Download ABSTRAK - Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

RANCANG BANGUN PENSTABIL TEGANGAN PADA GENERATOR SINKRON 3 PHASE AKIBAT
FLUKTUASI BEBAN DENGAN METODE PI - FUZZY LOGIC CONTROLLER
David Chandra Septianto, Ainur Rofiq Nansur2,Endro Wahjono3
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Industri, 2,3 Dosen PENS-ITS
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111
Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114
e-mail: [email protected]
1
ABSTRAK
Tegangan yang kontinyu pada suatu sistem baik skala kecil, menengah, ataupun besar sangat diperlukan,
untuk menjaga kestabilan tersebut diperlukan suatu kontrol yang handal pada sistem AVR (automatic voltage
regulator) pada generator. Dengan kondisi beban yang berubah-ubah maka tegangan yang di bangkitkan oleh
generator akan mengalami perubahan, hal ini yang tidak diinginkan pada sistem pembangkit, untuk mengatasi
kondisi yang demikian diperlukan pengaturan penguatan (eksitasi) pada generator. Penyearah yang digunakan
pada rangkaian penguatan menggunakan penyerah semi-terkontrol penuh 1 fasa dengan menggunakan rangkaian
penyulutan IC TCA 785 yang digunakan untuk mengatur besarnya teganagn keluaran penyearah sesuai dengan sepoint tegangan. Untuk mengendalikan besarnya penyulutan IC TCA 785 diperlukan pengaturan, yaitu dengan
menggunakan metode PI-FUZZY Logic Controller. Dengan menggunakan metode kontrol PI-FUZZY kestabilan
tegangan akan tetap terjaga pada tegangan set-point 380 Volt, sehingga kerugian daya dapat ditekan, mengurangi
kerusakan, umur lebih panjang, peralatan pada beban efisien dan lebih ekonomis. Diharapkan dengan pembuatan
alat ini dapat mempermudah untuk menjaga tegangan keluaran generator tetap konstan.
Kata kunci : Penyearah Semi Terkontrol 1Fasa , Eksitasi, PI-FUZZY Controller
sebagai kontrol alat ini adalah PI-FUZZY logic
controller.
1.
PENDAHULUAN
Generator merupakan alat penghasil
tenaga listrik yang dihasilkan dari perubahan
energi gerak menjadi energi listrik. Dimana
tenaga listrik tersebut digunakan sebagai sumber
tegangan untuk menyuplai beban, baik beban
tetap
maupun beban berubah. Dimana
perubahan beban tersebut memberikan efek yang
dapat mempengaruhi tegangan keluran dari
generator.
Perubahan tegangan keluaran generator
dipengaruhi oleh perubahan arus eksitasi pada
kumparan medan. Yang mana nantinya tegangan
keluaran generator akan berubah seiring
perubahan arus eksitasi pada kumparan medan.
Oleh karena itu di buat suatu alat yang bisa
digunakan untuk menaikkan atau menurunkan
arus eksitasi generator, sehinggga tegangan
keluaran generator akan tetap konstan meskipun
dalam keadaan beban tetap maupun beban
berubah. Alat ini dinamakan AVR (Automatic
Voltage Regulator). Metode yang digunakan
KONFIGURASI SISTEM
Gambaran umum dari prinsip kerja
penstabil tegangan rancang bangun penstabil
tegangan pada generator sinkron 3 phase akibat
fluktuasi beban dengan PI – FUZZY ditunjukkan
pada gambar 3.1.
2.
PLN
Mikro
kontroler
DAC
TCA 785
AC-DC
KONVERTER
GENERATOR
LOAD
SENSOR
TEGANGAN
Gambar 2.1 Konfigurasi Sistem
Sistem pengoperasian pada rangkaian
kontroler ini relatif mudah, karena set point
1
telah
ditentukan
sejak
awal,
maka
mikrokontroler
akan
mengolah
serta
menghasilkan sinyal output yang berupa sinyal
digital. Namun karena sistem pada rangkaian
tersebut hanya dapat beroperasi pada sinyal
analog maka sinyal tersebut dikonversikan
menjadi sinyal analog dengan menggunakan
rangkaian DAC. Dengan demikian rangkaian
pembangkit pulsa dapat melakukan penyulutan
SCR pada rangkaian semikonvereter.
