Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Simulasi Double Buck Boost Converter DC-DC Bidirectional Menggunakan PID Controller Hermansyah 1), Soedibyo 2), Mochamad Ashari 3) Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Email:
[email protected] Abstrak Pada paper ini akan dipaparkan sebuah rancangan DoubleBoost dan Double Buck Converter DC-DC Bidirectional yang mempunyai kemampuan menggandakan tegangan dua kali berturut turut dan dari arah sebaliknya mampu menurunkan tegangan dua kali berturut turut dimana tegangan pada sisi output dapat dipertahankan pada nilai tertentu walaupun tegangan baterai pada sisi input mengalami perubahan.Sistem kontrol yang digunakan adalah PID controller (Proportional, Integrator, Diverative) yang berfungsi mempertahankan tegangan pada sisi output.Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap double boost dan double buck. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem kendali yang diajukan mampu mempertahankan tegangan keluaran dengan sangat baik dan konsisten. Variasi perubahan yang dilakukan meliputi: pada mode double boost, tegangan output dipertahankan pada kisaran 99.9 sampai 100 volt DC dengan perubahan tegangan input yang turun berturut-turut 24 sampai 16 Volt DC. Sedangkan untuk mode double buck, tegangan output dipertahankan pada kisaran 2,9 sampai 3 volt DC dengan perubahan tegangan input yang mengalami penurunan berturut-turut 100 sampai 60 volt DC. Kata Kunci: Konverter DC-DC, Double Boost, Double Buck, Bidirectional, PID Controller Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka pada penelitian ini akan merancang sebuah alat konversi tegangan DC yaitu Double Buck Boost Converter DC-DC Bidirectional yang disertai dengan sistem kontrolnya yang berfungsi untuk mempertahankan tegangan pada sisi output (konstan) walaupun tegangan imputnya mengalami penurunan. Sistem kontrol yang akan diterapkan pada converter tersebut adalah PID kontroler, dimana PID kontroler memiliki kemampuan dan respon yang cepat untuk mengontrol kinerja dari suatu konverter DC-DC.
A. Latar Belakang Padaera modern ini hampir semua sistem perangkat elektronik membutuhkan catu daya DC.Catu daya DC banyak digunakan pada sistem elektronika yang bertegangan rendah hingga sistem kelistrikan bertegangan tinggi, termasuk untuk kendaraan listrik, penjejak daya maksimum (MPPT), inverterpada Distributed Generation [1-4]. Oleh karena itu penggunaan sistem catu daya DC memerlukan sistem yang mampu mengkonversikan tegangan DC dari suatu tingkat tegangan DC ke dalam bentuk tingkat tegangan DC yang lain. Ada berbagai jenis desain konversi tegangan DC yang mempunyai kemampuan yang berbeda-beda. Jenisjenis alat konversi energi tersebut meliputi boost converter, buck converter, buck boost converter atau pengembangan dari buck boost yaitu double buck boost converter DC-DC bidirectional dan lain-lain [5]. Pada hakikatnya, terdapat berbagai macam sumber tegangan DC yang dapat dikonversikan oleh berbagai macam konverter DC-DC ke dalam tingkat tegangan yang lain. Salah satu sumber tegangan yang dimaksud adalah adalah baterai. Namun dalam penggunaan baterai sering menemui kendala yang sangat fatal bila diabaikan. Kendala yang di maksud adalah bagaimana mempertahankan tegangan pada sisi output konverter jika tegangan pada baterai mengalami penurunan. Untuk mendapatkan tegangan yang konstan dari baterai maka perlu menggunakan sebuah alat konversi energi yang mampu mempertahankan tegangan outputnya walaupun tegangan pada sisi sumbernya mengalami penurunan tegangan [5]-[6]
B.
Dasar Teori Boost Converter DC-DC Dalam beberapa tahun terakhir, sistem penyimpanan energi menggunakan baterai telah banyak diteliti dan dikembangkan untuk sistem energi terbarukan. Untuk memaksimalkan energi yang tersimpan pada baterai tentu harus didukung dengan sistem transmisi energi dari baterai ke beban. Rangakain dasar dari boost konverter dapat dilihat pada gambar 1 berikut ini. Konverter jenis ini mempunyai kemampuan menghasilkan tegangan output yang lebih besar daripada tegangan sumbernya.
