RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN DOUBLE SERIES BUCK BOOST CONVERTER UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA (Sub Judul : Regulator Tegangan) Aditya Wika M1, Ir Moh Zaenal Efendi MT2 Mahasiswa Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia1* Dosen Pembimbing, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia2
[email protected]
ABSTRAK Pada peralatan-peralatan elektronika memerlukan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. Konsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus menjadi tidak rata atau terdistorsi. Oleh sebab itu dewasa ini banyak dikembangkan dan diteliti bentuk-bentuk baru dari konverter perbaikan faktor daya yang mempunyai kemampuan yang baik, seperti faktor daya tinggi, dan harmonisa yang rendah. Pada proyek akhir ini jenis dc-dc konverter yang akan diaplikasikan sebagai regulator tegangan output adalah jenis converter buck-boost. Regulator diperlukan agar tegangan keluaran dari sistem stabil dan sesuai dengan set point. Agar rangkaian buck-boost dapat digunakan sebagai regulator tegangan maka harus bekerja pada kondisi kontinyu. Pada proyek akhir ini digunakan PI kontroler untuk menjaga kesetabilan dari tegangan output sehingga perubahan dari tegangan input maupun perubahan beban tidak menyebabkan perubahan yang signifikan dari tegangan output. Tegangan yang keluar dari regulator ini berada pada kisaran 18,5 volt dengan kesalahan maksimal 1,06%. Pada pengujian akhir integrasi alat diperoleh faktor daya sebesar 0,98 dan DPF 0,99 dengan daya output sebesar 12,5 Watt. Sudah terjadi perbaikan dari penyearah konvensional yang memiliki faktor daya 0,82 menjadi 0,9. Kata Kunci : Buck-Boost Converter, regulator tegangan, PI kontroler
ABSTRACT In the electronic devices usually require a source of DC power supply generated from the rectifier diode. The consequences of the rectifier causes the current waveform becomes uneven or distorted. Therefore, nowdays many people develope new forms of power factor improvement converter that has a good ability, such as high power factor and low harmonics. At this final project the type of dc-dc converter that will be applied as a voltage regulator output is buck boost converter. Regulator is required to output voltage of the system is stable and in accordance with the set point. In order for buck boost circuit can be used as a voltage regulator then it should work in continuous mode. In this final project PI controller is used to maintain the stability of the output voltage although the change of the input voltage or the change of load do not cause a significant change of the output voltage. The voltage that comes out of the regulator is in the range of 18.5 volts with a maximum error 1.06%. In the end of the tool integration testing obtained power factor is 0,98, DPF is 0,99 and.5 12.5 Watts output power. Keyword: Buck-Boost Converter, voltage regulator, PI controller
1
I.
PENDAHULUAN Dalam penggunaan peralatan-peralatan elektronika biasanya memerlukan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari penyearah diode. Pertimbangan harmonisa dan distorsi gelombang yang terjadi akibat pemasangan penyearah gelombang penuh memegang peranan yang penting. Terutama yang berhubungan pergeseran arus input dan tegangan input Ac-Dc Full Wave Rectifier yang mengakibatkan faktor daya rendah. Perbaikan kualitas sumber Ac-Dc Full Wave Rectifier satu fasa dengan factor daya mendekati satu telah menjadi objek yang mendapat perhatian secara khusus. Pada akhir-akhir ini banyak dikembangkan dan diteliti bentuk–bentuk baru dari konverter yang mempunyai kemampuan yang baik seperti faktor daya tinggi, harmonisa rendah dan juga ripel tegangan output yang kecil. Sehingga topik ini menjadi isu yang menarik untuk diteliti. Pada proyek akhir ini dibuat konverter yang memiliki faktor daya tinggi, dimana konverter tersebut merupakan gabungan dari penyearah dan dua buah buck boost converter. Buck boost converter yang pertama berfungsi sebagai konverter perbaikan faktor daya dan buck boost converter yang kedua berfungsi sebagai regulator tegangan output. Dengan rangkaian terasebut diharapkan dapat mengatasi masalah faktor daya yang rendah pada sisi sumber (input) serta tegangan keluaran (output) yang konstan.
