupa duty cycle siste. Duty cycle ini digunakan untuk enjadi asukan dari Mosfet (boost converter). Sinyal duty cycle ini eainkan peranan yang sangat penting dala siste karena untuk endapatkan daya aksial dari generator adalah elalui proses ini. Tegangan keluaran dari generator setelah dipasang MPPT adalah Bentuk gelobang dapat dilihat pada gabar dibawah ini. Gabar 4.13 Tegangan generator dengan MPPT 5. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesipulan Berdasarkan analisa dan pebahasan aka kespulan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Desain MPPT ini enggunakan etode Perturb and Observe dala rangka encapai nilai aksial dari generator. Pada hasil siulasi, tegangan asukan dari generator adalah sebesar 30 LL. 2. Pada saat generator dihubungkan dengan MPPT duty cycle (rasio kerja) yang digunakan adalah sebesar Perbandingan hasil keluaran dari generator adalah tegangan sebesar (g) dan tegangan sebesar (pp). 5.2 Saran Penelitian yang telah dilakukan asih terdapat kekurangan. Salah satu kekurangannya adalah algorita yang digunakan pada penelitian ini adalah yang paling sederhana diantara beberapa algorita MPPT lainnya. Kekurangan ini dapat dijadikan sebagai bahan penelitian lanjutan yaitu dengan ebuat perbandingan antara algorita Perturb and Observe dengan etode lain isalnya dengan Increental Conductance. Dengan ebandingkan dua etode yang terdapat pada MPPT dapat dipilih etode ana yang lebih ekonois dan akurat dala eaksialkan daya generator. Diharapkan dengan penelitian yang akan datang didapatkan cara yang lebih aksial dala eaksialkan daya keluaran dari generator. 8

9 DAFTAR PUSTAKA [1] Rashid, Muhaad H Power Electronics Handbook Third Edition. Elsevier s Science and Technology Departent. Oxford. UK [2] Hauke, Brigitte Basic Calculation of a Boost Converter s Power Stage. Texas Instruent. Texas. USA [3] Sugiharto, Danie N Ipleentasi Algorita Maxiu Power Point Tracking Pada Panel Photovoltaic enggunakan Metode Perturb and Observe. Skripsi Departeen teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok [4] Evelina, Winna Analisis Karakteristik Penguatan AR Pada Generator Induksi Penguatan Sendiri Dengan Menggunakan Kondensor Sinkron. Skripsi Departeen teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok [5] Moring, Stefan. dan Anton Pols Maxiu Power Point Tracking Algorith and Software Developent. Delft University Of Technology [6] Takeshwar, P.Sahu Siulation and Analysis of Perturb and Observe MPPT Algorith for P Array Using CUK Converter. Research India Publication. ol.4, No India [7] Wayan, W.Ananduta Siulasi dan Analisis Siste Maxiu Power Point Tracker Berbasis Rangkaian Boost Converter. Skripsi Departeen teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok [8] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik. Bandung: ITB Bandung [9] Danie, Novin Sugiharto Ipleentasi Algorita Maxiu Power Point Tracking Pada Panel Photovoltaic enggunakan Metode Perturb and Observe. Skripsi Departeen teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Depok [10] Mohaed, A.Elgendy, dkk Assessent of Perturb and Observe MPPT Algorith Ipleentation Techniques for P Puping Applications. IEEE Transactions On Sustainable Energy, OL. 3, NO. 1. 9