ANALISA, PERANCANGAN DAN SIMULASI RANGKAIAN PEREDAM RC PASIF PADA PENYALURAN SEDERHANA SISTEM TENAGA DC DENGAN MENGGUNAKAN PSPICE

Transkripsi

1 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN 4037 ANAISA, PEANCANGAN DAN SIMUASI ANGKAIAN PEEDAM C PASIF PADA PENYAUAN SEDEHANA SISTEM TENAGA DC DENGAN MENGGUNAKAN PSPICE Cecilia Susilawati Dosen Jurusan Teknik Elektro FTI, Universitas Trisakti Abstract The subsystem interaction and instability phenomena are a common problem in the Distributesd Power System (DPS). In order to regulate the output voltage or the speed, the internal control function of a converter known as constant power load (CP), results in the converter tends to draw a constant power. This phenomena cause the input impedance of CP has negative incremental input impedance, which tends to create instability as it is connected to a system. This paper concerns about the compensation method used to improve the stability ot two or more connected subsystems, consisting of and C filter and a CP. A compensation method known as passive damping network containing only C components is examined purposedly to eliminate and reduce the instability of the subsystem. The passive damping network was designed and simulated using PSpice. The results show that the designed passive damping network suitbale for smallscale power distribution system that contains constant power load with power level of kw. Keywords: Constant Power oad, DC DC Converter, Passive Damping Circuit. Pendahuluan Pada Distributed Power System (DPS), fenomena ketidakstabilan adalah masalah yang umum. DPS adalah sebuah sistem, dimana fungsi pemrosesan daya disalurkan melalui unit unit pemroses daya atau pembalik DC/DC bila dibutuhkan. Hal ini digunakan pada aplikasi seperti pesawat terbang, pesawat luar angkasa, kendaraan listrik, kendaraan hybrid, kapal laut, sistem pertahanan, komunikasi dan komputer. Keuntungan dalam hal berat, ukuran, isolasi, regulasi tegangan, fleksibilitas, kemampuan berintegrasi dengan berbagai macam beban dan juga kemudahan dalam mengendalikan kualitas daya yang dicapai bagian bagian terpisah (Gua, 994: ) adalah alasan digunakannya sistem ini

2 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN 4037 Tetapi DPS memiliki beberapa kelemahan seperti interaksi antar pembalik dan ketidakstabilan jaringan, begitu juga pada ketidakseimbangan distribusi daya pada pembalik paralel, yang membuat distribusi arus keluaran tidak sama dan dapat membuat stress pada beberapa modul dan meningkatkan kemungkinan kegagalan. Interaksi ini timbul karena setiap pembalik memiliki fungsi pengendali internal, seperti regulasi dari pembalik tegangan keluaran dan kecepatan motor (Alfayyoumi, 999: 96 93). Sebagai hasilnya, pembalik cenderung mengeluarkan daya yang konstan dan memiliki hambatan input yang negatif di dalam bandwidth pengendali pembalik loop. Karakteristik impendansi input negatif adalah karakteristik utama dari constant power load (CP). Ketika sumber tegangan jatuh, lalu operasi dari pengendali internal mengakibatkan pembalik mengeluarkan arus yang lebih. Hal ini dapat mengakibatkan tegangan sumber jatuh lebih banyak lagi. Impedansi negatif dari CP berarti hal ini memiliki karakteristik hiperbola dari tegangan terhadap arus. CP dapat dibuat sebagai sumber arus, yaitu i=p/v dimana v adalah tegangan masukkan dan P adalah daya keluaran. CP dapat dibuat dengan menggunakan Analogue Behavior Model (ABM) menggunakan blok GVAUE pada simulasi Orcard PSpice. Untuk memastikan daya konstan, GVAUE digunakan sebagai Voltage Control Current Source (VCCS), yang akan menjaga arus konstan dengan mengatur tegangan pada jaringan tegangan DC. Model sederhana CP ditunjukkan pada Gambar. Gambar ini menunjukkan bahwa arus konstan didapat dari tegangan (v) dibagi oleh daya (P). Gambar. menunjukkan karakteristik CP dengan tegangan input berbeda beda dengan daya tetap kw. Dengan meningkatnya tegangan input, arus turun seperti yang diduga, simbol dari impedansi dilambangkan dengan. 8

