DESAIN DAN IMPLEMENTASI SELF TUNING LQR ADAPTIF UNTUK PENGATURAN GENERATOR SINKRON 3 FASA

Transkripsi

1 DESAIN DAN IMPLEMENTASI SELF TUNING LQR ADAPTIF UNTUK PENGATURAN GENERATOR SINKRON 3 FASA Arif Hermawan Jurusan Teknik Elekro FTI, Insiu Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Sukolilo, Surabaya afher@elec-eng.is.ac.id Absark - Generaor sinkron secara umum berfungsi sebagai power supply aau power supply cadangan (emergency power supply). Oupu egangan yang dihasilkan harus selalu konsan agar peralaan lisrik yang disuplai oleh generaor idak cepa rusak. Oleh karena iu diperlukan suau ala unuk mengaur egangan pada nilai yang diinginkan. Pengauran egangan dilakukan dengan cara mengaur besar kecilnya arus eksiasi yang diberikan pada kumparan medan baik dengan cara manual aau oomais. Pengauran egangan oomais yaiu dengan cara mendesain suau konroler yang akan memberikan aksi konrol unuk menambah aau mengurangi besarnya arus eksiasi anpa campur angan operaor. Unuk mendesain konroler banyak meode yang dapa digunakan. Konrol opimal merupakan salah sau meode konrol yang memberikan energi minimum dari sae dan sinyal konrol berdasarkan indeks performansi yang diberikan. Konroler adapif adalah konroler pinar dengan adjusable parameer dan mekanisme unuk mengaur parameer sehingga jika erjadi perubahan, konroler mampu menyesuaikan diri erhadap keadaan yang baru aau idak dikeahui. Dalam ugas akhir ini didesain suau pengaur egangan generaor sinkron dengan meode konrol opimal LQR yang penenuan parameer gain feedback K dengan meode konrol adapif self uning. Kaa Kunci : Generaor sinkron, arus eksiasi, konrol opimal, self uning 1. PENDAHULUAN Sisem enaga lisrik secara umum erbagi menjadi iga bagian yaiu sisem pembangkian, jaringan ransmisi dan beban. jika erjadi perubahan perminaan disisi beban maka akan erjadi perubahan pada egangan. Tegangan yang konsan pada erminal generaor merupakan suau besaran pening yang harus diperahankan unuk menghasilkan supply daya yang diharapkan. Unuk iu diperlukan peralaan konrol yang digunakan unuk mengaur besaran inpu guna mencapai iik keseimbangan. Auomaed Volage regulaor (AVR) merupakan peralaan konrol oomais yang digunakan unuk menjaga agar egangan erminal generaor selalu konsan. Dalam ugas akhir ini akan dirancang rangkaian AVR dengan konroler opimal LQR dengan penenuan parameer konroler gain feedback K menggunakan meode self uning adapif. Rancangan yang dibua akan diimplemenasikan sebagai rangkaian pengaur egangan oomais pada generaor sinkron 3 fasa agar egangan yang dikeluarkan oleh generaor sinkron ersebu selalu konsan meskipun beban berubah seiap saa. Perubahan beban yang kecil pada sisem enaga lisrik adalah suau hal yang idak dapa dihindari dan selalu erjadi. Oleh karena iu perlu didesain suau konroler yang dapa menjaga sisem enaga lisrik selalu sabil. Konroler yang didesain berfungsi unuk mengaur besarnya penalaan pada pada rangkaian driver sisem eksiasi [1]. Beberapa meode desain konroler sudah dikembangkan, salah saunya adalah konrol opimal. Konroler opimal digunakan unuk memperbaiki kinerja sisem enaga lisrik dalam hal ini performansi kesabilan egangan. Sisem enaga lisrik yang melipui generaor dan sisem eksiasi, dinyaakan dalam model maemaika. Model keseluruhan dibua dalam diagram blok fungsi alih unuk disusun dalam benuk persamaan keadaan (sae space)[2]. Tujuan uama konroler adalah unuk menambah kesabilan dinamis aau dengan kaa lain unuk menambah peredaman osilasi daya pada sisem enaga lisrik. Konroler adapif adalah konroler pinar dengan adjusable parameer dan mekanisme unuk mengaur parameer aau dalam pengerian umum berari mengubah ingkah laku aau karakerisik unuk menyesuaikan diri erhadap keadaan yang baru aau ak dikeahui. Sisem konrol adapif erdiri aas 2 loop eruup, loop perama adalah normal feedback conrol erhadap plan dan konroler dan loop yang kedua adalah loop dengan parameer adjusmen loop[3]. Ada banyak meode yang dapa dipakai unuk menenukan penalaan (uning) parameer konroler, salah saunya adalah dengan self uning. Dalam self uning erdapa blok idenifikasi sisem yaiu suau blok yang merepresenasikan proses esimasi parameer secara langsung. Disamping iu juga erdapa blok mekanisme adapasi yang merepresenasikan penyelesaian langsung unuk desain problem dari parameer yang elah diidenifikasi sebelumnya unuk menghasilkan parameer konroler erbaru sesuai kondisi objek saa iu. Selain iu juga erdapa blok konroler yang berfungsi unuk menghiung aksi konrol yang akan diberikan kepada objek dengan parameer konroler yang elah dihiung pada blok sebelumnya. Sehingga sisem dapa dikaakan sebagai oomaisasi proses. 2. Mesin sinkron Sebagian besar energi lisrik yang dipergunakan oleh konsumen unuk kebuuhan sehari-hari dihasilkan oleh 1

