Analisis Konverter Tegangan Terkendali dengan Pengendali PI The Analysis of Controlled Voltage Converter with PI Controller

Transkripsi

1 Analisis Konverter Tegangan Terkendali dengan Pengendali PI The Analysis of Controlled Voltage Converter with PI Controller Suwitno Staf Pengajar Jurusan Teknik Listrik - Fakultas Teknik Universitas Riau Abstrat This writting presents the analysis of ontrolled voltage onverter with PI ontroller performane that is desained to make a tool whih abel produe output voltage that an follow setpoint like what is wanted and also to minimize produted output ripple as small as possible. To produed the both of that results, the analysis of ontroller parameter value hoosen done with based on stability priniple suh as the analysis of transition response and steady state whih fill up the stability speifially. Determining of exatly ontroller parameter value on ontrol system to redue ripple as minimal as possible and quikly dynami response be an important problem to disain its tool. The objetive of this paper is to propose a design quide-line for a low-ripple fast-response voltage feedbak loop. To show that generally analysis an be arried on and used on speifi thing, so the alulation of simulation result an be ompared with is measurement, from the testing result should know that analysis ould be done representatively. Key-words : redue ripple, dynami response, and proportional integral ontroller 1. Pendahuluan Kebutuhan akan sumber atu daya listrik dengan arus dan tegangan yang dapat diatur besarnya, akhir-akhir ini semakin dirasakan terutama dalam bidang industri. Pada industri kimia, atu daya arus searah banyak digunakan pada proses elektrolisa dimana dibutuhkan sumber tegangan arus searah skala besar yang sesuai dengan besar keilnya industri tersebut. Pada motor-motor listrik arus searah dibutuhkan pengaturan tegangan untuk mengatur keepatan putarannya. Di dalam penggunakan sumber tegangan arus searah diharapkan mempunyai unjuk kerja yang baik. Unjuk kerja yang dimaksud disini adalah harus dapat menghasilkan arus dan tegangan dengan riak yang keil, sementara arus dan tegangan keluaran dapat diatur sesuai dengan kebutuhan. Tegangan searah masukkan bagi onverter biasanya berupa tegangan keluaran dari hasil penyearahan yang umumnya mengandung riak frekwensi rendah, yang nantinya juga munul pada sisi beban. Dengan adanya riak frekwensi rendah pada keluaran onverter, maka kualitas keluaran menjadi rendah. Untuk mengurangi riak frekwensi biasanya ditempatkan tapis LC, yang dalam hal ini membutuhkan ukuran dan dimensi besar. Dengan ukuran tapis yang besar mengakibatkan respon dari sistem akan menjadi lambat dan ostnya tinggi. Untuk mengatasi masalah ini, penulis mengajukan suatu metoda reduksi riak frekwensi rendah dengan membentuk sistem umpan balik inverting melalui komponen umpan balik alat aksi pengendali proporsional integral. Tujuan dalam tulisan ini adalah menganalisis dan meranang pengaruh sistem kendali tegangan pada riak keluaran onverter dan menentukan parameter sistem kendali agar mampu menghilangkan riak frekwensi rendah seoptimum mungkin, tanpa merubah ukuran tapis, serta menguji hasil analisis dengan perobaan. Tulisan ini diharapkan dapat bermanfaat bagi dunia industri yang membutuhkan atu daya mendekati d murni.. Rumus Rangkaian Tegangan Terkendali Dengan Pengendali Proporsional Integrator Skema rangkaian onverter tegangan terkendali yang diajukan dalam tulisan ini seperti diperlihatkan pada gambar 1. Dari gambar 1 dapat diperlihatkan mekanisme tegangan keluaran terkendali dilengkapi pengendali PI. Nilai rata-rata tegangan beban diukur dan hasilnya dibandingkan dengan tegangan referensi. Hasil perbandingan tersebut menghasilkan suatu sinyal error, yang selanjutnya akan diolah oleh pengendali tegangan proporsional integrator. Keluaran Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 1