3 Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi angkaian Peredam C Pasif Pada V V G W P IN Out IN Out GVAUE (V(W)/V(V)) V (V) 00 Gambar. Blok Diagram CP 50 V (V) I(G I(G )(A) ) (A) Gambar. Karakteristik CP Fenomena ketidakstabilan yang diakibatkan oleh interaksi filter C dan CP ditunjukkan pada sirkuit sederhana Gambar 3. pada berikut ini. Filter C dan CP dihubungkan ke sumber arus 70 Vdc. Nilai ini dipilih berdasarkan nilai yang umum digunakan. Tegangan input pengganggu V 3 dengan besar 50 V diberikan. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 4. pada halaman berikut menunjukkan bahwa sebelum adanya pengganggu, tegangan V stabil pada 70 V. Saat tegangan pengganggu diberikan pada waktu simulasi 4 ms, 9

4 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN 4037 tegangan mengalami osilasi dan hal ini mengindikasikan ketidakstabilan sistem karena adanya interaksi dari impedansi negatif masukkan dari CP dengan filter masukan. V 50 µh 70 V V G W 000 IN Out V3 C 300µF IN Out GVAUE (V(W)/V(V)) V Gambar 3. Filter C dengan CP s 0ms 0ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 00ms V(V) Time Gambar 4. Tegangan ketika tegangan input 50 V diberikan 0

5 Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi angkaian Peredam C Pasif Pada. Analisa Walaupun selalu ada peredam pada filter C karena adanya komponen parasit seperti hambatan seri yang sama pada induktor, normalnya hal ini tidak akan cukup mempengaruhi ketidakstabilan. Diagram dengan memasukkan rangkaian peredam C pasif ditunjukkan pada Gambar 5. Kapasitor peredam seri yang digunakan untuk menghalangi DC akan menghambat arus DC masuk ke hambatan peredam. Selain itu hambatan peredam akan membuat fungsi peredam pada frekuensi resonansi filter. Gambar 5. Filter C dengan CP dan jaringan peredam pasif Beban daya yang konstan ( ) dihubungkan pada filter C, dengan C sebagai rangkaian peredam pasif. Hambatan total efektif dari rangkaian ini adalah: eff = Untuk membuat sistem stabil maka perlu <<, hambatan peredam pasif harus lebih kecil dari, sehingga hambatan total akan positif. Keluaran fungsi alih tegangan input pada Gambar 5. diberikan pada persamaan (). V V c s sc CC () 3 C C C C s s s CC CC CC Dengan menghitung bagian penyebut bagi persamaan () sama dengan nol, maka didapat persamaan ().

6 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN 4037 = = K s 3 C s C C C s C s s C () Persamaan () adalah plot root locus dimana nilai dapat diatur sehingga dapat dicapai kestabilan. Hambatan dengan nilai berbeda beda ditunjukkan pada Gambar 6. Sumbu eal 500 oot ocus = 30Ω 5Ω Ω 0,6Ω 0,3Ω = 0Ω = Ω Increasing Sumbu Imajiner Gambar 6. Pergerakan kutub sistem dengan nilai yang berbeda. Parameter yang digunakan =50μH, C = 300μF, C =,mf dan 5 nilai hambatan CP ( ) yang berbeda yaitu 0,3Ω, 0,6Ω, Ω, 5Ω, 30Ω. Nilai ini setara dengan daya CP pada 43kW, kw,73kw, 4,6kW,,4kW, ( ). Tegangan sumber adalah 70 V. Parameter yang digunakan = 50 μh, C = 300 μf, C =, mf dan 5 nilai hambatan CP ( ) yang berbeda yaitu 0,3 Ω, 0,6 Ω, Ω, 5 Ω, 30 Ω. Nilai ini setara dengan daya CP pada 43 kw, kw, 73 kw, 4,6 kw,,4 kw, ( ). Tegangan sumber adalah 70 V.