Dari penyulutan SCR pada rangkaian
semikonnverter tersebut, maka dihasilkan sebuah
tegangan untuk eksitasi generator. Dari tegangan
keluaran generator dideteksi oleh rangkaian
sensor
tegangan
yang
dihubungkan
mikrokontroler sebagai feedback, Dengan
demikian kita dapat mengetahui tegangan
keluaran generator, apakah sesuai dengan nilai
setpoint atau belum.
2.1.1 DAC ( Digital Analog Converter )
Seperti pada sistem pengaturan tegangan
eksitasi dari generator AC, D/A konverter
mengubah setiap konfigurasi logika input digital
kedalam tegangan analog output dengan
perbandingan tertentu. Jenis DAC yang
digunakan adalah jenis R-2R.
R-2R dapat memiliki 8 bit input yang
sesuai sehingga dapat dihubungkan secara
langsung. Range tegangan output dari DAC
dapat diatur sesuai dengan rangkaian op-amp
sesuai kebutuhan.
Proses
konversi
pada
prinsipnya
menggunakan metode resistor pembagi tegangan
atau bisa disebut R-2R ladder, dimana tegangan
outputnya akan memiliki nilai yang presisi.
Struktur dasar terdiri dari resistor pembagi
tegangan dan dikuatkan oleh rangkaian
Operasional Amplifier, seperti pada Gambar
berikut :
2.1 PERENCANAAN LETAK KOMPONEN
Secara garis besar sistem rangkaian ini
terdiri atas dua bagian, yaitu: bagian yang
berhubungan dengan daya tegangan dengan
arus yang besar serta rangkaian yang
berhubungan dengan daya tegangan dengan
arus yang kecil, dimana dalam rangkaian ini
adalah merupakan rangkaian kontrol. Setiap
komponen memiliki jenis karakteristik yang
berbeda-beda terutama pada nilai temperatur
atau suhu. Oleh karena itu operasi dari
rangkaian semikonverter tersebut akan
bergantung pada suhu yang mendisipasikan
panas yang ditimbulkan oleh arus yang
melewati SCR. Sehingga pada rating arus yang
besar, panas yang ditimbulkan bisa mencapai
harga yang tinggi.
Dari hal tersebut, maka perlu diperhatikan
faktor-faktor yang dapat menurunkan kerja
atau fungsi dari masing-masing rangkaian.
Perencanaan letak dari rangkaian kontrol sudut
penyulutan diletakkan secara terpisah dengan
rangkaian yang tergolong pada sistem kerja
daya yang tinggi. Dengan demikian metode
perencanaan letak komnponen seperti ini dapat
meningkatkan faktor keamanan dari masingmasing rangkaian.
D0
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
2R
2R
2R
R
2R
R
2R
R
2R
R
2R
R
2R
R
2R
R
Vout
GND
Gambar 2.2 : Rangkaian R-2R LADDER
2.1.1 RANGKAIAN DRIVER IC TCA 785
Rangkaian driver berfungsi sebagai
pembangkit pulsa dari rangkaian Ac to Dc
Semiconverter 1Φ, pengaturan Ac to Dc semi
converter terletak pada potensiometer yang akan
dikontrol melalui rangkaian DAC. Pengontrolan
dengan menggunakan IC TCA 785 akan
diperoleh keuntungan sebagai berikut :
1. Penetapan titik nol lebih pasti
2. Pengaturan sudut penyulutan dari 0°-120°
3. Daerah pemakaian yang lebih luas
4. Arus kerja yang relatif kecil 250 sampai
dengan 400mA
5. Tegangan kerja 15 Volt
6. Dapat digunakan untuk kontrol tiga phasa
(3Φ)
2
Untuk penyearah gelombang 1Ф yang
terkontrol, karena input dari tegangan jala-jala
mempunyai beda fase 180° maka dibutuhkan
pulsa penyalaan yang mempunyai beda phase
180° untuk setiap siklus tegangan positif dan
negatif. Hal ini dapat diatasi dengan cara
mengambil tegangan input dari singkronisasi
IC diatas ( terdapat pada kaki no 5 ).
