DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 1. Skema Buck Converter [5]... 7 Gambar 2. 2. Buck Converter: Saklar Tertutup [5]... 7 Gambar 2. 3. Buck Converter: Saklar Terbuka [5]... 8 Gambar 2. 4. Rangkaian Boost Converter [5]... 9 Gambar 2. 5. Rangkaian Buck-Boost Converter [12]... 10 Gambar 2. 6. Grafik PWM [11]... 11 Gambar 2. 7. Skema Kontrol Proporsional [12]... 12 Gambar 2. 10. Skema Kontrol Adaptif [8]... 13 Gambar 2. 11. Ilustrasi Induktansi Bersama... 16 Gambar 3. 1. Skema Kontrol Pengisian adaptif Proporsional 17 Gambar 3. 2. Flowchart Algoritma Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada Buck Converter... 18 Gambar 3. 3. Skema Metode Penelitian... 19 Gambar 3. 4. Rangkaian Sensor Daya... 21 Gambar 3. 5. Rangkain RLC pada Buck Converter... 22 Gambar 3. 6. Skema Sistem Dengan Gangguan Medan Magnet... 24 Gambar 4. 1. Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi nilai Induktor..27 Gambar 4. 2. Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 0.85 mh... 28 Gambar 4. 3. Perbandingan Respon Tegangan Output dari Buck Converter dengan Variasi Nilai Kapasitor dengan Nilai Induktor 3.25 mh... 28 Gambar 4. 4. Skema Rangkaian Buck Converter pada Project Board... 30 Gambar 4. 7. Karakterisasi Sensor Arus Input... 31 Gambar 4. 8. Karakterisasi Sensor Arus Output... 31 Gambar 4. 5. Karakterisasi Sensor Tegangan Input... 31 Gambar 4. 6. Karakterisasi Sensor Tegangan Output... 31 Gambar 4. 9. Sistem Buck Converter... 32 Gambar 4. 10. Pengujian Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet... 33 Gambar 4. 11. Sinyal Respon Daya Output dan Error dari Sistem Buck Converter Kontrol Adaptif Proporsional dengan Gangguan Medan Magnet... 34 Gambar 4. 12. Respon Duty Ratio Buck Converter Kontrol Proporsional Konvensional dengan Setpoint 3 Watt... 35 Gambar 4. 13. Pembesaran Respon Daya Output Buck Converter Kontrol Proporsional Konvensional... 35 Gambar 4. 14. Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal 0.061 µt... 37 Gambar 4. 15. Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal 0.092 µt... 37 Gambar 4. 16. Grafik Perubahan Kp dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebesar 0.061 µt... 38 x
Gambar 4. 17. Grafik Perubahan Kp dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebesar 0.092 µt... 38 Gambar 4. 18. Grafik Duty Ratio dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebasar 0.061 µt pada Sistem Buck Converter... 39 Gambar 4. 19. Grafik Duty Ratio dengan Gangguan Medan Magnet Eksternal Sebasar 0.092 µt pada Sistem Buck Converter... 39 Gambar 4. 20. Grafik Parameter Dahlin: a1, a2, dan b1 pada Sistem Buck Converter yang Diganggu Medan Magnet Eksternal Sebesar 0.061 µt... 40 Gambar 4. 21. Grafik Parameter Dahlin: a1, a2, dan b1 pada Sistem Buck Converter yang Diganggu Medan Magnet Eksternal Sebesar 0.092 µt... 40 Gambar 4. 22. Perbersaran Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan pada Sistem 0.061 µt... 41 Gambar 4. 23. Perbersaran Gambar Grafik Respon Daya Output Buck Converter dengan Gangguan pada Sistem 0.092 µt... 41 xi
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada saat ini gencar dilakukuan peralihan penggunaan sumber energi listrik, dari sumber energi berbahan dasar fosil ke sumber energi yang terbarukan [1]. Peralihan ini terjadi dikarenakan semakin menipisnya cadangan sumber energi yang berbahan dari bahan fosil dan faktor pencemaran lingkungan yang merupakan residu dari penggunaan bahan fosil sebagai sumber energi listrik [1]. Salah satu sumber energi terbarukan yaitu adalah mikrohidro, terlebih di Indonesia banyak tersebar jalur-jalur sungai yang memungkinkan untuk dibangunnya pembangkit listrik mikrohidro [1] [2] [3]. Umumnya energi listrik yang dihasilkan dari sumber energi terbarukan berjenis direct current (arus searah) [1]. Energi listrik yang dihasilkan oleh sumber energi