2 generaor sinkron phasa banyak (polyphase) yang ada di pusa pembangki enaga lisrik. Generaor sinkron yang dipergunakan ini mempunyai raing daya dari rausan sampai ribuan mega Vol Ampere (MVA). Disebu mesin sinkron, karena bekerja pada kecepaan dan frekuensi konsan di bawah kondisi Seady sae. Mesin sinkron bisa dioperasikan baik sebagai generaor maupun moor. Mesin sinkron bila difungsikan sebagai moor berpuar dalam kecepaan konsan. Apabila dikehendaki kecepaan yang bersifa variabel, maka moor sinkron dilengkapi dengan pengubah frekuensi seperi Inverer aau Cyclo-converer. Sebagai generaor, beberapa mesin sinkron sering dioperasikan secara paralel, seperi dipusa-pusa pembangki. Adapun ujuan dari paralel generaor adalah menambah daya pasokan dari pembangki yang dibebankan ke masing-masing generaor yang dikirimkan ke beban. 2.1 Konsruksi Mesin Sinkron Ada dua srukur medan magne pada mesin sinkron yang merupakan dasar keja dari mesin ersebu, yaiu kumparan yang mengalirkan penguaan DC dan sebuah jangkar empa dibangkikannya ggl arus bolak-balik. Hampir semua Mesin Sinkron mempunyai jangkar diam sebagai saor dan medan magne berpuar sebagai roor. Kumparan DC pada medan magne yang berpuar dihubungkan pada sumber lisrik DC luar melaui slipring dan sika arang, eapi ada juga yang idak mempergunakan sika arang yang biasa disebu brushless exciaion. Gambar 2. Generaor sinkron iga phasa dengan sisem penguaan brushless excier Alernaif lainnya unuk penguaan eksiasi adalah menggunakan dioda silikon dan hyrisor. Ada dua ipe sisem penguaan Solid sae sebagai beriku: Sisem sais yang menggunakan dioda aau hyrisor sais, dan arus dialirkan ke roor melalui slipring. Brushless sysem, pada sisem ini penyearah dipasangkan di poros yang berpuar dengan roor, sehingga idak dibuuhkan sika arang dan slipring Benuk Roor Unuk medan roor yang digunakan erganung pada kecepaan mesin, mesin dengan kecepaan inggi seperi urbo generaor mempunyai benuk silinder Gambar 2.3a, sedangkan mesin dengan kecepaan rendah seperi hydroelecric aau generaor lisrik diesel mempunyai roor kuub menonjol Gambar 2.3b Benuk Penguaan Seperi elah diuraikan di aas, bahwa unuk membangkikan flux magneik diperlukan penguaan DC. Penguaan DC ini bisa diperoleh dari generaor DC penguaan sendiri yang seporos dengan roor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepaan rendah, eapi raing daya yang besar, seperi generaor hydroelecric, maka generaor DC yang digunakan idak dengan penguaan sendiri, eapi dengan pilo excier sebagai penguaan aau menggunakan magne permanen. ( a ) Roor kuub ( b ) Roor kuub Benuk Saor Gambar 3. Benuk roor Saor dari mesin sinkron erbua dari bahan ferromagneik yang berbenuk laminasi unuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan ini ferromagneik yang bagus berari permebilias dan resisivias dari bahan inggi. Gambar 2.4 memperlihakan alur saor empa kumparan jangkar. Belian jangkar (saor) yang umum digunakan oleh mesin sinkron iga phasa, ada dua ipe yaiu: a. Belian sau lapis (Single Layer Winding). b. Belian berlapis ganda (Double Layer Winding). Gambar 1. Generaor sinkron iga phasa dengan penguaan generaor DC Pilo Excier. Gambar 4. Ini saor dan alur pada saor 2

