DESAIN BATTERY CHARGER DENGAN EFFISIENSI OPTIMUM MENGGUNAKAN KONTROL PI-Fuzzy Ainur Rofiq Nansur1, Epyk Sunarno2 , Ayusta Lukita Wardani 3 1
Jurusan Elektro Industri PENS-ITS, Surabaya 60111, Email:
[email protected] 2 Jurusan Elektro Industri PENS-ITS PENS-ITS, Surabaya 60111, Email: 3 Elektro Industri PENS-ITS PENS-ITS, Surabaya 60111, 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 sefase dengan tegangan input sehingga menyebabkan faktor daya rendah dan meningkatnya kandungan harmonisa yang mempengaruhi lama waktu pengisian accu dan menyebabkan induktor dan transformator sangat panas. Disebabkan oleh penggunaan penyearah ac to dc 1 fasa. 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-fuzzy. Sehingga seolah-olah penyearah menyuplai beban resistif. Maka arus input memiliki bentuk gelombang yang sama menyerupai bentuk gelombang tegangan input. Sehingga meningkatkan Pf dan menurunkan THD agar effisiensi pengisian accu optimum. Hal ini dapat dilihat dari simulasi pada batere 24V 36Ah dengan dengan rangkaian rectifier dengan filter kapasitor, rectifier dan boost converter kemudian rectifier 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 faktor , harmonisa, CCM, PI-Fuzzy 1.
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 sefase dengan tegangan input sehingga menyebabkan faktor daya rendah dan meningkatnya kandungan harmonisa yang mempengaruhi lama waktu pengisian accu dan menyebabkan induktor dan transformator sangat panas. Hal ini diakibatkan oleh penggunaan penyearah ac to dc 1 fasa.Faktor daya menjadi turun dapat disebabkan pergeseran sudut antara tegangan dan arus. Effisiensi tergantung pada faktor daya dan THD. Jadi apabila dapat memperbaiki bentuk gelombang arus masukkan maka dapat memperbaiki faktor daya dan harmonisa sehingga dapat meningkatkan effiseinsi. Beberapa cara untuk memperbaiki faktor 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 sefase dengannya. Dengan cara mengatur arus inductor yang masuk pada boost converter dengan mengubah-ubah duty cycle pada penyulutan menggunakan PI-fuzzy. Penggunaan boost selain digunakan untuk menaikkan tegangan DC, juga digunakan untuk memperbaiki power faktor. 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 sefasa tegangan input serta mempunyai efisiensi tinggi, ini diperoleh dengan cara mengatur penyulutan pada boost converter sesuai dengan perubahan bentuk arus masukan. Sehingga seolah-olah penyearah menyuplai beban resistif. 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
2.1. Penyearah ac dc 1 fasa Penyearah satu fasa secara umum dalam perancangan DC power supply satu fase selalu diawali oleh proses penyearahan gelombang sehingga diperoleh bentuk gelombang searah. Umumnya menggunakan penyearah fullbridge 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 fullwave yaitu :
Gambar4: Rangkaian ekivalen mode 1 Sehingga
(1) 2.2.2. Saat Switch OFF
Mode 2 dimulai pada saat S1 di off-kan pada t = t1. 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
Gambar1: Rangkaian penyearah model jembatan
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 1 k t k 1 t1 t 2
VO
Gambar2: Gelombang penyearah model jembatan
2.2. Boost konverter Gambar dibawah ini menunjukkan gambar rangkaian dasar Boost Konverter [7].
(2) (3)
dimana: Vo= Tegangan Output, V Vs = Tegangan Input, V k = Duty Cycle t1 = waktu untuk mode 1, detik t2 = waktu untuk mode 2, detik
Gambar3: Rangkaian Boost konverter Dimana S adalah saklar dapat berupa mosfet maupun MOSFET. Cara kerja Boost konverter dapat dibagi 2 yaitu saat ON (switch menutup) dan OFF ( saat switch membuka). 2.2.1. Saat Switch ON
Mode 1 dimulai ketika S1 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 M1 pertama kali di on-kan.
Gambar6: Gelombang arus pada induktor
Boost Converter dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memerlukan trafo. Karena memiliki 1 buah transistor . Arus masukan kontinyu namun arus puncak yang tinggi mengalir melalui transistor. Tegangan keluaran sangat sensitif 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 negatif (katoda) ke elektroda positif (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 fuzzy adalah gabungan antara tipe trapezoid dan segitiga. Sedangkan fungsi keanggotaan keluaran menggunakan tipe singleton Metode yang digunakan untuk pengambilan keputusan adalah metode MAX-MIN. Metode yang digunakan untuk proses defuzifikasi adalah COG (Center Of Grafity). Penggunaan Metoda ini untuk mempermudah dan mempercepat saat mengeksekusi program serta menghindari perhitungan secara integral untuk mencari titik tengah dari proses defuzzyfikasi. •
Hasil dari proses tersebut digunakan untuk menentukan nilai pada P dan I ditentukan melalui rumus osilasi.