terbarukan akan fluktuatif karena bergantung pada keadaan alam sekitarnya [1]. Dalam pengimplementasian pembangkit memungkinkan terjadinya beban yang berlebihan namun daya dari sumber tidak mencukupi sehingga diperlukan sumber lain untuk memenuhi kebutuhan daya dari beban listrik yang digunakan. Selain itu, mungkin juga terjadi daya berlebihan dari sumber sedangkan daya yang diperlukan oleh beban hanya sebagian yang dihasilkan oleh sumber, oleh sebab itu diperlukan daya untuk menampung daya yang tidak dipakai beban [1]. Pada pentransmisian listrik ke tempat penyimapanan energi atau dari baterai ke beban penggunaan listrik, umumnya dc-dc coverter digunakan untuk pengubah daya dengan merubah tegangan agar tegangan yang diterima baterai stabil karena pada baterai dan beban umumnya memiliki karakteristik tegangan dan daya pengisian tertentu yang perlu dijaga agar terjaga umur dari baterai atau beban yang digunakan [4]. Dc-dc converter ini memiliki beberapa jenis salah satunya adalah buck converter [4]. Buck converter merupakan konverter daya dc-dc yang berfungsi menurunkan tegangan (sementara meningkatkan arus) dari inputnya menuju beban. Konverter daya jenis ini menggunakan metode pensaklaran frekuensi tinggi yang menggunakan transistor dan dioda sebagai saklar, yang diatur dengan merubahrubah duty ratio [4] [5]. Dalam penggunaan buck converter ini diperlukan sebuah 1
perangkat pengontrol, berupa mikrokontroler dan algoritma kontroler yang berfungsi menentukan duty ratio yang tepat untuk menghasilkan tegangan dan daya tertentu [5]. Pada sistem ini pun dapat digunakan algoritma konvesional proporsional. Karena pada rangkaian buck converter jenis ini digunakan komponen induktor yang sensitif terhadap perubahan medan magnet disekitarnya, maka jika sistem buck converter yang sedang beroprasi pada area pembangkit mikrohidro memungkinkan terpapar induksi medan magnet dari generator, yang dapat menyebabkan kinerja dari konverter ini akan terganggu [3] [6] [7]. Jika hal tersebut terjadi mungkin saja tujuan daya yang sudah ditentukan untuk digunakan pada beban tidak akan tercapai. Maka dari itu diperlukan sebuah perlakuan agar buck converter dapat menjaga kinerja walaupun konverter terpapar oleh induksi medan magnet. Untuk menangkal medan magnet atau medan listrik secara fisik dapat digunakan sangkar Faraday yang diposisikan menyelimuti objek [14]. Walaupun demikian, objek yang dilindungi oleh sangkar Faraday mungkin saja tetap terpapar medan magnet karena hal-hal teknis. Oleh karena itu pada penelitian ini, untuk mengatasi gangguan medan magnet dari luar yang tidak dapat ditanggulangi sangkar Faraday dicoba menggunakan meteode Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional, metode kontrol ini memiliki konsep untuk beradaptasi terhadap kedaan lingkungan sekitarnya, dengan cara mengidentifkasi keadaan sistem setiap saat melalui algoritma matematis yaitu Recursive Least Square [8].. Dengan teridentifikasinya keadaan sistem setiap saat, maka kontroler akan memberikan konstanta penguatan yaitu kendali prorporsional yang diperlukan oleh sistem buck converter agar dapat mempertahankan tujuan nilai pentransfer daya ke beban [7] [8]. Dengan demikian tujuan daya yang sudah ditentukan dapat tercapai walau dipengaruhi oleh medan magnet eksternal 1.2. Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian Tugas Akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana pengaruh medan magnet eksternal mempengaruhi buck converter yang menggunakan metode kontrol proporsional? 2