Rangkaian pembangkit pulsa untuk penyearah
1Ф gelombang penuh dapat dilihat pada
Gambar 2.3 berikut ini dengan menggunakan
IC TCA785.
Gambar 2.4 Rangkaian Semikonverter
PENGUJIAN DAN ANALISA
3.1. Pengujian ADC ( Analog to Digital
Converter )
Dalam pengujian program ADC dan
DAC bertujuan untuk mencoba program
pengambilan data melalui ADC dan
ketelitian program ADC tersebut untuk
mengkonversi data analog menjadi data
digital. Pengujian ini dilakukan dengan
cara memberikan masukan pada ADC
internal mikrokontroler ATmega16
pada channel nol berupa tegangan
analog dengan nilai maksimal sama
dengan Vreff yaitu sebesar 5 Volt DC.
Tegangan analog berasal dari keluaran
sensor tegangan
menggunakan
rangkaian potensiometer yang berfungsi
untuk mengatur level tegangan analog
yang masuk ke Port ADC channel 0.
2.
Gambar 2.3 konfigurasi IC TCA785
2.1.3 AC TO DC SEMI CONVERTER 1Φ
Ac to Dc Semiconverter 1Φ dirancang
untuk bekerja sebagai penyearah gelombang
terkontrol yang akan menyearahkan tegangan
sumber satu phasa untuk mensuplai motor dc
penguat terpisah. Rangkaian Ac to Dc
Semiconverter 1Φ membentuk jembatan
penyearah dengan dua buah komponen SCR dan
dua buah dioda yang terpasang secara
berseberangan.
Dalam menentukan pemasangan sumber
tegangan bolak–balik, perlu diperhatikan
pemasangan SCR yang bekerja pada daerah
siklus tegangan input yang sama, karena bila
tidak sesuai maka rangkaian semiconverter
tersebut tidak dapat bekerja. Dalam pemasangan
SCR1 dan Dioda4 yang dipasang secara seri
dihubungkan pada sumber 1Φ, sedangkan SCR3
dan Dioda4 yang terpasang secara seri
dihubungkan dengan pada phasa netral. Seperti
yang terdapat pada Gambar 2.4.
Tabel 3.1 Hasil pengujian ADC ( Analog to
Digital Converter )
3
No
Teg.
Input ADC (volt)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
20
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
4.75
Output ADC
Dec.
Teg.
(volt)
0.00
0.00
25
0.49
50
0.98
76
1.49
102
2.00
128
2.51
151
2.98
178
3.49
204
4.00
227
4.45
255
4.98
243
4.76
Grafik ADC
5
V
I
n
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
Vo
Gambar 3.1 Grafik Hasil pengujian ADC
3.2 Pengujian DAC ( Digital to Analog
Converter )
Pengujian DAC bertujuan untuk
mengkonversi data digital dari mikrokontroller
menjadi data analaog sebagai input dari
TCA785. Tegangan keluaran dari DAC dengan
range 0 – 5V dikuatkan 3x menjadi 0 – 15V,
penguatan tegangan DAC ini bertujuan untuk
memperoleh tegangan yang sesuai sebagai input
Input
DAC
Tegangan Output
Teori
( Volt )
0000 0000
Tegangan
Output
Praktek
( Volt )
0
0000 0001
0.06
0.0588
0000 0011
0.18
0.1764
0000 0111
0.42
0.4116
0000 1111
0.88
0.882
0001 1111
1.82
1.8228
0011 1111
3.71
3.7044
0111 1111
7.46
7.4676
Gambar 3.2 Rangkaian R-2R
Grafik DAC tanpa penguatan
V
o
u
t
0
p
r
a
k
t
e
k
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
V_out Teori
Gambar 3.3 Grafik DAC Tanpa Penguatan
Dari grafik diatas dapat kita ketahui
bahwa tegangan output secara teori linier
terhadap data tegangan output secata praktek, hal
ini menunjukkan bahwa rangkaian sudah bisa
bekerja dengan baik.
