JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6
1
KONVERTER KY INVERSE BIDIRECTIONAL SEBAGAI PENCATU DAYA KENDARAAN LISTRIK Maya Saphira Citraningrum, Dedet C.Riawan dan Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected]
Abstrakβ Konverter KY merupakan jenis dc-dc konverter yang dapat menurunkan atau menaikkan tegangan output. Konverter ini dapat diterapkan untuk mencatu motor DC penguatan terpisah sebagai penggerak mobil listrik. Tugas akhir ini membahas konverter KY inverse bidirectional sebagai pencatu daya kendaraan listrik. Dengan menggunakan dua mode, mode buck dan boost konverter KY dapat bekerja dua arah/bidirectional. Pada saat mode boost, konverter menaikkan tegangan dari baterai menuju ke motor sedangkan ketika mode buck, konverter menurunkan tegangan dari motor DC penguatan terpisah yang berubah sementara menjadi generator menuju ke baterai. Sistem penyalaan konverter KY didesain menggunakan Pulse Width Modulation (PWM) dengan kecepatan mobil sebagai referensi pengaturan. Hasil simulasi sistem keseluruhan, yang berupa konverter KY inverse dan motor DC penguatan terpisah, menunjukkan bahwa konverter dan kontrol PWM mampu mengendalikan kecepatan mobil dengan baik. Kata Kunciβ konverter KY inverse bidirectional, motor DC penguatan terpisah, mode buck-boost I. PENDAHULUAN erusakan lingkungan semakin lama semakin meningkat, utamanya pencemaran udara. Semakin lama pencemaran udara yang di akibatkan oleh kendaraan bermotor semakin meningkat. Solusi untuk mengurangi pencemaraan udara pada perkotaan yang padat penduduk yaitu dengan menggunakan kendaraan listrik sebagai sarana transportasi. Penggunaan kendaraan listrik lebih banyak diminati karena memiliki sifat ramah lingkungan. Kendaraan listrik menggunakan motor listrik sebagai penggeraknya salah satunya dengan menggunakan motor dc penguatan terpisah. Kendaraan listrik mendapatkan tenaga dari listrik yang disimpan di dalam baterai dan tenaga awalnya berasal dari sumber luar. Daya yang disimpan dalam baterai kemudian digunakan untuk menggerakkan motor listrik. Akan tetapi biasanya tegangan baterai lebih kecil dibandingkan dengan tegangan pada motor. Saat kendaraan berjalan baterai berfungsi mensuplai daya untuk menggerakkan motor. Sedangkan saat kendaraan dalam kondisi pengereman, motor berubah menjadi generator sehingga daya disuplai dari motor untuk mengisi baterai. Hal ini menyebabkan perlu adanya
K
komponen tambahan untuk menaikkan tegangan yang berasal dari baterai ke motor dan menurunkan tegangan dari motor ke baterai. Salah satu komponen yang dapat digunakan adalah konverter KY inverse dengan pengaturan bidirectional. II. PENGEMUDIAN MOTOR DC MENGGUNAKAN KONVERTER KY INVERSE BIDIRECTIONAL A. Konverter KY Inverse Bidirectional pada Motor DC Penguatan Terpisah
L S3 Cb S2
C
Motor DC
Baterai S1
Motor dc penguatan terpisah
Gambar 1 Rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah Pada gambar 1 merupakan rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah. Rangkaian tersebut tersusun atas tiga pasang mosfet, sebuah baterai, dua buah kapasitor, sebuah inductor dan, motor dc penguatan terpisah. Baterai dihubungkan langsung dengan konverter KY inverse bidirectional dan motor DC penguatan terpisah. Pada rangkaian diatas konverter tersebut dirancang sesuai dengan motor yang digunakan yaitu 240 V dan bekerja dua arah/bidirectional dimana tegangan pada output konverter dijaga konstan dengan menggunakan kontrol tegangan. B. Spesifikasi Baterai Pada tugas akhir ini membutuhkan sebuah baterai dengan spesifikasi seperti pada Tabel 1 : Tabel 1. Parameter Baterai Parameter Nilai Tegangan Nominal 180 V Rated Capacity 12.5 Ah
JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6 Konverter tersebut hanya dapat menaikkan tegangan maksimal dua kali tegangan inputnya sehingga baterai yang digunakan memiliki nilai tegangan 180 V supaya output dari konverter sesuai dengan rating tegangan motor yaitu 240 V. Bila tegangan baterai lebih kecil dari 180 V maka output dari converter tersebut tidak akan mencapai rating motornya yaitu 240V. Tipe baterai yang digunakan yaitu Lithium-Ion dan kapasitas rata-rata dari baterai tersebut sebesar 12.5 Ah.
