DESAIN BATTERY CHARGER DENGAN EFFISIENSI OPTIMUM MENGGUNAKAN KONTROL PI-Fuzzy Ainur Roiq Nansur, Epyk Sunarno 2, Ayusta Lukita Wardani 3 Jurusan Elektro Industri PENS-ITS, Surabaya 60, Email: lautan_karang@yahoo.co.id 2 Jurusan Elektro Industri PENS-ITS PENS-ITS, Surabaya 60, Email: 3 Elektro Industri PENS-ITS PENS-ITS, Surabaya 60, Email: Abstrak - Dalam rangka menyiasati kelangkaan energi dan upaya untuk beralih ke energi yang ramah lingkungan. Maka dibutuhkan pengembangan teknologi transportasi yang menggunakan battery sehingga ramah lingkungan dan menggurangi ketergantungan bahan bakar premium. Namun pada proses konversi tersebut timbul permasalahan yaitu arus input terdistorsi dan tidak sease dengan tegangan input sehingga menyebabkan aktor daya rendah dan meningkatnya kandungan harmonisa yang mempengaruhi lama waktu pengisian accu dan menyebabkan induktor dan transormator sangat panas. Disebabkan oleh penggunaan penyearah ac to dc asa. Penelitian ini menggunakan metode CCM (Continous Conduction Mode) dengan cara mengatur arus inductor yang masuk pada boost converter dengan mengubah-ubah duty cycle pada proses penyulutan menggunakan PI-uzzy. Sehingga seolah-olah penyearah menyuplai beban resisti. Maka arus input memiliki bentuk gelombang yang sama menyerupai bentuk gelombang tegangan input. Sehingga meningkatkan P dan menurunkan THD agar eisiensi pengisian accu optimum. Hal ini dapat dilihat dari simulasi pada batere 24V 36Ah dengan dengan rangkaian rectiier dengan ilter kapasitor, rectiier dan boost converter kemudian rectiier dan boost converter dengan kendali PI-Fuzzy.melalui simulasi didapatkan bahwa cara yang pertama menghasilkan PF 0.88 dan THD 34%, cara yang kedua menhasilkan PF 0.92 dan THD 42.5% sedangkan dengan kendali PI-Fuzzy menghasilkan PF 0.99 dan THD 3.79%. Sedangkan secara riil didapatkan bahwa cara yang pertama menghasilkan PF 0.68 dan THD 32.5%, cara yang kedua menhasilkan PF 0.83 dan THD 50.2% sedangkan dengan kendali PI-Fuzzy menghasilkan PF 0.95 dan THD 27.3%. Kata Kunci : battery charger, power aktor, harmonisa, CCM, PI-Fuzzy. PENDAHULUAN Dalam rangka menyiasati kelangkaan energi dan upaya untuk beralih ke energi yang ramah lingkungan. Maka dibutuhkan pengembangan teknologi transportasi yang menggunakan battery sehingga ramah lingkungan dan menggurangi ketergantungan bahan bakar premium. Namun pada proses konversi tersebut timbul permasalahan yaitu arus input terdistorsi dan tidak sease dengan tegangan input sehingga menyebabkan aktor daya rendah dan meningkatnya kandungan harmonisa yang mempengaruhi lama waktu pengisian accu dan menyebabkan induktor dan transormator sangat panas. Hal ini diakibatkan oleh penggunaan penyearah ac to dc asa.faktor daya menjadi turun dapat disebabkan pergeseran sudut antara tegangan dan arus. Eisiensi tergantung pada aktor daya dan THD. Jadi apabila dapat memperbaiki bentuk gelombang arus masukkan maka dapat memperbaiki aktor daya dan harmonisa sehingga dapat meningkatkan eiseinsi. Beberapa cara untuk memperbaiki aktor daya dan THD melalui metode penyulutan pada DC DC converter yaitu : Critical Continous Mode (CRM), Continous Conduction Mode (CCM), Discountinous Conduction Mode (DCM). Pada penelitian ini menggunakan CCM dimana arus input dipaksa untuk mengikuti bentuk gelombang tegangan input dan sease dengannya. Dengan cara mengatur arus inductor yang masuk pada boost converter dengan mengubah-ubah duty cycle pada penyulutan menggunakan PI-uzzy. Penggunaan boost selain digunakan untuk menaikkan tegangan DC, juga digunakan untuk memperbaiki power aktor. Penyulutan dengan control PI-Fuzzy untuk menentukan besar duty cycle berdasarkan perbedaan bentuk tegangan dan arus input. PI digunakan untuk meminimalkan error karena osilasi ripple arus induktor. Tujuan desain ini adalah secara otomatis menampilkan gelombang arus input dengan THD rendah dan seasa tegangan input serta mempunyai eisiensi tinggi, ini diperoleh dengan cara mengatur penyulutan pada boost converter sesuai dengan perubahan bentuk arus masukan. Sehingga seolah-olah penyearah menyuplai beban resisti. Maka arus beban yang mengalir kesumber memiliki bentuk gelombang yang sama menyerupai bentuk gelombang tegangannya. Beban yang digunakan adalah beban variable yaitu bermacam-macam accu Sehingga buckboost digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan sesuai dengan rating tegangan pengisian accu.