1111 1111
15.05
15
IC TCA785. Pada tabel 3.2 menunjukkan data
hasil pengujian DAC
dengan penguatan
Tabel 3.2 Hasil pengujian DAC Tanpa
Penguatan
.
4
Grafik DAC dengan penguatan 3x
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
BEB
AN
Vout
Generat
or
Arus
Eksita
si
Time
(S)
(Vac)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
v_out teori
Gambar 3.4 Grafik DAC Dengan Penguatan
3.3 Pengujian Rangkaian Keseluruhan
Pada pengujian ini dilakukan pengujian
plant secara close loop, dimana pada percobaan
ini tegangan output diharapkan dapat tetap
konstan pada saat beban berubah, perubahan
tegangan tersebut harus berubah secara otomatis
sesuai dengan program yang ada pada alat
tersebut. Beban yang digunakan pada percobaan
ini yaitu RL load 3 fasa dengan memakai 5x step
yang mempunyai daya maksimum 1,435Kw.
Pada tabel 4.4.1 akan ditampilkan data dari hasil
pengujian secara closeloop dengan range beban
mulai dari 0x step sampai 5x step.
Vout
Eksitasi
DAYA
(W)
(Vdc)
Arus
Beban
(A)
(A)
1
378,5
2.08
1,26
51
0,3
196,67
2
378
3.58
1,28
52
0,75
491,04
3
377,4
4.47
1,3
53
1,25
817,1
4
377,6
1.42
1,325
55
1,7
1110
5
377,6
3.86
1,35
55
2,2
1435
4
376,9
1.66
1,32
55
1,67
1097
3
377,8
2.89
1,29
52
1.26
823,2
2
377,8
2.24
1,25
51,9
0.73
488,1
1
379,1
2.14
1,25
51,9
0.32
200,1
0
381
1.11
1,2
51
0
0
5
Grafik respon tegangan output
beban 196,67 W
o
u
V t
p
0 …
Tabel 3.3. Tabel Hasil Pengujian Closeloop
0
6 Respon Tegangan output Tanpa
Beban
5
TimeSampling(ms)
10
Gambar 3.6 Pengujian Tegangan Output Beban
196,67 W
4o
u
2t
V
p
0u
t0
6
O
4u
t
V 2
p
0u
t 0
-2
5
10
15
TimeSampling
(ms)
Gambar 3.5 Pengujian Tegangan Output tanpa
Beban
Grafik respon tegangan output
beban 491,04 W
5
10
15
TimeSampling (ms)
Gambar 3.7 Pengujian Tegangan Output Beban
491,04 W
5
Grafik Respon tegangan output
beban 817,1 W
4
3.
3 o
u
2 t
V
1 p
u
0 t
0 1 2 3TimeSampling
4 5 6 7 8 9 101112131415
(ms)
4.
Gambar 3.8 Pengujian Tegangan Output Beban
817,1 W
5.
Grafik Respon tegangan output
6
beban 1.11 KW
o
6.
4u
v
t
p
0…
2
7.
0 1 2 TimeSampling
3 4 5 6 7 8 (ms)
9 10 11 12 13
Gambar 3.9 Pengujian Tegangan Output Beban
1,11Kw
back dari sistem sangat mempengaruhi
proses kalkulasi sinyal kontrol.
Hasil dari proses pengontrolan sangat
bergantung pada kualitas dari sensor
tegangan, hal ini dikarenakan nilai feed
back/present value dari sistem sangat
mempengaruhi proses kalkulasi sinyal
kontrol.
Pada saat generator dijalankan pada
tegangan 380 volt dan diberi beban
sebesar 0,8 A tegangan generator turun,
namun setelah kontrol PI-FUZZY
diberikan generator berupaya kembali
menuju setting point meskipun terjadi
overshoot saat optimalisasi.
Proses kalibrasi data pada ADC dan DAC
serta penguatan tegangan yang diberikan
sangat menentukan performa dari sistem.