2
πΏπΏ
ππππ
ππππ
= π£π£ππ β π£π£ππ ππππππ πΆπΆ
πππ£π£ππ ππππ
= πππΏπΏ β ππππ β
L
π£π£ππ
β¦β¦..(3)
π
π
1
S3
Cb
DC
DC
S2 C1
Dari tabel tersebut daya tahan baterai dapat diperkirakan yaitu ππππππππππππ ππππππππ = ππππππππππππππππππ π₯π₯ π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ ππππππππππππππ ππππππππππππ ππππππππ = 12.5 π₯π₯ 180 ππππππππππππ ππππππππ = 2250 ππππππππ β βππππππππ
C2 R2
R1
β¦..(1)
Bila baterai digunakan 80% maka daya tahan baterai tersebut; ππππππππ π‘π‘π‘π‘βππππ ππππππππππππππ = 2250 ππππππππ β βππππππππ π₯π₯ 80 % β¦..(2) ππππππππ π‘π‘π‘π‘βππππ ππππππππππππππ = 1800 ππππππ
S1
Gambar 3 Rangkaian konverter KY mode buck saat saklar S2 off [3]
C. Desain konverter KY Inverse Bidirectional S3
L DC
Cb
DC
S2 C1
C2 R2
R1
S1
Gambar 4 Sinyal kontrol mode buck saat S2 Off dan S1 dan S3 On Mode Buck ketika Saklar S2 On Pada saat saklar S2 dalam keadaan on , saklar S1 dan S3 dalam keadaan off maka tegangan yang melewati induktor adalah selisih dari tegangan input dan dua kali tegangan output . Pada kapasitor (C1) akan mengalir arus yang sama dengan arus induktor dikurangi dengan arus yang melewati resistor (R1).
[2]
Gambar 2 Rangkaian konverter KY inverse bidirectional [3] Pada Gambar 2 menunjukkan desain rangkaian konverter KY inverse bidirectional. Desain rangkaian konverter tersebut dirancang sesuai dengan motor yang digunakan yaitu motor dc penguatan terpisah dengan tegangan input = 240 V, torsi = 30Hp dan kecepatan = 1750 rpm. Rangkaian diatas tersusun atas tiga buah mosfet, tiga buah kapasitor, dua buah sumber tegangan dc dan dua buah reisistor. Konverter KY adalah salah satu jenis dc to dc konverter yang berfungsi untuk mengubah suatu tegangan dc menjadi tegangan dc yang lain dengan cara dinaikkan. Pada tugas akhir ini konverter KY tidak hanya dapat menaikkan tegangan namun juga menurunkan tegangan atau beroperasi dua arah (bidirectional) dengan menggunakan mode buck dan mode boost.
πΏπΏ
ππππ
ππππ
= π£π£ππ β 2π£π£ππ ππππππ πΆπΆ L
DC
πππ£π£ππ ππππ
= πππΏπΏ β
π£π£ππ
π
π
1
β¦β¦..(4) S3
Cb
DC
S2 C1
C2 R2
R1
a) Mode Buck Mode Buck ketika Saklar S2 Off Ketika saklar S2 dalam keadaan off , saklar S1 dan S3 dalam keadaan on maka tegangan yang melewati induktor adalah selisih dari tegangan input dan tegangan output. Pada kapasitor (C1) akan mengalir arus yang sama dengan arus induktor (πππΏπΏ )dikurangi arus kapasitor (ππππ ) kembali mengalami pengurangan ketika melewati beban R1.