2. DASAR TEORI 2.. Penyearah ac dc asa Penyearah satu asa secara umum dalam perancangan DC power supply satu ase selalu diawali oleh proses penyearahan gelombang sehingga diperoleh bentuk gelombang searah. Umumnya menggunakan penyearah ullbridge atau model jembatan dimana dengan memasang 4 buah diode sebagai saklar atau switch untuk mengatur arah aliran gelombang ke output beban. Untuk menghitung besar tegangan DC output untuk ullwave yaitu : Sehingga Gambar4: Rangkaian ekivalen mode () 2.2.2. Saat Switch OFF Mode 2 dimulai pada saat S di o-kan pada t = t. Arus yang mengalir melalui Sw akan mengalir melalui L, C, beban, dan diode D. Arus induktor akan turun sampai transistor di on-kan kembali pada siklus lebih lanjut. Energi yang tersimpan pada induktor L dipindahkan ke beban. Gambar 5: Rangkaian Ekivalen Mode 2 Gambar: Rangkaian penyearah model jembatan Gambar2: Gelombang penyearah model jembatan 2.2. Boost konverter Gambar dibawah ini menunjukkan gambar rangkaian dasar Boost Konverter [7]. Dan ketika Sw di on-kan kembali maka arus pada induktor L akan meningkat dan energi yang tersimpan pada kapasitor C akan mengalir ke beban, sehingga aliran tegangan yang mengalir ke beban tidak akan pernah terputus / kontinyu. Sehingga tegangan rata-rata dari Boost Konverter dapat dirumuskan seperti dibawah ini: VS VO k t k t t dimana: Vo= Tegangan Output, V Vs = Tegangan Input, V k = Duty Cycle t = waktu untuk mode, detik t2 = waktu untuk mode 2, detik 2 (2) (3) Gambar3: Rangkaian Boost konverter Dimana S adalah saklar dapat berupa moset maupun MOSFET. Cara kerja Boost konverter dapat dibagi 2 yaitu saat ON (switch menutup) dan OFF ( saat switch membuka). 2.2.. Saat Switch ON Mode dimulai ketika S di on-kan pada t = 0. Arus masukan yang meningkat mengalir melalui induktor L dan Sw. Karena tegangan pada kapasitor masih 0 sehingga beban tidak mendapat suplai tegangan saat M pertama kali di on-kan. Gambar6: Gelombang arus pada induktor Boost Converter dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memerlukan trao. Karena memiliki buah transistor. Arus masukan kontinyu namun arus puncak yang tinggi mengalir melalui transistor. Tegangan keluaran sangat sensiti terhadap perubahan duty cycle k dan sangat sulit untuk menstabilkan regulator.
2.3. Battery Battery mampu mengubah tenaga kimia menjadi tenaga listrik. Dikenal dua jenis elemen yang merupakan sumber arus searah (DC) dari proses kimiawi, yaitu elemen primer dan elemen sekunder. Elemen primer terdiri dari elemen basah dan elemen kering. Reaksi kimia pada elemen primer yang menyebabkan elektron mengalir dari elektroda negati (katoda) ke elektroda positi (anoda) tidak dapat dibalik arahnya. Maka jika muatannya habis, maka elemen primer tidak dapat dimuati kembali dan memerlukan penggantian bahan pereaksinya (elemen kering). Pada penelitian ini digunakan Battery 24 V 36 AH. 2.4. Perancangan kontroller PI Fuzzy Langkah peyusunan PI Fuzzy adalah sebagai berikut : Fungsi keanggotaan untuk masukan uzzy adalah gabungan antara tipe trapezoid dan segitiga. Sedangkan ungsi keanggotaan keluaran menggunakan tipe singleton Metode yang digunakan untuk pengambilan keputusan adalah metode MAX-MIN. Metode yang digunakan untuk proses deuziikasi adalah COG (Center O Graity). Penggunaan Metoda ini untuk mempermudah dan mempercepat saat mengeksekusi program serta menghindari perhitungan secara integral untuk mencari titik tengah dari proses deuzzyikasi. Hasil dari proses tersebut digunakan untuk menentukan nilai pada P dan I ditentukan melalui rumus osilasi. Menentukan ungsi keanggotaan pada input error dan delta error Fungsi Keanggotaan pada Input Error Tabel.Fungsi Keanggotaan pada Input Delta Error -6-4 -2 0 2 4 6 Gambar 7 : Membership Function Error Tabel 2. Fungsi Keanggotaan pada Input Delta Error -3.8-2.5 -.2 0.2 2.5 3.8 Gambar 9: Membership Function Output Gambar 0: Rule base 3. METODE PENGONTROLAN Gambar : Blok diagram sistem Gambar 2: Bentuk tegangan dan arus yang diharapkan Tujuan paper ini adalah untuk memperoleh bentuk gelombang arus input yang sinusoida dan seasa terhadap tegangan input serta mempunyai arus input yang harmonisanya rendah. Hal ini di peroleh dengan