II. TEORI PENUNJANG II.1 Prinsip dasar buck boost converer DC chopper dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran untuk mengubah tegangan DC, yang tidak teregulasi menjadi tegangan DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pengaturan PWM (Pulse Widht Modulation) pada frekuensi tertentu dan devais pensaklaran menggunakan BJT, MOSFET, atau IGBT. Salah satu jenis topologi dasar pensaklaran yaitu Buck Boost. Buck Boost dapat digunakan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan input dengan mengatur duty cycle penyulut dari MOSFET.
II.2 Kontrol PI Kontrol PI merupakan salah satu jenis pengatur yang banyak digunakan pada kontrol loop tertutup. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust, Sehingga akan menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik. Kontrol PI terdiri dari 2 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu Kontrol P (Proportional) dan Kontrol I (Integral). Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing.
Tabel 2.1. Respon PI controller terhadap perubahan konstanta III. PERENCANAAN SISTEM III.1 Perencanaan buck boost konverter Dalam mendesain buck boost converter harus diperhatikan parameter-parameter seperti tegangan input, tegangan output, arus output yang diinginkan, frekuensi switching dan lain-lain. Pada awal perencanaan nilai parameter yang ditetapkan sebagai berikut : Tegangan input (Vin) = 66 Volt Tegangan output (Vout) = 18,5 Volt Ripple tegangan = 0,1% Arus output (Iout) = 3,5 Ampere Ripple arus = 25% Frekuensi switching = 50 kHz 1. Duty cycle D Vout Vin 1 D D Vout 1 D V in
Vin D Vout Vout D Vin Vout D Vout D 2.
Gambar 2.1. Rangkaian buck boost konverter
Vout 18.5 0.22 Vin Vout 18.5 66
Nilai induktor Lmin
(1 D) 2 R 2f
Lmin
(1 0.22) 2 5.29 32.2 H 2 50 103
2
3.
Arus induktansi iL I max iL 2 where : Vs D IL \ 2 R1 D 66 0.22 IL 4.5 A 2 5.29 1 0.22 I L 25% I L
I L 0.25 4.5 1.125 A iL 2 1.125 4.5 5.06 A 2
I max iL I max 4.
Rs
DT 2 Cs
1 50 103 Rs 2 1.15n Rs 1.9 K 0.22
III.2 Perencanaan dan pembuatan kontroler PWM III.2.1 PWM generator Pembangkit pulsa pwm menggunakan timer/counter pada mikrokontroler ATMega 16 tepatnya pada timer/counter 2 menggunakan register counter (TCNT2) mencacah naik saja dan tidak pernah mencacah turun. Frekuensi dan duty cycle PWM yang dihasilkan pada mode fast PWM ini dirumuskan :
Desain induktor dan kapasitor n
L I max 10 4 B max Ac
dim ana B max 0,25tesla Ac 1,61cm 2 n
0.322m 5.06 10 4 40.48 0,25 1,61
Jadi diperlukan 41 lillitan.
Dimana PWM
foc0= frekuensi output OC2 mode fast
fosc = frekuensi osilator N = skala clock D = duty cycle III.2.2 Optocoupler dan totempole Optocoupler merupakan rangkaian isolasi driver dengan rangkaian kontrol. Sedangkan totempole digunakan untuk mengurangi switch losespada saat switching. Gambar 3.1 berikut menunjukkan rangkaian lengkap optocoupler dan totempole.
Vo 0,1% Vo 0,00118.5 0.0185 V Qo o DT R 1 18.5 Qo 15.39 0.22 50 103 5.29 Co
5.
