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