memberikan arus input diskontinyu ac to dc converter satu asa dan arus induktor diskontinyu pada boost converter menggunakan metode CCM (Countinous Conduction Mode). Dengan menggunakan metode continous, untuk membuat bentuk gelombang arus mengikuti bentuk gelombang tegangan maka sensor arus dan tegangan menyensor dibagian input untuk dibandingkan yang selanjutnya akan dikontrol menggunkan PI uzzy. Control ini digunakan untuk mengatur arus yang masuk inductor pada boost converter dengan cara mengatur besar penyulutan pada MOSFET. Sehingga seolah menjadi beban resiti sehingga dapat mengurangi THD yang muncul pada sisi masukan dan menaikkan aktor daya. Gambar 8: Membership Function Delta_error Tabel 3. Fungsi Keanggotaan pada Output 0.069 0.296 0.53 0.8.03.23.44 Gambar 3: Metode Switching Arus Induktor pada Boost Konverter [8]
4. HASIL PENELITIAN MELALUI SIMULASI Sebagai bahan perbandingan dalam pengujian metode PFC ini, berikut adalah simulasi rangkaian penyearah biasa dengan Vin = 220V, ilter kapasitor 0uF dan beban battery 24V 36 AH Gambar 7: Rangkaian Boost Konverter Gambar 4: Rangkaian penyearah AC to Dc Gambar 20: Bentuk arus input THD=42.5% PF=0.92 Sedangkan pada hasil riil didapatkan Gambar 5: Bentuk arus input THD=34% PF=0.88 Sedangkan pada hasil riil didapatkan Gambar 2: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke Rangkaian converter ac-dc + boost converter + PIuzzy dengan beban battery 24 V 36 AH Gambar 6: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke Dan ketika disimulasikan dengan boost converter dengan parameter sebagai berikut : Vin = 220V = 50Hz s = 40KHz dengan menggunakan persamaan : V in (4) L Vout V V * in * * Vout V I L Q I (5) C. rms * D * T Cout V V O O Maka didapat nilai L=296,6μH dan C=.006mF Berikut adalah desain rangkaian penyearah dan boost converter. Gambar 22: Rangkaian PFC Gambar 23 : Bentuk arus input THD=3.79% PF=0,99
Sedangkan pada hasil riil didapatkan Gambar 24: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke 5. DATA HASIL PENGUJIAN Setelah dilakukan simulasi maka berikut adalah data THD dan power actor (PF) yang dihasilkan konverter AC to DC sebelum dan sesudah PFC. Tabel. Hasil simulasi rangkaian menggunakan Matlab Rangkaian Iin trao (A) P THD I Rectiier 0.24 0.63 32.5% Rectiier +Boost 3.3 0.83 50.2% Rectiier +Boost+Pi-Fuzzy 6.2 0.95 27.3% DAFTAR PUSTAKA [] Lander, Cyril W, Power Electronics third edition. London, McGRAW HILL International Edition, 993. [2] Rashid, Muhammad H, Power Electronics Handbook. Canada. ACADEMIC PRESS, 200. [3] Rochim, Saiul, Rancang bangun AC to DC semikonerter 3 asa dengan rekwensi rendah dengan control switching PID uzzy. Surabaya. PENS-ITS, 2006. [4] Prabowo, Gigih, Rectiiers (AC to DC Converters).pd, Surabaya. PENS-ITS, 2004. [5] Sunarno Epyk, Roiq N. Ainur dan Wahjono Endro, Desain Ac to Dc Semi Konveter Tiga Fasa dengan Harmonisa Rendah dan Faktor Daya Mendekati Unity Menggunakan Kontrol Switching PID Kontroler, Surabaya, PENS-ITS, 2006. [6] Roiq N. Ainur Desain Koreksi Power Faktor AC to DC Menggunakan Kontrol Switching Logika Fuzzy. IES 2003. [7] Eendi, Ir. Moh. Zaenal, Capter 3 DC to DC Converter. pd, 2007. [8] Garcia, Oscar Power Factor Correction In Single Pase Switching Converter Universidad Politécnica de Madridoscar@upmdie.upm.es SPAIN Hasil diatas (setelah PFC) akan semakin baik jika membership unction ditambah jumlahnya sehingga meningkatkan ketelitian dalam proses agar output semakin baik. 6. KESIMPULAN DAN SARAN Dari hasil percobaan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :. Pengisian accu dengan menggunakan rangkaian rectiier dengan ilter kapasitor menghasilkan PF 0.68 dan THD 32.5% 2. Pengisian accu dengan menggunakan rangkaian rectiier dengan boost converter menghasilkan PF naik menjadi 0.83 dan THD 50.2%. 3. Penambahan boost converter dapat digunakan untuk mengatur tegangan output namun menyebabkan THD arus menjadi sangat tinggi yang disebabkan oleh rekuensi switching. 4. Penggunaan boost sebagai PFC dengan metode CCM (countinous conduction mode) sebagai preregulator dapat menaikkan PF hingga 0.95 dan THD sebesar 27.3% sehingga eisiensi optimum dari pengisian accu dapat tercapai.