2. Bagaimana Pengaruh Kontrol Adaptif Dahlin Proporsional pada buck converter yang dipengruhi medan magnet? 1.3. Tujuan Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh medan magnet eksternal mempengaruhi buck converter yang menggunakan metode kontrol proporsional. 2. Mengetahui pengaruh Kontrol Adaptif Proporsional pada buck converter yang dipengaruhi medan magnet. 1.4. Batasan Masalah Berkaitan dengan rumusan masalah diatas, maka fokus Tugas Akhir ini adalah untuk membangun Algoritma Kontrol Adaptif Proporsional untuk buck converter. Dengan demikian, beberapa batasan-batasan masalah perlu dirumuskan sebagai berikut: 1. Daya yang dihasilkan diasumsikan lebih besar dari daya yang dibutuhkan beban. 2. Pengaturan parameter tegangan output dari buck converter dengan cara merubah duty ratio. 3. Daya yang di transfer merupakan daya jenis DC. 4. Menggunakan kendali proporsional adaptif Dahlin. 5. Tidak mengkaji daya disipasi dari pengkabelan. 6. Tidak memperhitungkan fluktuasi dari sumber. 7. Tidak mengkaji efisiensi daya dari buck converter 1.5. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian Tugas Akhir ini adalah dapat membandingkan respon yang dihasilkan oleh buck converter menggunakan kontrol proporsional adaptif dengan respon yang digunakan dengan menggunakan metode kontrol proporsional konvensional. 1.6. Metodologi Penelitian Metodelogi yang akan dilakukan dalam penelitan tugas akhir ini adalah sebagai berikut: 3
1. Studi literatur Studi literatur dalam pengerjaan Tugas Akhir ini diperlukaan pemahaman untuk menentukan dan memperdalam metode yang akan digunakan. Sumber literatur didapat dari Jurnal Ilmiah, E-Book, dan Text Book. 2. Studi Lapangan Studi lapangan dalam penelitian Tugas Akhir ini untuk memperkuat pandangan-pandangan yang didapat dalam studi literatur. Studi lapangan ini didapat dilakukan dengan berkonsultasi dengan dengan orang-orang yang berpenganlaman dan berkompeten dibidang kontrol terlebih kontrol adaptif. 3.Perancangan Sistem dan Kalibrasi Desain perancangan sistem diperlukan dalam penelitian ini, karena dengan mendesain terlebih dahulu maka akan diketahui peralatan-perlatan dan komponen apa saja yang diperlukan. Selain itu, dengan mendesain terlebih dahulu akan mengurangi tingkat kesalahan dalam perancangan sistem sebenarnya. Setelah melakukan desain sistem, maka hal yang dilakukan adalah melakukan perancangan sistem. Pada bagian ini akan dilakukan integrasi peralatan-peralatan dan komponen-komponen yang diperlukan dalam tugas akhir ini. Akan tetapi, sebelum melakukan pengintegerasian, di perlukan pengkalibrasian sensor dan pengujian rangkian buck converter. yang digunakan.dalam penelitian ini sensor yang gunakan adalah sensor tegangan dan sensor arus. 4. Pengambilan Data dan Analisis Data Setelah perancangan alat maka tahap selanjutnya dalam penelitan ini adalah pengambilan data yang diperlukan dalam analisis sistem yang digukanan dalam tugas akhir ini. 5. Kesimpulan Setalah analisis data maka yang langkah terakhir dalam penelitian tugas akhir ini adalah penarikan kesimpulan. Kesimpulan didapat dari analisisanalisis yang telah dilakukan. 4
1.7. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan memiliki tujuan untuk menggambarkan secara umum dari penelitian yang akan dilakukan. Dalam penulisan tugas akhir ini terdiri dari lima bab, yaitu adalah: BAB 1 PENDAHULUAN Dalam bab ini menjelaskan tentang latar belakang, rumusan masalah, tujuan penelitian, batas masalah, manfaat penelitan, metodologi penelitian, serta sistematika penulisan. BAB 2 DASAR TEORI Bab ini berisi teori-teori yang mendukung penelitian ini seperti Pulse Width Modulation (PWM), DC-DC Converter, Kontrol PID, Kontrol Adaptif. BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN Pada bab ini akan menjelaskan alur penelitan yang akan dilakukan dan pemilihan perangkat dalam penelitan. BAB 4 HASIL PENGUKURAN DAN ANALISIS DATA Bab ini berisi pemaparan data-data yang didapat dari beberapa uji coba yang dilakukan serta analisis dari data-data tersebut. BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN Bab ini berisi kesimpulan yang didapat dari penelitan tugas akhir yang telah dilakukan dan saran untuk pengembangan penelitian selanjutnya. 5