Qo 15.39 832F Vo 0.0185
Desain rangkaian snubber I on t fall Cs 2 Voff
I on I in I L 4.5 A Voff Vin Vout Voff 66 18.5 84.5V t fall 43ns
Cs Cs
I on t fall 2 Voff 4.5 43n 1.15nF 2 84.5
Gambar 3.1 Rangkaian optocoupler dan totempole III.2.3 Desain kontroler Kontroler digunakan untuk mengontrol tegangan output dari buck boost converter agar tegangan outputnya stabil. Kontroler yang digunakan adalah mikrokontroler ATMega 16 dengan menggunakan algoritma PI kontroler. Dalam membuat kontroler ini yang diperhatikan adalah mengenai set point dari output buck boost yang harus dipertahankan yang dilihat dari data ADC. Dari data ADC maka diperoleh error dari set point. Dari error tersebut akan dikalikan time sampling yang kemudian menghasilkan integral. Kemudian didapatkan nilai P dari konstanta proporsional dikalikan error. Sedangkan I diperoleh dari konstanta integral dikalikan integral. Nilai PI
3
adalah penjumlahan dari nilai P dan I. Berikut adalah program lengkapnya. SP =154; // Reference = 18.5 volt Sensor = read_adc(2); PV=Sensor ; Error= SP-PV; Integral += Error * TimeSampling; P = Kp * Error; I = Ki * Integral; PI=P+I; PWM =PWM+PI; if(PWM<50) PWM = 50; if(PWM>120) PWM =120; OCR2 =(unsigned char) PWM;
III.3. Desain sensor tegangan Pada mikrokontroler tegangan yang dapat dibaca berada dalam range 0-5 VDC sehingga diperlukan pembagi tegangan. Dari tegangan referensi yang sebesar 14.3 V maka tegangan bisa dibagi menjadi 4. Gambar 3.2 adalah rangkaian pembagi tegangan tersebut.
Gambar 3.2 Rangakaian pembagi tegangan
Dalam perhitungan Vin yang digunakan 18.5 volt DC dan Vout yang diharapkan adalah sekitar 2,5V DC supaya bisa dibaca dengan baik oleh mikrokontroler dan dapat dikontrol, maka:
IV. Pengujian dan analisa IV.1 Pengujian buck boost converter dan driver penyulut IV.1.1 Pengujian desain induktor Setelah dilakukan desain induktor frekuensi tinggi tentunya dilakukan pengujian induktor. Hasil dari pembuatan induktor seperti pada Gambar 4.1 di bawah.Hasil pengujian induktor memiliki nilai Induktansi
(L) = 375 uH dan memiliki nilai Q sebesar 16,9. Dalam perencanaan awal nilai Induktansi yang seharusnya adalah 322 uH. Perbedaan tersebut diperkenankan karena tidak melebihi 25% dari desain awal. Nilai Q seperti pada Gambar 4.2 menunjukkan nilai 16,9, hal ini dikarenakan untuk frekuensi tinggi minimal induktor memiliki nilai Q 10. Sehingga induktor tersebut bisa digunakan untuk buck boost converter dengan frekuensi switching 50kHz.
Gambar 4.1 Induktor frekuensi tinggi
Gambar 4.2 Hasil pengukuran induktor menggunakan LCR meter IV.1.2 Pengujian driver penyulutan PWM yang digunakan untuk penyulut rangkaian buck boost converter dibangkitkan dari mikrokontroller AT Mega16 dengan frekuensi 50 KHz menggunakan timer 2. Setting Timer 2 program untuk menghasilkan PWM 50 KHz pada mikrokontroller AT Mega16 adalah sebagai berikut:
// Timer/Counter 2 initialization // Clock source: System Clock // Clock value: 13560.000 kHz // Mode: Fast PWM top=FFh // OC2 output: Non-Inverted PWM TCCR2=0x69; TCNT2=0x00; OCR2=0x00; Nilai OCR2 pada setting awal adalah 0x00 heksa. Nilai OCR2 berkisar antara 0-255 sehingga Untuk mengatur besarnya duty cycle penyulutan maka nilai OCR2 dapat dicari dengan duty cycle dikalikan 255 sebagai nilai maksimal OCR2. Berikut contoh programnya :
4
while (1) { // Place your code here OCR0=128; //50% x 255 =128 } Bentuk gelombang PWM yang dihasilkan mikrokontroller ditunjukkan Gambar 4.3 dibawah ini:
dari mikrokontroler di ambil dari AVCC yang bernilai sekitar 3,88 volt. Pada pengujian ini tegangan variabel yang di baca oleh sesor tegangan adalah DC power supply. Berikut adalah Gambar 4.4 yang menunjukkan sensor tegangan dan juga Tabel pengujiannya yang ditunjakkan pada Tabel 4.3.