7 Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi angkaian Peredam C Pasif Pada Gambar 6. menunjukkan pada titik kutub berada pada bagian kanan untuk hambatan peredam nol dan tak hingga. Pada saat hambatan peredam bergerak antara nol dan tak hingga, kutub kutub bergerak ke kiri dan dapat lewat ke bagian kiri plot, yaitu pada = 0,6 Ω ke atas. Dengan = 0,3 Ω sistem akan tetap stabil pada semua harga hambatan peredam. Hal ini menunjukkan limit dari kondisi stabil seperti yang telah disebut sebelumnya <II. 3. Perancangan Prosedur perancangan untuk mendapatkan rangkaian peredam pasif adalah berdasarkan persamaan. Karakteristik persamaan in difaktorisasi seperti pada persamaan 3. Dengan mengalikan persamaan (3) didapat persamaan (4). s s s s = 0 (3) C C C C C C ( ) s s CC = 0 (4) CC CC 3 Dengan membandingkan persamaan () dan (4), tambahan muncul. Untuk membuat persamaan () memiliki nilai: S maka C >> C >> (5) Oleh karena itu, prosedur perancangan adalah untuk memilih sehingga hambatan efektif pada bagian kuadrat persamaan (3) menghasilkan redaman dari kutub yang kompleks. 3

8 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN 4037 Kemudian C harus dipilih untuk meyakinkan persamaan (5) tercukupi sebagai contoh perancangan adalah menaruh kutup kompleks pada 45 o (θ) pada bidang s, lalu besarnya bagian riil dan imaginer dari karakteristik persamaan kuadrat dari persamaan (3) harus sama. Nilai hambatan peredam diberikan sebagai berikut: = C C C (6) Dengan menggunakan persamaan orde, hambatan peredam dalam sudut θ dapat dinyatakan oleh persamaan (7). = cosc C C (7) Tabel. menunjukkan nilai nilai dari dan C dengan variasi θ. Hambatan beban yang digunakan adalah 7,9Ω (beban 000 W yang umum) dengan sumber 70 V dan C = 50 μf. C didapat dari persamaan: C = C Table. Parameter peredam C dengan peletakan kutub yang berbeda. ( o ) (Ω) C (mf) 0 o 0,35, 0 o 0,357,77 0 o 0,374, o 0,405 0,94 40 o 0,458 0,75 50 o 0,546 0, o 0,700 0, o,09 0,44 80 o,98 Sangat kecil 90 o 7,9 Sangat kecil 4

9 Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi angkaian Peredam C Pasif Pada 4. Hasil Diagram rangkaian untuk simulasi PSpice dengan rangkaian peredam C pasif ditunjukkan Gambar 7. Semua nilai yang digunakan oleh masing masing komponen telah ditunjukkan. V 50 µh 70 V3 C 300µF V V 0.7Ω G W {P} IN Out C.m PAAMETES: P IN Out GVAUE (V(W)/V(V)) V Gambar 7. Diagram rangkaian peredam C, filter C, dan CP angkaian C dinyatakan oleh dan C. Komponen sumber dan filter C sudah dibahas pada bagian sebelumnya. angkaian peredam dipilih untuk membuat kutub kompleks sistem pada 60 o terhadap sumbu kompleks. Harga dari hambatan peredam adalah 0,7 Ω dan kapasitor penghalang C adalah, mf. Standar tegangan step masukkan ditunjukkan sebagai V 3. Tegangan transien 50V diberikan saat waktu simulasi 4ms dan pada saat waktu simulasi 4ms, transien dipindahkan. Hasil simulasi untuk bus tegangan untuk CP kw dan 50 kw ditunjukkan Gambar 8. pada berikut ini. Tegangan mengalami single overshoot dan kemudian diam pada steady state yang baru yaitu 08 V, ini menunjukkan keefektifan dari rangkaian peredam. Sistem ini diredam dengan baik pada daya rendah kw dan mengalami sedikit osilasi ketika daya dinaikkan 50 kw. 5

