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

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

ANALISA, PERANCANGAN DAN SIMULASI RANGKAIAN PEREDAM RC PASIF PADA PENYALURAN SEDERHANA SISTEM TENAGA DC DENGAN MENGGUNAKAN PSPICE Cecilia Susilawati Dosen Jurusan Teknik Elektro – FTI, Universitas Trisakti Abstract The sub-system 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 (CPL), results in the converter tends to draw a constant power. This phenomena cause the input impedance of CPL 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 L-C filter and a CPL. A compensation method known as passive damping network containing only RC 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 small-scale power distribution system that contains constant power load with power level of 1kW. Keywords: Constant Power Load, DC – DC Converter, Passive Damping Circuit

1. 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, 1994: 763–763) adalah alasan digunakannya sistem ini

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

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, 1999: 926–932). 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 (CPL). 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 CPL berarti hal ini memiliki karakteristik hiperbola dari tegangan terhadap arus. CPL dapat dibuat sebagai sumber arus, yaitu i=P/v dimana v adalah tegangan masukkan dan P adalah daya keluaran. CPL dapat dibuat dengan menggunakan Analogue Behavior Model (ABM) menggunakan blok GVALUE pada simulasi Orcard PSpice. Untuk memastikan daya konstan, GVALUE digunakan sebagai Voltage Control Current Source (VCCS), yang akan menjaga arus konstan dengan mengatur tegangan pada jaringan tegangan DC. Model sederhana CPL ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar ini menunjukkan bahwa arus konstan didapat dari tegangan (v) dibagi oleh daya (P). Gambar 2. menunjukkan karakteristik CPL dengan tegangan input berbeda – beda dengan daya tetap 1 kW. Dengan meningkatnya tegangan input, arus turun seperti yang diduga, simbol dari impedansi dilambangkan dengan - RL.

18

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

V1

P

+

G1

W1 IN+

V

Out+

INOutGVALUE (V(W1)/V(V1))

-

Gambar 1. Blok Diagram CPL V1(V) 200 150 V1 (V) 100

50

0

0

50

100 I(G I(G1)(A) 1) (A)

150

200

Gambar 2. Karakteristik CPL Fenomena ketidakstabilan yang diakibatkan oleh interaksi filter LC dan CPL ditunjukkan pada sirkuit sederhana Gambar 3. pada berikut ini. Filter LC dan CPL dihubungkan ke sumber arus 270 Vdc. Nilai ini dipilih berdasarkan nilai yang umum digunakan. Tegangan input pengganggu V3 dengan besar 50 V diberikan. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 4. pada halaman berikut menunjukkan bahwa sebelum adanya pengganggu, tegangan V2 stabil pada 270 V. Saat tegangan pengganggu diberikan pada waktu simulasi 4 ms,

19

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

tegangan mengalami osilasi dan hal ini mengindikasikan ketidakstabilan sistem karena adanya interaksi dari impedansi negatif masukkan dari CPL dengan filter masukan. L1

1

2

V2

150 µH

V1

|

+

V+

270

-

1000 C1

+

G2

W1 IN+

300µF

Out+

INOutGVALUE (V(W1)/V(V1))

V3 -

VGambar 3. Filter LC dengan CPL

400

300

200

100 0s

10ms V(V2)

10ms

30ms

40ms 50ms Time

60ms

70ms

80ms

90ms

Gambar 4. Tegangan ketika tegangan input 50 V diberikan

20

100ms

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

2. Analisa Walaupun selalu ada peredam pada filter LC karena adanya komponen parasit seperti hambatan seri yang sama pada induktor, normalnya hal ini tidak akan cukup mempengaruhi ketidakstabilan. Diagram dengan memasukkan rangkaian peredam RC 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 LC dengan CPL dan jaringan peredam pasif Beban daya yang konstan (-RL) dihubungkan pada filter LC, dengan RC2 sebagai rangkaian peredam pasif. Hambatan total efektif dari rangkaian ini adalah: Reff =

 RR L R  RL

Untuk membuat sistem stabil maka perlu R << RL, hambatan peredam pasif R harus lebih kecil dari RL, sehingga hambatan total akan positif. Keluaran fungsi alih tegangan input pada Gambar 5. diberikan pada persamaan (1).

1  sC 2 R  Vc  Vs

LC1C 2 R 3

2  C1 R L

s  s  

 C 2 R L  C 2 R   C 2 RR L  L  1   s   C1C 2 RR L   LC1C 2 R L R  LC1C 2 R

(1)

Dengan menghitung bagian penyebut bagi persamaan (1) sama dengan nol, maka didapat persamaan (2).