Gambar 4.4 Rangkaian Pembagi tegangan Tabel 4.3 Hasil pengujian sensor tegangan Gambar 4.3 Gelombang PWM keluaran PORTD.7 Vref (V)
Vout (V)
Vout teori (V)
Kesalahan
IV.1.3 Pengujian buck boost converter Pengujian buck boost dilakukan dengan sumber DC Power supply dari tegangan input 10 volt sampai 35 volt untuk fungsi buck dan input 5 volt sampai 20 volt untuk fungsi boost. dengan menggunakan beban lampu 100 watt 220 volt. Hasil yang diperoleh seperti pada Tabel 4.1 dan Tabel 4.2 di bawah
5
0,65
0,65
0%
10
1,30
1,30
0%
15
1,95
1,96
0,5%
18,5
2,40
2,41
0,4%
20
2,59
2,60
0,4%
25
3,24
3,26
0,6%
Tabel 4.1 Tabel pengujian buck boost fungsi buck
30
3,88
3,91
0,8%
Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
10 15 20 25 30 35
0,05 0,06 0,07 0,07 0,08 0,1
5,5 8,8 12,3 15,4 19,5 25
0,1 0,11 0,125 0,125 0,14 0,15
Tabel 4.2 Tabel pengujian buck boost fungsi boost Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
5
0,15
6,5
0,1
10
0,2
14,4
0,25
15
0,24
22,4
0,15
20
0,27
30,5
0,16
Dari kedua tabel diatas data yang diperoleh menunjukkan bahwa buck boost converter secara fungsional telah bisa berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan input tegangan DC. Dibandingkan dengan desain tegangan output yaitu 18,5 volt maka terjadi error yang besar. Hal ini terjadi karena pada desain awal buck boost ini harus dikontrol oleh mikrokontroler menggunakan metode PI kontroler. IV.2. Pengujian sensor tegangan Pengujian sensor tegangan ini bertujuan untuk mendapatkan hasil yang sesuai dengan system yaitu bekerja antara range 0-5 Volt. Pada sensor ini range yang digunakan adalah 0-3,88 Volt yang setara dengan tegangan 0-30Volt. Nilai di atas tidak sesuai teori karena Vrefferensi
Dari tabel diatas range tegangan sampai 30 Volt masih bisa dikontrol oleh mikrokontroler tetapi jika melebihi range tegangan tersebut mikrokontroler kesulitan dalam mengontrolnya karena tegangan berapapun diatas 30volt tetap dibaca 30 Volt. IV.3. Pengujian kontroler kontroler disini digunakan untuk menjaga tegangan output buck boost agar stabil. Untuk menguji kontroler ini adalah dengan mengubah ubah tegangan input atau dengan mengubah ubah besarrnya beban. Kontroler dikatakan baik apabila bisa menjaga kestabilan tegangan output yang dikontrol. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.4 dan Tabel 4.5 . Tabel 4.4 Pengujian kontroler dengan perubahan tegangan input V input (V)
I input (A)
V output(V)
Vref (V)
error
5
0,22
8,9
18,5
51,89 %
10
0,28
18,5
18,5
0%
15
0,21
18,8
18,5
1,62 %
20
0,13
18,6
18,5
0,54 %
25
0,09
18,6
18,5
0,54 %
30
0,07
18,4
18,5
0,54 %
35
0,06
18,3
18,5
1,08 %
5
Tabel 4.5 Pengujian kontroler dengan perubahan beban V input (V)
I input (A)
V output(V)
Vref (V)
error
35
0,09
18,5
18,5
0%
35
0,11
18,5
18,5
0%
35
0,8
18,8
18,5
1,62 %
35
0,36
18,8
18,5
1,62 %
35
0,95
18,7
18,5
1,08 %
35
1,33
18,5
18,5
0%
Di bawah ini pada Gambar 4.5 kita dapat melihat grafik respon dari buck boost dengan sinyal step sebesar 35 volt dengan setting tegangan output 18,5 volt.