10 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN V 30 V 50 KW KW 80 V 40 V 00V Gambar 8. Tegangan V hasil simulasi Keefektifan peredam pasif dapat dibuktikan lebih lanjut. Bila CP dihubungkan dengan bus DC melalui sistem kabel yang panjang. Nilai komponen untuk perkabelan dapat digantikan oleh rangkaian seri. Gambar adalah parameter kabel. C 5 adalah kapasitor dekopling yang dihubungkan melewati CP. V6 0s ms 4ms 6ms 8ms 0ms ms 4ms 6ms 8ms 0ms V(V) Time 70 V7 50 µh C3 300µF V4 0.7Ω C4 00µ 3 0.5Ω V 3 00 µh C5 00µF 5000 W3 G IN Out IN Out GVAUE (V(W3)/V(V4)) V Gambar 9. Diagram angkaian dengan perkabelan dihubungkan 6

11 Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi angkaian Peredam C Pasif Pada Hasil simulasi tegangan tanpa redaman pasif ditunjukkan Gambar 0. dengan daya CP pada 5 kw dihubungkan. Waktu simulasi 00 ms, tegangan transien 0V diberikan pada saat 40ms dari simulasi. Ada beberapa respon osilasi pada tegangan. Fenomena yang sama dapat dilihat saat tegangan diturunkan 0 V pada waktu simulasi 60ms. Dengan adanya rangkaian peredam pasif, masalah pada interaksi perkabelan dan fenomena ketidakstabilan dapat diatasi. 300 V 80 V 60 V 40 V 30ms 00ms 0ms 40ms 60ms 80ms 300ms 30ms Time Gambar 0. Simulasi tegangan V tanpa peredam negatif Gambar. Merupakan simulasi tegangan V dengan peredaman negatif, tegangan transien 0 V diberikan saat waktu simulasi 00 ms selama 40 ms dan pada saat waktu simulasi 60 ms, tegangan transien 0V diberikan selama 50 ms. Sistem secara baik diredam, tegangan mengalami single overshoot dan kemudian stabil pada nilai steady state nya. Ini menunjukkan keefektifan rangkaian peredam. 7

12 JETri, Volume 7, Nomor, Agustus 007, Halaman 7 8, ISSN V 80 V 60 V 40 V 80ms 00ms 0ms 40ms 60ms 80ms 300ms 30ms V(V4) Time Gambar. Simulasi tegangan V dengan peredam negatif 5. Kesimpulan Analisa, perancangan, teoritis dan simulasi rangkaian peredam C diperiksa pada sistem sederhana yang terdiri dari filter C dan daya beban yang konstan. Detail analisa dan perancangan dari komponen peredam untuk CP pada kw telah diberikan. Hasil simulasi PSpice menunjukkan keefektifan dari perancangan rangkaian peredam pasif yang menjaga jaringan DC dari osilasi karena interaksi dari impedansi negatif dan filter C. Hasil simulasi juga membuktikan bahwa perancangan rangkaian peredam C dapat diimplementasikan untuk daya CP yang lebih tinggi yaitu 5 kw. Daftar Pustaka. Gua, G.C., Tabisz, W.A, eu, C. S.994. Development of A DC Distributed Power System. IEEE Applied Power Electronics Conference.. Alfayyoumi, M., Nayfeh, A. H., Borojevic, D Input Filter Interactions in DCDC Switching egulator. IEEE Power Electronic Specialists Conferences. 8