21

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

s LC 1 R L  LC 2 R L   sL  R L 1 -R =  = 3 2 K s LC 1C 2 R L  s LC 2  sR L C 2 2

(2)

Persamaan (2) adalah plot root locus dimana nilai R dapat diatur sehingga dapat dicapai kestabilan. Hambatan R dengan nilai berbeda – beda ditunjukkan pada Gambar 6. Sumbu Real

Root Locus

500 400

RL = 30Ω 5Ω 1Ω

300 200

R = ∞Ω

0,6Ω 0,3Ω

100

R = 0Ω

0 -100

Increasing RL

-200 -300 -400 -500

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

1000

Sumbu Imajiner Gambar 6. Pergerakan kutub sistem dengan nilai RL yang berbeda. Parameter yang digunakan L=150μH, C1 = 300μF, C2 = 1,2mF dan 5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3Ω, 0,6Ω, 1Ω, 5Ω, 30Ω. Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243kW, 122kW,73kW, 14,6kW, 2,4kW, (

). Tegangan sumber adalah 270 V.

Parameter yang digunakan L = 150 μH, C1 = 300 μF, C2 = 1,2 mF dan 5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3 Ω, 0,6 Ω, 1 Ω, 5 Ω, 30 Ω. Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243 kW, 122 kW, 73 kW, 14,6 kW, 2,4 kW, (

22

). Tegangan sumber adalah 270 V.

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC 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 RL = 0,6 Ω ke atas. Dengan RL = 0,3 Ω sistem akan tetap stabil pada semua harga hambatan peredam. Hal ini menunjukkan limit dari kondisi stabil seperti yang telah disebut sebelumnya R
3. Perancangan Prosedur perancangan untuk mendapatkan rangkaian peredam pasif adalah berdasarkan persamaan 1. Karakteristik persamaan in difaktorisasi seperti pada persamaan 3. Dengan mengalikan persamaan (3) didapat persamaan (4).  1  2 1  RL  R  1   s   s  s  =0   C 2 R  C 2  R L R  LC 1  

(3)

L  RL  R  C RR   2 L 3 2  C1 R L  C 2 ( R L  R )  1 R    s s  s  = 0 (4)  LC 1C 2 R C1C 2 RR L LC 1C 2 R L R      

Dengan membandingkan persamaan (1) dan (4), tambahan S

LR L R

muncul. Untuk membuat persamaan (1) memiliki nilai: C2RRL >>

LR L R

maka C2 >>

L R2

(5)

Oleh karena itu, prosedur perancangan adalah untuk memilih R sehingga hambatan efektif pada bagian kuadrat persamaan (3) menghasilkan redaman dari kutub yang kompleks.

23

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

Kemudian C2 harus dipilih untuk meyakinkan persamaan (5) tercukupi sebagai contoh perancangan adalah menaruh kutup kompleks pada 45o (θ) pada bidang s, lalu besarnya bagian riil dan imaginer dari karakteristik persamaan kuadrat dari persamaan (3) harus sama. Nilai hambatan peredam R diberikan sebagai berikut: R=

R L LC1

(6)

LC1  2C1 RL

Dengan menggunakan persamaan orde 2, hambatan peredam dalam sudut θ dapat dinyatakan oleh persamaan (7). R=

R L LC1

(7)

2 cosC1 R L  LC1

Tabel 1. menunjukkan nilai – nilai dari R dan C2 dengan variasi θ. Hambatan beban RL yang digunakan adalah 72,9Ω (beban 1000 W yang umum) dengan sumber 270 V dan C1 = 150 μF. C2 didapat dari persamaan: C2 =

L C

2

Table 1. Parameter peredam RC dengan peletakan kutub yang berbeda. (o)

R(Ω)

C2(mF)

o

0

0,351

1,211

o

0,357

1,177

o

0,374

1,073

o

0,405

0,914

o

0,458

0,715

o

0,546

0,503

o

0,700

0,306

o

1,019

0,144

o

1,981

Sangat kecil

o

72,9

Sangat kecil

10 20 30 40 50 60 70 80 90

24

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

4. Hasil Diagram rangkaian untuk simulasi PSpice dengan rangkaian peredam RC pasif ditunjukkan Gambar 7. Semua nilai yang digunakan oleh masing–masing komponen telah ditunjukkan.