Gambar 4.5 grafik respon tegangan output buck boost tanpa kontrol PI Pada Gambar 4.5 di atas terlihat bahwa respon dari buck boost untuk mencapai set point sebesar 18,5 volt membutuhkan waktu sekitar 3,2 detik. Dari hal tersebut akan kita pergunakan program PI kontroler sehingga diharapkan dapat mempercepat respon sistem.
V. Kesimpulan dan saran V.1 Kesimpulan Setelah dilakukan proses perencanaan pengujian serta analisa dan juga membandingkannya dengan teori-teori penunjang, maka dapat disimpulkan bahwa: 1. Buck boost dapat berfungsi dengan baik karena bisa menaikkan dan menurunkan tegangan input. 2. Hasil penggulungan induktor sangat berpengaruh terhadap nilai induktansi dan juga nilai Q dari induktor tersebut. 3. Dua buah series buck boost tidak dapat digunakan sensor tegangan dengan ground yang sama, sehingga dibuthkan dua mikrokontroler untuk dua buck boost converter. 4. Pada pengujian buck boost yang dikontrol dengan PI kontroler dan dibebani resistor geser sudah bekerja dengan baik karena bisa mempertahankan tegangan output sekitar 18,5 V. V.2 Saran Selama pengerjaan proyek akhir ini tentunya tidak lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan, secara khusus pada peralatan yang telah dibuat. Namun pada kenyataan yang ada setelah tepat masa waktu Proyek Akhir ini habis, penulis belum sempat memperbaiki kekurangan-kekurangan itu. Untuk itu demi kesempurnaan alat ini, penulis dapat memberikan beberapa catatan penting sebagai berikut: 1.
2.
3.
Gambar 4.6 grafik respon tegangan output buck boost dengan kontrol PI Pada Gambar 4.6 yang merupakan grafik respon buck boost setelah menggunakan kontrol PI. Dari gambar tersebut terlihat bahwa respon dari sistem lebih cepat untuk mencapai set point. Respon yang terjadi juga menunjukkan adanya overshoot sebelum mencapai set point. Kontrol PI di atas juga belum memiliki output yang stabil masih ada sedikit osilasi cukup lama hingga setelah 6 detik baru dalam keadaan stabil di set point. Kontrol PI juga menjaga sistem sehingga output tetap berada di sekitar set point meskipun ada perubahan tegangan output maupun perubahan beban.
Penggulungan dari induktor dilakukan sebaik mungkin sehingga induktor memiliki nilai induktansi sesuai dengan desain dan nilai Q yang tinggi. Pada buck boost konverter ini menggunakan mosfet IRFP 460 Untuk hasil yang maksimal diharapkan menggunakan komponen yang mempunyai rating arus dan tegangan lebih besar. Tuning control P dan I yang lebih banyak sehingga bisa didapatkan tegangan output yang lebih stabil.
VI. Daftar Pustaka [1] Ir. Moh Zaenal Efendi, MT, “DC-DC Converter”, PENSITS, Surabaya [2] Yamudi, “Design of One phase AC- DC Full wave Rectifier With Flyback and Buck Konverter as Power Faktor Correction and Current Harmonic”, PENS-ITS, Surabaya [3] Sutejo Maspriyanto, “Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3Ø Menggunakan Kontrol PI Berbasis Direct Torque Control, PENS-ITS, Surabaya [4] Tim IE, Yosef S. Tobing danWelly Purnomo, “AN 116DC Motor Speed Control Using PID”, ITS, surabaya [5] Datasheet of Mikrocontroller AT Mega 16
6