Menentukan fungsi keanggotaan pada input error dan delta error Fungsi Keanggotaan pada Input Error Tabel 1.Fungsi Keanggotaan pada Input Delta Error NB -6
NM -4
NS -2
Z 0
PS 2
PM 4
PB 6
Gambar 7 : Membership Function Error Tabel 2. Fungsi Keanggotaan pada Input Delta Error NB -3.8
NM -2.5
NS -1.2
Z 0
PS 1.2
PM 2.5
PB 3.8
Gambar 9: Membership Function Output
Gambar 10: Rule base 3.
METODE PENGONTROLAN
Gambar 11 : Blok diagram sistem
Gambar 12: Bentuk tegangan dan arus yang diharapkan
Tujuan paper ini adalah untuk memperoleh bentuk gelombang arus input yang sinusoida dan sefasa terhadap tegangan input serta mempunyai arus input yang harmonisanya rendah. Hal ini di peroleh dengan memberikan arus input diskontinyu ac to dc converter satu fasa 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 fuzzy. Control ini digunakan untuk mengatur arus yang masuk inductor pada boost converter dengan cara mengatur besar penyulutan pada MOSFET. Sehingga seolah menjadi beban resitif sehingga dapat mengurangi THD yang muncul pada sisi masukan dan menaikkan faktor daya.
Gambar 8: Membership Function Delta_error Tabel 3. Fungsi Keanggotaan pada Output NB 0.069
NM 0.296
NS 0.53
Z 0.8
PS 1.03
PM 1.23
PB 1.44
Gambar 13: 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, filter kapasitor 10uF dan beban battery 24V 36 AH Gambar 17: Rangkaian Boost Konverter
Gambar 20: Bentuk arus input
THD=42.5% PF=0.92 Gambar 14: Rangkaian penyearah AC to Dc
Sedangkan pada hasil riil didapatkan
Gambar 15: Bentuk arus input
THD=34% PF=0.88
Gambar 21: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke Meter 41
Sedangkan pada hasil riil didapatkan Rangkaian converter ac-dc + boost converter + PIfuzzy dengan beban battery 24 V 36 AH
Gambar 16: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke Meter 41
Dan ketika disimulasikan dengan boost converter dengan parameter sebagai berikut : Vin = 220V f = 50Hz fs = 40KHz dengan menggunakan persamaan : Vin 1 1 (4) * L * V V V * V V I f L out I C .rms * D * T Q VO VO f
C out
out
f
Gambar 22: Rangkaian PFC
in
(5)
Maka didapat nilai L=296,61μH dan C=1.006mF Berikut adalah desain rangkaian penyearah dan boost converter.
Gambar 23 : Bentuk arus input
THD=3.79% PF=0,99
Sedangkan pada hasil riil didapatkan
DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
[4] [5]
Gambar 24: Data Pengukuran Meter Digital Power Fluke Meter 41
5. DATA HASIL PENGUJIAN Setelah dilakukan simulasi maka berikut adalah data THD dan power factor (PF) yang dihasilkan konverter AC to DC sebelum dan sesudah PFC.
[6] [7] [8]
Tabel 1. Hasil simulasi rangkaian menggunakan Matlab
Rangkaian Rectifier Rectifier +Boost Rectifier +Boost+Pi-Fuzzy
Iintrafo (A) 0.24 3.13 6.12
Pf 0.63 0.83 0.95
THD I 32.5% 50.2% 27.3%
Hasil diatas (setelah PFC) akan semakin baik jika membership function ditambah jumlahnya sehingga meningkatkan ketelitian dalam proses agar output semakin baik. 6.
KESIMPULAN DAN SARAN
Dari hasil percobaan dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Pengisian accu dengan menggunakan rangkaian rectifier dengan filter kapasitor menghasilkan PF 0.68 dan THD 32.5% 2. Pengisian accu dengan menggunakan rangkaian rectifier 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 frekuensi 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 effisiensi optimum dari pengisian accu dapat tercapai.
Lander, Cyril W, ”Power Electronics” third edition. London, McGRAW HILL International Edition, 1993. Rashid, Muhammad H, ”Power Electronics Handbook”. Canada. ACADEMIC PRESS, 2001. Rochim, Saiful, “Rancang bangun AC to DC semikonferter 3 fasa dengan frekwensi rendah dengan control switching PID fuzzy”. Surabaya. PENS-ITS, 2006. Prabowo, Gigih, “Rectifiers (AC to DC Converters).pdf”, Surabaya. PENS-ITS, 2004. Sunarno Epyk, Rofiq 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. Rofiq N. Ainur “ Desain Koreksi Power Faktor AC to DC Menggunakan Kontrol Switching Logika Fuzzy”. IES 2003. Effendi, Ir. Moh. Zaenal ,”Capter 3 DC to DC Converter . pdf”, 2007. Garcia, Oscar “Power Factor Correction In Single Pfase Switching Converter” Universidad Politécnica de
[email protected] SPAIN