3 V V V 3. Perancangan Sisem 3.1 Diagram Blok Perancangan Sisem Keseluruhan perancangan sisem pengauran egangan keluaran generaor 3 fasa unuk beban berubah dapa digambarkan dengan diagram blok sebagai beriku : Gambar 7 Rangkaian Buck Converer Realisasi Rangkaian Driver DC o DC Converer Sinyal Segiiga V PWM Opoisolaor Power Mosfe Referensi (Sinyal konrol) Gambar 5. Perancangan sisem pengauran egangan generaor sinkron 3 fasa Perancangan Sensor Sensor merupakan suau pirani yang idak bisa diinggalkan dalam perancangan suau sisem pengauran. Seperi diunjukkan pada Gambar 3.1 diaas, ada dua buah sensor unuk melakukan pengukuran erhadap variabel yang dibuuhkan. Variabel oupu generaor yang diukur berupa arus, egangan, sera sudu fasa. Gambar 8. Diagram blok realisasi rangkaian driver dc o dc converer Perancangan Konroler Perancangan konroler sebagai pengaur egangan sinkron 3 fasa menggunakan meode self uning LQR adapif. Dalam perancangan konroler dengan meode ini idak dilakukan idenifikasi parameer plan,eapi melalui pengukuran langsung erhadap beban. Pemodelan Beban Indukif Gambar 6. Blok diagram perancangan sensor egangan dan arus Generaor Buck Converer (Konverer Penurun Tegangan ) Buck Converer merupakan rangkaian penurun egangan. Pada rangkaian Buck Converer, Mosfe difungsikan sebagai komponen pencacah (saklar). Proses membuka dan menuup saklar berdasarkan aas besarkecilnya lebar pulsa (duy cycle) sinyal konrol pulse widh modulaion (PWM). Dengan mengaur lama waku on dan off maka bisa didapakan egangan oupu V 0 sesuai dengan keinginan. Gambar 9. Rangkaian generaor dengan beban indukif Sehingga besarnya dirumuskan : dan 3

4 Gambar 12. Pengujian beban kapasiif Pemodelan Beban Kapasiif Simulasi beban Indukif Gambar 10. Rangkaian generaor dengan beban kapasiif sehingga : 3-20 Gambar 13. Diagram simulink unuk beban indukif 1 0 x1 x2 4. Pengujian Sisem dan saes x () Pengujian Beban Indukif (s) Gambar14. Hasil simulasi sae sisem konrol inpu u () Gambar 11. Pengujian beban indukif Pengujian Beban Kapasiif (s) Gambar 15. Hasil simulasi konrol opimal 5. Kesimpulan Seelah dilakukan pengujian beban erliha bahwa beban indukif cenderung menurunkan egangan dengan sudu fasa lagging (sinyal egangan mendahului arus). Sedangkan unuk beban kapasiif, cenderung menaikkan egangan dengan sudu fasa leading. Yaiu sinyal arus mendahului egangan. Dalam perancangan ini, konroler belum bisa bekerja dengan baik, dikarenakan masih ada permasalahan dalam algorima unuk penghiungan konroler. DAFTAR PUSTAKA 4

5 [1] Daniel Lau Lee Kah, Conrol Sysem for AVR and Governor of Synchronous Machine, The Universiy of Queensland, [2] Syahrizal dan Ramon Zamora, Penggunaan Meode Konrol Umpan Balik Opimal Unuk Menambah Kesabilan Dinamik Sisem Tenaga Lisrik, Jurnal Rekayasa Elekrika, Universias Syah Kuala Volume 4 no.1,hal.10-17,2004 [3] Shigeyuki FUNABIKI, Asumi HITSUMOTO, Yasuji YAMAKAWA and Tadashi ITO, Auomaic Volage Regulaion of Synchronous Generaor wih Pole Assignmen Self-Tuning Regulaor, IEEE CH2976-9/91/0000-l807 $1.00 0,1991 [4] Prabha Kundur, Power Sysem Sabiliy and Conrol, New York: McGraw-Hill,1994 5

6 6