2 pengendali proporsional integrator adalah suatu sinyal referensi. Jika sinyal error positip maka sinyal referensi akan naik, sedangkan bila negatip sinyal referensi akan menurun, yang kemudian dibandingkan dengan gelombang pembawa untuk menghasilkan sinyal modulasi lebar pulsa. Gambar 1. Rangkaian Konverter Tegangan Terkendali Dengan Pengendali PI Dari gambar 1 dapat ditentukan persamaan dalam bentuk tegangan dan arus. Dengan menggunakan hukum Kirhoff arus dan tegangan, diperoleh dua persamaan sebagai berikut : dil L + V αe dt Berdasarkan hukumkirhoff pertama dapat diperoleh rumus aliran arus pada konverter; dv V C il dt R Persamaan (1) dapat dibentuk dalam transformasi Laplae diperoleh (1) () E( s ) V ( s ) I L ( s ) α (3) sl Persamaan () dapat dibentuk dalam transformasi Laplae sebagai berikut : 1 (4) V ( s ) I L( s ) 1 C s + RC Dari persamaan (3) dan (4) dapat dibentuk diagram blok umpan balik tertutup pengendali tegangan seperti diperlihatkan pada gambar dibawah ini : Gambar. Diagram Blok Konverter Tegangan Terkendali Dengan pengendali PI Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8

3 Untuk mengevaluasi kinerja lup kontrol digunakan; fungsi alih lup terbuka, dan fungsi alih lup tertutup. Pada paper ini, dipilih pengendali disederhana jenis proporsional integrator(pi). Fungsi alih pengendali proporsional integrator : 1+ sτ G ( s ) k sτ (5a) dan fungsi alih filter : H ( s) s + ω ξω s + ω (5b) dengan ω πf adalah frekwensi ut off, ζ adalah rasio damping, k adalah gain proporsional, danτ adalah waktu integral. Untuk menentukan kinerja lup kendali dapat digunakan fungsi alih lup terbuka dari sistem T(s), dan dibutuhkan fungsi alih lup tertutup antara keluaran dengan referensi G(s) serta fungsi alih lup tertutup antara keluaran dengan disturban F(s). 3. Metodologi Penulisan Pada metoda tulisan ini dievaluasi kinerja lup kendali, bagaimana tegangan beban dikendalikan agar tegangan beban konstan. Untuk mengetahui hasil kinerja pengendali sistem tersebut dibentuk fungsi alih lup terbuka dan lup tertutup dari sistem yang dianalisis. Pertama membentuk fungsi alih lup terbuka dari sistem; sτω k + ω k (6) T( s) G( s) H ( s) 3 s τ + ξτω s + τω s Dari persamaan (6) dapat ditentukan gain pengendali yang menghasilkan margin fasa yang memenuhi spesifik kestabilan. Gain dan frekuensi ross over dari funghsi alih lup terbuka T(s) seara langsung menyatakan dengan keepatan respon lup kontrol. Kemudian membentuk fungsi alih lup tertutup antara keluaran dan referensi ; ( s) Vo sτ. ω k + ω k (7) G( s) V ( s) 3 ref s τ + ξτ. ω s + ( τω k + τ. ω ) s + ω k Persamaan (7) digunakan untuk memilih gain pengendali yang sesuai pada selang gain yang terdapat pada lup terbuka. Selanjutnya membentuk fungsi alih lup tertutup antara keluaran dan disturbans (gangguan); F ( s) ( ) V E ~ o s sατ. ω ( s) 3 s τ + ξτ. ω s + ( τ. ω k + τ. ω ) s + ω k Fungsi alih tertutup F(s) mempresentasikan penekanan harmonisa sumber input dari lup kontrol. Persamaan (8) diperlukan untuk melihat seberapa besar riak frekwensi rendah dapat direduksi pada gain pengendali yang telah ditentukan pada lup terbuka pada persamaan (6). Penentuan harga parameter pengendali yang tepat pada sistem ontrol guna untuk mereduksi riak seminimum mungkin dan respon dinamik yang epat menjadi persoalan yang sangat penting dalam mendisain peralatan Analisis Tegangan Terkendali Dengan Pengendali PI Untuk menyelesaikan analisis sistem kontrol digunakan persamaan (7), dan (8). Dari persamaan tersebut dapat diketahui persamaan karakteristik dari sistem yaitu berupa bilangan penyebut dari fungsi alih tertutupnya. Berdasarkan persamaan karakteristik tersebut dapat (8) Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 3