[1]
S1
Gambar 5 Rangkaian konverter KY mode buck saat saklar S2 on[3]
JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6
3
Mode Boost ketika Saklar S2 On Pada saat saklar S2 dalam keadaan on, saklar S1 dan S3 dalam keadaan off. Tegangan yang melewati inductor adalah selisih dari tegangan output dan dua kali tegangan input. Arus yang melewati kapasitor (C2) berlawanan arah dengan arus yang melewati induktor (L) sehingga bernilai negatif (βπππΏπΏ ) kemudian mengalami pengurangan sebesar arus yang mengalir pada resistor (R2) seperti pada gambar 9. [2]
Gambar 6 Sinyal kontrol mode buck saat S2 On dan S1 dan S3 Off
πΏπΏ
Sehingga, tegangan input dan output dapat dari persamaan (3) dan (4) dituliskan sebagai berikut : ππππ ππππ
=
1
ππππ
ππππ
= π£π£ππ β 2π£π£ππ ππππππ πΆπΆ L
DC
πππ£π£ππ ππππ
= βπππΏπΏ β
π£π£ππ
π
π
2
β¦β¦..(7) S3
Cb
DC
S2
β¦β¦..(5)
2βπ·π·
C1
C2 R2
b) Mode Boost [1] Mode Boost ketika Saklar S2 Off Saat saklar S2 dalam keadaan off , saklar S1 dan S3 dalam keadaan on. Tegangan yang melewati induktor adalah selisih dari tegangan output dan tegangan input. Arus yang melewati kapasitor (C2) sama dengan arus induktor memiliki nilai negatif (βπππΏπΏ ). Arus yang melewati induktor (L) sama dengan arus negatif (βπππΏπΏ ) dikurangi arus yang mengalir pada resistor (R2) seperti pada gambar 7. πΏπΏ
ππππ
ππππ
= π£π£ππ β π£π£ππ ππππππ πΆπΆ L
DC
πππ£π£ππ ππππ
= βπππΏπΏ β
π£π£ππ
π
π
2
R1
S1
Gambar 9 Rangkaian konverter KY mode boost saat saklar S2 on [3]
β¦β¦..(6) S3
Cb
DC
S2 C1
C2 R2
R1
S1
Gambar 7 Rangkaian konverter KY mode boost saat saklar S2 off [3]
Gambar 8 Sinyal kontrol mode boost saat S2 Off dan S1 dan S3 On
Gambar 10 Sinyal kontrol mode boost saat S2 On dan S1 dan S3 Off Sehingga, tegangan input dan output dari persamaan (6) dan (7) dapat dituliskan sebagai berikut : ππππ = 1 + π·π· β¦β¦..(8) ππππ
D. Desain Rangkaian Kontrol Kecepatan Konverter KY Inverse Bidirectional Pada pengaturan kecepatan, sinyal referensi yang digunakan didapat dari sinyal kecepatan dengan nilai nominal dari motor. Kecepatan aktual dari motor tersebut di bandingkan dengan sinyal kecepatan pada blok summary. Setelah dibandingkan kontroler PI akan mengolah sinyal tersebut yang memiliki nilai error kecil yang akan dibatasi oleh saturation yaitu hanya bernilai antara 0 sampai 1. Error tersebut akan dibandingkan dengan sinyal gigi gergaji, dimana bila nilai error lebih tinggi dari sinyal gigi gergaji maka output dari rangkaian kontrol tersebut bernilai 1 atau ON. Jika
JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6 error lebih kecil dari nilai sinyal gigi gergaji maka output dari rangkaian tersebut bernilai 0 atau OFF. Kecepatan referensi 183
4 Gambar 12 Pemodelan rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah dengan torsi nominal berupa step
kontroler
+ -
PI
saturasi
Saklar S1
Feedback kecepatan Sinyal gigi gergaji
komparator Saklar S3
Saklar S2
NOT
Gambar 11 Rangkaian Kontrol Konverter KY Inverse Bidirectional Pada gambar 11 diatas, output dari rangkaian kontrol dibagi menjadi tiga. Tiga output rangkaian kontrol tersebut digunakan untuk mengontrol tiga saklar mosfet pada konverter yaitu S1,S2 dan S3. Saklar S1 dan S3 bekerja secara bersamaan sedangkan saklar S2 bekerja sendiri dengan menggunakan logika NOT. E. Spesifikasi Motor DC Penguatan Terpisah Pada tugas akhir ini jenis motor dc yang digunakan adalah motor dc penguatan terpisah karena lebih mudah dalam mengontrol kecepatannya. Motor dc penguatan terpisah yang digunakan memiliki tegangan 240 V dan torsi 30 HP Parameter motor dc penguatan terpisah selengkapnya dapat dilihat pada tabel 2: Tabel 2. Spesifikasi Motor DC Penguatan Terpisah Parameter Nilai Daya 30 HP Tegangan 240 V Kecepatan 1750 rpm Resistansi jangkar 0.2275 ohm Induktansi jangkar 0.002866 H Resistansi medan 102.3 ohm Induktansi medan 20.82 H Inersia 0.1239 Kgm2 Induktansi mutual 0.401 H