BAB 2 DASAR TEORI 2.1. Sumber dan Kegunaan Listrik DC (Direct Current) Istilah DC digunakan untuk merujuk pada sistem tenaga yang menggunakan satu polaritas tegangan, arus, dan pada frekuensi nol yang konstan, atau dapat dikatakan variasi yang sangat kecil dalam tegangan dan arus [9]. Arus DC digunakan untuk mengisi baterai dan juga sebagai sumber daya bagi hampir semua sistem elektronik. Arus besar dengan kekuatan besar juga digunakan untuk produksi aluminium dan proses elektrokimia lainnya [9]. Arus DC juga digunakan untuk beberapa penggerak kereta api, terutama di daerah perkotaan. Saat ini semakin banyak sumber tenaga listrik yang menghasilkan arus searah seperti panel surya dan generator DC yang biasanya digunakan pada turbin angin dan pembangkit listrik mikrohidro [9]. 2.2. DC-DC Converter Teknologi catu daya adalah teknologi yang membantu kita untuk membangun dan mengoprasikan rangkaian dan sistem elektronik. Semua rangkaian elektronik, baik analog dan digital memerlukan sumber daya. Banyak sistem elektronik membutuhkan suplai tegangan DC. Sebuah suplai tegangan DC biasanya diperoleh dari baterai atau sumber AC yang nantinya akan ditransformasi, disearahkan dan difilter. Hasil dari sumber DC tidak cukup stabil dan banyak memiliki ripple yang tidak baik hamper untuk semua aplikasi. Untuk itu Voltage Regulator digunakan agar tegangan dc lebih stabil dan menurukan atenuasi ripple [4]. DC-DC Converter merupkan sebuah Voltage Regulator yang bekerja dalam mode pensaklaran. Jenis ini lebih efisien dibandingkan regulator tegangan linier dengan sebab daya yang dihasilan regulator tegangan jenis ini hanya sedikit menghasilkan daya disipasi [4]. Fungsi alat ini adalah mengkonversi bentuk daya elektrik dc (searah) menjadi bentuk daya elektrik dc yang lainnya. Secara umum ada dua rangkaian dasar konverter dc-dc yaitu buck converter dan boost converter. 6
2.2.1. Buck Converter Buck conveter merupakan tipe dari konverter dc-dc konverter ini berfungsi menurunkan tegangan dc menjadi tegangan dc lain yang lebih [4]. Rangkaian converter ini terdiri dari MOSFET yang digunakan untuk pengontrol saklar, sebuah diode, induktor dan rangkaian filter yang terdiri dari kapasitor dan resistor beban. Buck converter menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) sebagai sinyal pensaklaran untuk menentukan lama waktu pensaklaran hidup dan mati [4]. Gambar 2. 1. Skema Buck Converter [5] Pada buck converter terdapat dua state kerja, yaitu pada saat saklar tertutup atau pada saat mosfet berada pada daerah saturasi dan pada saat saklar terbuka atau pada saat mosfet berada pada daerah cut-off. Gambar 2. 2. Buck Converter: Saklar Tertutup [5] Pada saat saklar tertutup arus mengalir menuju induktor dan pada saat yang sama dioda berada pada kondisi reverse bias sehingga energi akan tersimpan pada induktor. Pada kondisi ini tegangan pada induktor adalah sebagai berikut [5]: = =. (1) = (2) 7
Tingkat perubahan arus induktor adalah konstan, hal ini menunjukkan arus pada induktor meningkat secara liner. Persamaan sebelumnya dapat dinyatakan sebagai berikut [4]: = ( ) = (3) il pada saat saklar tertutup adalah ( ) = (4) Gambar 2. 3. Buck Converter: Saklar Terbuka [5] Pada saat saklar terbuka arus pada induktor tidak dapat berubah secara instan, sehingga dioda berada pada keadaan forward bias dan menyebabkan arus mengalir menuju resistor dan kapasitor. Pada kondisi ini tegangan pada induktor adalah sebagai berikut [4]: = =. (5) = (6) Tingkat perubahan arus adalah konstan, sehingga persamaan sebelumnya dapat dinyatakan sebagai berikut [4]: = ( ) = (7) il pada saat saklar terbuka adalah ( ) = ( ) (8) Dengan menggunakan persamaan (17) dan (21) maka didapatkan hubungan antara tegangan masukan dan keluaran pada buck-boost converter adalah sebagai berikut [4]: ( ) + ( ) = 0 (9) 8