4 ditentukan selang nilai gain k yang berada didaerah stabil dengan menggunakan metoda Routh- ζτ Hurwitz. Dari metoda ini, diperoleh nilai gain k. Dengan parameter rangkaian daya ζτ. ω 1 ; E 1 Volt, L 5mH, C1 µf, R beban 1.6 Ω dan pada tulisan diambil nilai τ RC, 1 ζτ. τ dipilih sama dengan nilai τ, sehingga dihasilkan nilai penguatan k, maka πf ζτ τ diperoleh besaran penguat k, 8. Untuk mengevaluasi seara kuantitatif kinerja lup kendali, digunakan tiga fungsi alih seperti didefinisikan pada persamaan (6) sampai dengan (8). Fungsi alih lup terbuka seperti dibawah ini : sτ.k +.k (9) T( s) 3 s τ + 65τ.s + 447,1τ.s Untuk memperoleh respon sistem yang epat, lebar band dari kurva bode plot sebuah fungsi alih terbukanya diusahakan besar, karena keepatan respon sistem berbanding terbalik dengan lebar band sistem. Namun lebar band sistem mempunyai selang keterbatasan artinya jika terlalu lebar justru sistem menjadi tidak stabil. Oleh karena itu bode plot dari lup terbuka T(s) digunakan untuk menganalisis selang gain k yang memenuhi spesifik kestabilan. Yang dimaksud dengan memenuhi spesifik kestabilan disini adalah margin fasa antara 3-6. Pada gambar 3 menunjukkan bahwa dengan k antara.1 s.d 11, lup mempunyai margin fasa kestabilan antara 3 sd 6. Dengan bandwidth ωb k ω atau selang bandwidth dapat dipilih 44,7 sampai dengan rad/detik. Bode Diagrams 15 From: U(1) Phase (deg); Magnitude (db) To: Y(1) k.1 k11 k Frequeny (rad/se) Gambar 3. Bode Plot Magnitude dan Fasa dari T(s)dengan Nilai Gain Pengendali.1 sd 11. Gain frekwensi ross over dari fungsi alih loop T(s) diatas dapat dilihat, bahwa semakin besar gain frekwensi ross over tersebut, respon keepatan dari loop kendali semakin epat. Sedangkan untuk menentukan pemilihan k yang lebih tepat, dibutuhkan fungsi alih loop tertutup antara keluaran dengan referensi G(s) yang didefinisikan sebagai berikut : G ( s) sτ.k +.k (1) 3 s τ + 65τ.s + ( τ.k + τ.447,1) s +.k Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 4

5 Bode Diagrams Phase (deg); Magnitude (db) To: Y(1) From: U(1) k1 k k Frequeny (rad/se) Gambar 4. Bode plot Magnitude dan Fasa dari G(s), dengan nilai gain k yang berbeda. Pada prakteknya pengendali PI sensitif terhadap noise, maka untuk memberikan sistem kendali yang presisi analisis diatas dipilih gain k 5, karena masih memberikan penguatan sinyal tidak terlalu besar, dan lebar bidang (bandwidth) yang ukup lebar. Sedangkan fungsi alih F(s) merepresentasikan penekanan terhadap riak sumber masukkan berupa frekwensi orde rendah. Jika E ~ dianggap disturban maka fungsi alih keluaran terhadap disturban adalah seperti dibawah ini :.ατ.s (11) F( s ) 3 s τ + 65τ.s + ( τ.k + τ.447,1) s +.k Bode plot fungsi alih F(s) seperti diperlihatkan pada gambar 5, dapat mengevaluasi berapa besar riak sumber masukan yang berupa frekwensi rendah mampu direduksi. Bode Diagrams - From: U(1) k k5 Phase (deg); Magnitude (db) To: Y(1) k Frequeny (rad/se) Gambar 5.Bode plot F(s), fungsi alih loop tertutup antara keluaran dan disturban Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 5