Pada gambar 12 di atas, motor dc penguatan terpisah dihubungkan konverter KY inverse bidirectional dan baterai dengan tegangan 180 V. Rangkaian tersebut dikontrol oleh kontrol kecepatan sehingga kecepatan motor akan tetap. Motor diberi torsi beban nominal. Motor dc penguatan teerpisah ini kumparan medan yang disuplai oleh sumber lain selain baterai. Pada simulasi diatas kumparan medan diberi suplai oleh sumber tegangan dc. Untuk mencari nilai torsi nominal pada rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah ini yaitu nilai daya beban motor di bagi dengan kecepatan motor. π·π·π·π·π·π·π·π· = π·π·π·π·π·π·π·π· (ππππππππππ π»π»π»π») π₯π₯ 746 π·π·π·π·π·π·π·π· = 30 βππππ 746 π·π·π·π·π·π·π·π· = 22.38 πΎπΎπΎπΎ π·π·π·π·π·π·π·π· ππππππππππ ππππππππππππππ = ππππππππππ ππππππππππππππ =
ππππππππππππππππππ
β¦β¦..(9)
β¦β¦..(10)
22.38πΎπΎπΎπΎ 1750 π₯π₯
2ππ 60
ππππππππππ ππππππππππππππ = 122 ππππ
Pada saat mobil listrik berjalan normal, keadaan baterai menyuplai motor (motoring) dengan step waktu 0 sampai 4 dengan torsi nominal 122 Nm, output pada motor tersebut memiliki kecepatan sebesar 174.6 rad/sec, torsi elektrik 126.2 Nm seperti pada gambar 1. Kecepatan dan torsi pada hasil simulasi diatas tidak sama persis seperti hasil perhitungan dan torsi beban yang diberikan karena terdapat rugi-rugi pada motor tersebut seperti gambar 14. Pada saat keadaan motor menyuplai baterai (generating) yang artinya mobil listrik mengaalami pengeremansehingga torsi elektrik bernilai negatif. Dengan step waktu 4 sampai 6 detik hasil simulasi pada motor yaitu kecepatan pada motor bernilai 174.6 rad/sec, dan torsi elektrik sebesar -118.7 Nm seperti gambar 14.
III. SIMULASI DAN ANALISIS A. Simulasi Konverter KY Inverse Bidirectional pada Motor DC Penguatan Terpisah dengan Torsi Nominal
Gambar 13 Torsi beban mobil listrik pada pemodelan matlab
JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6
(a)
Gambar 15 Hasil simulasi torsi elektrik dengan torsi bervariasi
(b) Gambar 14 Hasil simulasi motoring dan generating (a) kecepatan motor (b) torsi elektrik B. Simulasi Konverter KY Inverse Bidirectional pada Motor DC Penguatan Terpisah dengan Torsi Beban Bervariasi Bila mobil listrik melewati jalan yang berkelok, torsi beban pada motor tersebut berbeda-beda sesuai jalan yang dilewati. Dengan kecepatan motor yang dijaga konstan dengan kontrol kecepatan. Mobil listrik memiliki kecepatan yang tetap meskipun berjalan menanjak atau menurun. Bila mobil berjalan pada jalan yang lurus torsi beban pada mobil tersebut bernilai 122 Nm dan kecepatan tetap, sedangkan bila mobil tersebut berjalan menanjak maka torsi beban akan semakin besar yaitu 150 Nm dan kecepatan tetap. Jika mobil berjalan menurun maka torsi memiliki nilai yang berlawanan arah yaitu -122 Nm kecepatannya pun akan tetap seperti pada gambar 15 dan tabel 3. Tabel 3. Torsi Beban Bervariasi dan Kecepatan konstan Torsi (T) Kecepatan Daya(P) (Nm) (rpm) (kW) 122 150 122 -122
1750 1750 1750 1750
5
C. Simulasi Konverter KY Inverse Bidirectional pada Motor DC Penguatan Terpisah dengan Kecepatan Bervariasi Ketika mobil listrik berjalan dengan kecepatan yang bervariasi dalam jarak 5 km setiap km mobil akan berjalan dengan kecepatan yang berbeda dengan daya yang tetap seperti pada tabel 4. Tabel 4 Kecepatan bervariasi dalam 5 km/jam Kecepatan Daya (P) Torsi Jarak Kelajua (Ο) (kW) (T) (km) n(v) (rad/sec) (Nm) (km/ja m) 183 22.38 122 1 183 200 22.38 111 1 200 183 22.38 122 1 183 150 22.38 -149 1 150 183 22.38 122 1 183 Untuk menghitung kelajuan maka menggunakan persamaan sebagai berikut : π£π£ = ππππππππππππππππππ οΏ½
ππππππ π π π π π π
οΏ½ π₯π₯ ππππππππππ
β¦β¦..(11)
Apabila mobil listrik berjalan dengan kecepatan nominal maka torsi yang dihasilkan akan bernilai nominal. Kecepatan mobil listrik akan bertambah dari nilai nominalnya, torsinya pun lebih kecil daripada nilai nominalnya. Pada saat mobil listrik mengalami pengereman maka kecepatan motor tersebut akan berkurang dan torsi yang dihasilkan akan bernilai negatif seperti pada gambar 16 dan tabel 4.