= (10) Dalam persamaan diatas ini masing-masing Vo, Vi, dan D adalah teganga output, tegangan input, dan duty ratio yang merupakan perbandingan periode saat saklar on dengan periode saklar melakunan satu gelombang (on-off). Selain mengkonversi tegangan masukan dc menjadi lebih rendah konverter ini juga sekaligus akan meningkatkan nilai arus [5]. 2.2.2. Boost Converter Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan [4]. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Skema konverter jenis ini dapat dilihat pada gambar 2.3, dimana komponen utamanya terdiri atas MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor. Jika saklar MOSFET pada kondisi tertutup, arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar MOSFET terbuka, arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati diode sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Keunggulan dari converter boost adalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontinu [10]. Gambar 2. 4. Rangkaian Boost Converter [5] Karena arus masukan konverter dapat dijaga kontinu, pada saat konverter ini diserikan dengan penyearah dioda, konverter ini tidak menimbulkan harmonisa pada arus sumber penyearah dioda. Atau dengan kata lain, arus sumber mempunyai bentuk gelombang mendekati sinusoidal dengan faktor daya sama dengan satu. = (11) 9
Persamaan diatas merupakan persamaan untuk menentukan tegangan output dari Boost Converter. Dalam persamaan ini nilai tegangan output akan bergantung pada variabel Vi yang merupakan tegangan input dan D merupakan nilai PWM yang diberikan kepada MOSFET sebagai saklar elektronik [10]. 2.2.3. Buck-Boost Converter Konverter buck-boost merupakan gabungan dari kedua fungsi konverter tipe buck dan boost. Dengan demikan menggunakan konverter jenis ini akan dapat mengatur keluaran tegangan yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya [4]. Skema konverter tipe ini dapat dilihat pada Gambar 2.4. Rangkaian kontrol daya penyaklaran akan memberikan sinyal ON-OFF kepada MOSFET. Untuk kondisi MOSFET OFF maka arus akan mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Ketika MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Inilah yang mengakibatkan topologi ini bisa menghasilkan nilai rata-rata tegangan keluaran bisa lebih tinggi maupun lebih rendah daripada tegangan sumbernya [10]. Gambar 2. 5. Rangkaian Buck-Boost Converter [12] Masalah utama dari konverter buck-boost adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi. Adapun yang perlu diperhatikan juga disini adalah tegangan keluaran konverter buck-boost bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan [4] [10]. = (12) 10
Persamaan diatas merupakan persamaan untuk menentukan tegangan output dari konverter tipe buck-boost. Dalam persamaan ini nilai tegangan output akan bergantung pada variabel Vi yang merupakan tegangan input dan D merupakan nilai PWM yang diberikan kepada MOSFET sebagai saklar elektronik [4]. 2.3. Constan Voltage Metode Constant Voltage (CV) merupakan metode yang paling sederhana yang dapat digunakan dalam implementasi converter dc-dc [4]. Metode CV ini memerlukan input berupa tegangan dan arus dari sumber sebagai parameter objek yang akan memanipulasi nilai output tegangan pada konverter dc-dc dengan cara merubah nilai duty ratio sehingga nilai tegangan output dapat berubah [4]. 2.4. PWM (Pulse Width Modulation) Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam suatu perioda, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa Contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya [11]. Keuntungan menggunakan teknologi PWM sebagai berikut [11]: 1. Mudah dalam implementasi dan pengendaliannya 2. Cocok digunakan dengan menggunakan mikroprosesor 3. Mengurangi disipasi daya 4. Mengontrol linier kontrol amplitude dari output tegangan atauarus dari keadaan sebelumnya Gambar 2. 6. Grafik PWM [11] 11