6 Ilustrasi dari bode plot fungsi alih tertutup gambar 5 menyatakan, bahwa dengan kenaikan gain pengendali k memberikan informasi seara langsung respon penekanan riak frekuensi rendah bertambah lebih besar. Penetapan nilai penguat dipilih k 5, sehingga terjadi penekanan harmonisa rendah 1 Hz sebesar db/deade. 3.. Pengujian Hasil Simulasi Berdasarkan data-data dan hasil analisis diatas diperoleh parameter pengendali : 447,1 rad / det ik, det ik. Dari parameter daya dan pengendali yang telah ditetapkan dihasilkan simulasi gelombang riak frekwensi rendah pada tegangan keluaran beban seperti terlihat pada gambar 6 Tegangan [V] Riak Tegangan Masukan Konverter 6 4-1, 1,1 1,1 1, 1, 1,3 1, Waktu [detik] Gambar 6. Hasil simulasi riak masukan d hopper Tegangan [V], RiakTeganganKeluarand, 1, -, 1,1 1,1 1, 1, 1,3 1,3 Waktu[detik] Gambar 7. Hasil simulasi riak keluaran d Pengujian tegangan keluaran pada beban, dimana beban terdiri dari sebuah beban resistans. Tegangan keluaran dari konverter yang dapat di manfaatkan untuk mensuplai beban ada tegangan keluaran dari konverter yang telah melewati tapis induktor kapasitor. Bentuk gelombang keluaran ini merupakan tegangan d rata-rata ditambah tegangan riak berupa riak frekwensi rendah yang berasal dari riak yang dikandung oleh tegangan inputnya sendiri dan riak frekwensi tinggi yang diakibatkan oleh proses pensaklaran. Hasil simulasi dari riak tegangan keluaran ke beban ditunjukkan pada gambar 7. Bahan yang digunakan adalah alat pengendali PI yang fungsinya untuk mengendalikan sistem daya, optooupler berguna untuk mengisolasi antara rangkaian ontrol dengan rangkaian daya, rangkaian isolator untuk membangkitkan gelombang pembawa, rangkaian pembangkit pulsa modulasi lebar pulsa berfungsi untuk membangkitkan pulsa penyalaan dan mengatur lebar pulsa bagi transistor, dan rangkaian driver untuk menguatkan besaran modulasi lebar pulsa. 4. Hasil dan Pembahasan Dalam menguji keakuratan analisis yang dilakukan, peranangan meliputi peranangan rangkaian pengendali konverter yang menggunakan simulasi komputer dengan bantu program matlab. Dan untuk hasil akhir pengujian dilakukan perobaan di laboratorium, sehingga hasilnya dapat dibandingkan dengan hasil analisis yang dilakukan. Berdasarkan parameter dari sistem perobaan diberikan data-data sebagai berikut : E in 1 Volt, V output 5 Volt, L 5 mh,c s 1 µf,c 1 µf, f s 5 khz, R 1,6 Ω. Parameter pengendali ω 447,1 rad/s, k 5, dan ζ Pengujian Tegangan Masukan Konverter Tegangan masukan konverter dapat berasal dari sumber tegangan arus searah dari dari sebuah penyearah gelombang penuh yang diberi filter kapasitor. Pada pengujian penelitian ini tegangan masukan konverter diperoleh. Karena tegangan masukan ini berasal dari penyearah maka tegangan masukan ini masih mengandung riak frekwensi rendah.pengamatan gelombang riak frekwensi rendah yang terdapat pada tegangan masukan konverter ditunjukkan pada gambar 9, mengandung riak yang dominan pada tegangan masukan konverter adalah riak frekwensi 1 Hz dengan magnitude punakke punak 15 Volt. Hal ini disebabkan karena sumber tegangan arus bolak balik yang disearahkan adalah tegangan yang berasal dari PLN yang mempunyai frekwensi 5 Hz. Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 6