22.38 36.65 22.38 22.38
Gambar 16 Hasil simulasi torsi elektrik dengan kecepatan bervariasi
JURNAL TEKNIK ELEKTRO FTI-ITS VOL.1, No.1, (2013) 1-6 D. Simulasi Konverter KY Inverse Bidirectional pada Motor DC Penguatan Terpisah dengan Satu Saklar Konverter on
Gambar 17 Pemodelan rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah dengan satu saklar pada konveter yang on dan kecepatan bervariasi Pada gambar 17 diatas menunjukkan pada bagian converter mobil listrik hanya saklar S3 yang bekerja sedangkan S2 dan S1 tidak bekerja. Pada saat mobil listrik berjalan sesuai dengan kecepatan ratingnya maka nilai torsi elektrik pada motor dc tersebut juga sesuai dengan nilai nominalnya. Ketika mobil listrik berjalan sesuai dengan kecepatan melebihi ratingnya maka nilai torsi elektrik akan lebih kecil dari nilai nominalnya. Sebaliknya, bila mobil listrik berjalan pelan atau kecepatan lebih kecil dari nilai nominalnya maka torsi elektrik akan lebih besar dari nilai nominalnya. Kecepatan dan torsi memiliki hubungan yang berbanding terbalik. Bila torsi bernilai besar maka kecepatannya akan turun dan sebaiknya jika torsi bernilai kecil maka kecepatannya akan naik seperti pada gambar 18.
6
IV. KESIMPULAN Pada tugas akhir ini dibuat desain dan dilakukan simulasi konverter KY inverse bidirectional pada motor dc penguatan terpisah untuk aplikasi mobil listrik 1. Konverter KY inverse dapat bekerja bidirectional/ dua arah untuk mengatur kecepatan mesin DC ketika bekerja sebagai motor maupun ketika mengalami pengereman sehingga bekerja sebagai generator. 2. Hasil simulasi didapatkan yaitu a)Pada saat mobil listrik berjalan normal, keadaan baterai menyuplai motor (motoring) dengan kecepatan 1750 rpm torsi yang dihasilkan sebesar 122 Nm. Ketika mobil listrik mengalami pengereman, keadaan motor menyuplai baterai (generating) dengan kecepatan yang konstan yaitu 1750 rpm torsi yang dihasilkan sebesar -122 Nm. b) Torsi beban lebih besar dari nominalnya yaitu 122 Nm sebagai contoh 150 Nm dengan kecepatan yang tetap yaitu 1750 rpm maka daya yang dibutuhkan adalah 36.65 kW yang lebih besar dari daya saat torsi nominal yaitu 22.38 kW. c)Ketika kecepatan kurang dari kecepatan nominalnya yaitu 183 rad/sec sebagai contoh 150 rad/sec, torsi yang dihasilkan yaitu -100 Nm kurang dari torsi nominalnya yaitu 122 Nm dan kelajuannya pun kecil. d) Saat salah satu konverter on, jika kecepatan lebih besar dari kecepatan nominalnya yaitu 183 rad/sec sebagai contoh 200 rad/sec maka torsi yang dihasilkan adalah 111 Nm yang lebih kecil dari torsi nominalnya yaitu 122 Nm.
[1] [2] [3]
[4] (a)
[5] [6] [7] [8]
(b) Gambar 18 Hasil simulasi rangkaian konverter KY inverse bidirectional pada motor DC penguatan terpisah dengan satu saklar konverter on (a) kecepatan motor (b) torsi elektrik
DAFTAR PUSTAKA Miley John & Sons.,β Electric Vehicle Technology Explainedβ, England.2003. http://indone5ia.wordpress.com/2011/09/02/sekilasmengenai-konverter-dc-dc/ Hwu K.I and Chen C.H.,βBidirectional Control Of Inverse KY Converterβ, IEEE Trans. Ind. Appl, 5-8 July,2009. http://www.flixya.com/files-photo/a/f/d/afdilni2399161.jpg http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/21583/ 3/Chapter%20II.pdf http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/21583/ 3/Chapter%20II.pdf Hwu K.I and Tau Y.T.βA novel Voltage-boosting Converter: KY Converter β, IEEE , 2007. Chapman, Sephen J,βElectric Machinery fundamental 4th edβ,New York, America, 2005