1

L1

2

V2

150 µH

V1

|

+

V+ R1

270

-

0.7Ω

{P} C1

+

300µF

V3 -

PARAMETERS: P

C2

1.2m

W 1

G2 IN+

Out+

INOutGVALUE (V(W1)/V(V2))

VGambar 7. Diagram rangkaian peredam RC, filter LC, dan CPL Rangkaian RC dinyatakan oleh R1 dan C2. Komponen sumber dan filter LC sudah dibahas pada bagian sebelumnya. Rangkaian peredam dipilih untuk membuat kutub kompleks sistem pada 60o terhadap sumbu kompleks. Harga dari hambatan peredam adalah 0,7 Ω dan kapasitor penghalang C2 adalah 1,2 mF. Standar tegangan step masukkan ditunjukkan sebagai V3. Tegangan transien +50V diberikan saat waktu simulasi 4ms dan pada saat waktu simulasi 14ms, transien dipindahkan. Hasil simulasi untuk bus tegangan untuk CPL 1 kW dan 50 kW ditunjukkan Gambar 8. pada berikut ini. Tegangan mengalami single overshoot dan kemudian diam pada steady state yang baru yaitu 208 V, ini menunjukkan keefektifan dari rangkaian peredam. Sistem ini diredam dengan baik pada daya rendah 1 kW dan mengalami sedikit osilasi ketika daya dinaikkan 50 kW.

25

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

360 V 50 KW

320 V

1 KW

280 V

240 V

200V

0s

2ms 4ms V(V2)

6ms

8ms

10ms

12ms Time

14ms

16ms 18ms

20ms

Gambar 8. Tegangan V2 hasil simulasi Keefektifan peredam pasif dapat dibuktikan lebih lanjut. Bila CPL dihubungkan dengan bus DC melalui sistem kabel yang panjang. Nilai komponen untuk perkabelan dapat digantikan oleh rangkaian seri RL. Gambar 9. R3-L3 adalah parameter kabel. C5 adalah kapasitor dekopling yang dihubungkan melewati CPL.

1

L2

V4

150 µH

V6

1

L3

V+ 5000 W3 IN+

C3 300µF

+ V7

2

100 µH

R2 0.7Ω

270

-

R3 0.5Ω

|

+

-

2

C4 1200µ

C5 100µF

G2 Out+

IN- OutGVALUE (V(W3)/V(V4))

VGambar 9. Diagram Rangkaian dengan perkabelan R-L dihubungkan

26

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

Hasil simulasi tegangan tanpa redaman pasif ditunjukkan Gambar 10. dengan daya CPL pada 5 kW dihubungkan. Waktu simulasi 200 ms, tegangan transien 10V diberikan pada saat 40ms dari simulasi. Ada beberapa respon osilasi pada tegangan. Fenomena yang sama dapat dilihat saat tegangan diturunkan -10 V pada waktu simulasi 260ms. Dengan adanya rangkaian peredam pasif, masalah pada interaksi perkabelan dan fenomena ketidakstabilan dapat diatasi. 300 V

280 V

260 V

240 V30ms

200ms

220ms

240ms

260ms Time

280ms

300ms

320ms

Gambar 10. Simulasi tegangan V2 tanpa peredam negatif Gambar 11. Merupakan simulasi tegangan V2 dengan peredaman negatif, tegangan transien 10 V diberikan saat waktu simulasi 200 ms selama 40 ms dan pada saat waktu simulasi 260 ms, tegangan transien -10V 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.

27

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

300 V

280 V

260 V

240 V 180ms 200ms V(V4)

220ms

240ms

260ms Time

280ms

300ms

320ms

Gambar 11. Simulasi tegangan V2 dengan peredam negatif 5. Kesimpulan Analisa, perancangan, teoritis dan simulasi rangkaian peredam RC diperiksa pada sistem sederhana yang terdiri dari filter LC dan daya beban yang konstan. Detail analisa dan perancangan dari komponen peredam untuk CPL pada 1 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 LC. Hasil simulasi juga membuktikan bahwa perancangan rangkaian peredam RC dapat diimplementasikan untuk daya CPL yang lebih tinggi yaitu 5 kW.

Daftar Pustaka 1. Gua, G.C., Tabisz, W.A, Leu, C. S.1994. Development of A DC Distributed Power System. IEEE Applied Power Electronics Conference. 2. Alfayyoumi, M., Nayfeh, A. H., Borojevic, D. 1999. Input Filter Interactions in DC-DC Switching Regulator. IEEE Power Electronic Specialists Conferences.

28