7 Riak Tegangan Masukan Konverter Gambar 1 [Volt] Waktu [detik] Gambar 9. Hasil pengamatan gelombang riak tegangan masukan konverter 4.. Pengujian Tegangan Keluaran Konverter Berbeban Beban terdiri dari sebuah beban resistor. Tegangan keluaran dari konverter yang dapat di manfaatkan untuk mensuplai beban adalah tegangan keluaran dari konverter yang telah melewati filter induktor dan kapasitor. Bentuk gelombang keluaran ini merupakan tegangan d rata-rata ditambah tegangan riak berupa riak frekwensi rendah yang berasal dari riak yang dikandung oleh tegangan masukannya sendiri dan riak frekwensi tinggi yang diakibatkan oleh proses pensaklaran. Gelombang tegangan keluaran diambil langsung dari terminal beban resistor. Pada pengujian ini yang diambil adalah riak yang dikandung oleh tegangan keluaran pada beban. Pengamatan riak tegangan keluaran ke beban ditunjukkan pada gambar 1. Riak Tegangan Keluaran Konverter 1 [Volt] Waktu [detik] Gambar 1 Hasil pengamatan gelombang riak tegangan keluaran konverter dengan pengendali PI Dari gambar 9 terlihat dengan jelas bahwa tegangan masukan bagi konverter mengandung riak frekwensi rendah 1Hz sebesar 15 Volt. Sedangkan gambar 1 memperlihatkan bahwa tegangan keluaran ke beban pada tegangan terkendali, riak frekwensi rendah 1 Hz hanya tinggal. Volt. Dari kedua gambar ini terlihat bahwa dengan memasang pengendali PI, riak pada konverter, kita dapat mengurangi riak frekwensi rendah sampai seminimum mungkin tanpa memperbesar ukuran dari filter induktor dan kapasitor. Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 7

8 5. Kesimpulan Setelah melakukan serangkaian pengamatan dan pengujian pada konverter tegangan terkendali yang dilengkapi dengan pengendali proposional integrator, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut : Dengan menggunakan pengendali proposional integrator, riak frekwensi rendah 1Hz dapat direduksi sampai 99%. Penggunaan pengendali proposional integrator dapat mengurangi ukuran tapis LC pada keluaran onverter, karena tapis ini kita perlukan hanya untuk menapis riak frekwensi tinggi saja, selain itu respon dapat bekerja dengan epat. Dengan mengurangi ukuran dari tapis LC pada keluaran hopper berarti kita telah melakukan penghematan biaya. 6. Daftar Pustaka 1. H.Jin, G.Joos, M.Pande, P.D. Ziogas,199, Feedforward Tehniques Using Voltage Integral Duty-Cyle Control, IEEE, page S.B. Dewan, 1995, Modeling and Control of manet Power Supply System with Swith- Mode Ripple Regulator, IEEE, page S.B. Dewan, 1994, A Swith-Mode Ripple Regulator for High-Current Magnet Power Supplies, IEEE, page S.B. Dewan, H.Jin and, J.D.Laver, 199, Voltage Loop Design for a Low Ripple Fast- Response AC/DC Swith-Mode Magnet Power Supply, IEEE, page Seminar Nasional Teknik Kimia Oleo & Petrokimia Indonesia 8 8