Pada kontrol PI-FUZZY sangat sensitif
terhadap ganguan atau noise sehingga
mudah sekali berubah-ubdah dalam
menetukan parameter
Mempunyai kemampuan mengakuisisi
pengetahuan walaupun dalam kondisi ada
gangguan dan ketidakpastian.
3.5 Saran
Dengan pengaturan arus medan tersebut
diharapkan agar dapat mengoptimalkan kerja
dari generator 3Ф dengan energi (arus)
seminimal mungkin atau tetap menjaga supaya
kecepatan pada motor tetap konstan dan juga
dengan pengaturan pada arus torsi diharapkan
mampu memperbaiki overshoot pada saat start
awal. Untuk pengembangan lebih lanjut
hendaknya perlu diperhatikan hal-hal sebagai
berikut :
1. Pada proses kontrol diperlukan suatu sensor
dengan performa yang baik, sehingga dapat
memberikan respon yang baik pula. Untuk
pengembangan lebih lanjut penulis
berharap
digunakan
sensor
dengan
performa yang baik dan stabil.
2. Pada proses kontrol diperlukan suatu sensor
dengan performa yang baik, sehingga dapat
memberikan respon yang baik pula. Untuk
pengembangan lebih lanjut penulis
berharap
digunakan
sensor
dengan
performa yang baik dan stabil.
3. AC-DC Converter memiliki kemampuan
yang baik untuk melakukan proses kontrol
dengan tingkat ketelitian dan kecepatan
yang tinggi. Pada proyek akhir ini performa
AC-DC Converter sudah cukup baik,
namun masih perlu dikembangkan pada sisi
Grafik Respon tegangan output
beban 1.435 Kw
6
o
4u
2t
V
p
0
u
-2 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516
Timesampling (ms)
Gambar 3.10 Pengujian Tegangan Output
Beban 1.435 Kw
3.4 KESIMPULAN
Dari perencanaan dan pembuatan sistem
kemudian dilakukan pengujian software dan
beberapa analisa dari metode yang digunakan
ternyata dapat disimpulkan beberapa hal sebagai
berikut :
1.
Pada uji coba generator sinkron 3
keadaan open loop apabila dibebani
tegangan akan semakin menurun seiring
penambahan beban.
2.
Hasil dari proses pengontrolan sangat
bergantung pada kualitas dari sensor
tegangan, hal ini dikarenakan nilai feed
6
teknik pemrograman AC-DC karena hal
tersebut sangat berpengaruh pada performa
sisitem secara keseluruhan.
3.6 DAFTAR PUSTAKA
[1.] Sumanto,MA, “Mesin Arus Searah”,
Andi Offset, Yogyakarta, 2001
[2.] D. Petruzella, Frank, ”Elektronik
Industri”, Andik, Yogyakarta, 2001
[3.] Susanto, A.T., ”Implementasi Buck
Converter Dan Sensor Hall Effect
Pada Kursi Roda Elektrik Delengkapi
Dengan Autobreak System Berbasis
Fuzzy Logic Controller” Tugas Akhir,
Politeknik
Elektronika
Negeri
Surabaya, 2007
[4.] D.kaehler, Steven, ”FUZZY LOGICAN INTRODUCTION”
[5.] Sudjarwadi, Y. D., ”Aplikasi
Pengendali Logika Fuzzy Pada Sistem
Permukaan
Air
Berbasis
Mikrokontroler AT89C51”, Tugas
Akhir, Universitas Gadjah Mada,
Yogyakarta, 2002
[6.] Hudallah, N., ”Kendali Logika Fuzzy
Untuk Mengatur Kecepatan Motor DC
Tinjauan Pada Pengaruh Penalaan
Fungsi
Keanggotaan”,
Thesis,
Universitas
Gadjah
Mada,
Yogyakarta, 2002
[7.] Oghata Katsuhiko, ”Modern Control
Engineering”,
Practice
Hall
International, 2002
[8.] Chairuzzani dkk, ”Kontroler”, Penerbit
Erlangga, 1998
7