Gambar.1 Rangkaian Boost Konverter Konverter tipe boost mempunyai perisip kerja sebagai berikut:
B-1
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
(6)
1. Pada saat saklar dalam posisi on induktor akan terisi arus. 2. Pada saat saklar dalam posisi off, arus pada induktor akan dikosongkan.
Dari persamaan yang sebelumnya, dapat kita diketahui bahwa, ton + toff = T dan toff = (1–k)T maka persamaan (6) bisa diubah menjadi:
Induktor akan terhubung singkat dengan tegangan sumber jika saklar dalam posisi on. Hal tersebut disebabkan karena semua arus akan mengalir ke sisi negative melalu saklar elektronik, dan oleh sebab itu maka arus yang mengalir menuju beban R dapat kita abaikan. Persamaan tegangan pada gambar.1 di atas dapat dituliskan sebagai berikut.
(7) Persamaan (7) di atas merupakan persamaan yang dapat kita gunakan untuk menghitung duty cycle dan tegangan pada sisi input konverter. Dalam persamaan tersebut tidak terdapat adanya parameter frekuensi pensaklaran dan parameter induktor. Namun dalam hal ini, riak gelombang pada sisi output sangat dipengaruhi oleh induktor dan frekuensi pensaklaran. Nilai induktansi sangat berhubungan dengan riak arus, sedangkan kapasitansi dapat mempengaruhi riak tegangan. Berikut ini adalah persamaan hubungan antara induktor dan riak arus:
(1) Penyebut dt pada persamaan (1) dapat diganti menjadi ton seperti persamaan (2) dibawah ini apabila linier. (2)
(8) Berdasarkan persamaan (2) di atas maka dapat di ubah kedalam bentuk persamaan dalam bentuk lain, yaitu: L∆I = Vs
Jika nilai dari riak arus ∆I dapat kita tentukan terlebih dahulu, maka nilai induktor L dapat kita peroleh. Perhitungan nilai kapasitor pada rangkaian boost konverter dapat kita lakukan dengan cara yang sama dengan konverter jenis buck. Caranya adalah dengan menggunakan perhitungan penurun tegangan kapasitor, maka diperoleh hubungan seperti persamaan dibawah ini: [6]-[8]
(3)
Tegangan input akan menjadi seri dengan induktor L dan beban R apabila saklar dalam posisi padam atau off. Pada kondisi ini induktor akan berubah menjadi mode pengosongan arus yang sebelumnya berada dalam mode pengisian arus. Dan induktor akan berubah fungsi menjadi sumber arus atau sumber tegangan. Sehingga beban dalam hal ini adalah resistor R akan disuplay dari dua sumber yang terhubung seri, yaitu sumber tegangan VL dan Vs. Dengan demikian tegangan output pada konverter boost akan menjadi lebih tinggi dari tegangan input dari konverter tersebut. Rentang waktu saat saklar padam adalah toff sehingga persamaan t eganganyang digunakan dapat diubah menjadi:
(9) C.
Dasar Teori Buck Converter DC-DC Konverter buck adalah jenis konverter yang berfungsi untuk menurungkan tegangan pada sisi output, yakni tegangan output yang dihasilkan lebih kecil jika dibandingkan dengan tegangan pada sisi input. Berikut ini adalah gambar rangkaian dasar dari sebuah buck konverter :
(4) Jika persamaan (3) disubtitusikan dengan persamaan (4) maka dapat dihasilkan:
(5)
Gambar.2 Rangkaian Buck Konverter
Prinsip kerja dari konverter jenis buck dapat dibagi menjadi dua mode, yaitu
B-2
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Mode pada saat saklar dalam keadaan on. Kondisi ini disebut dengan periode pengisian arus. Dalam hal ini, arus akan mengalir dari sumber Vs melewat induktor L dan menuju ke beban R. Nilai arus akan naik secara perlahan hingga mencapai titik maksimalnya. 2. Mode 2 pada saat saklar dalam posisi padam atau off. Akibat dari adanya aliran arus pengosongan dari induktor maka diode akan konduksi. Arus akan mengalir dari induktor ke beban kemudian dilanjutkan ke diode dan akan kembali lagi ke induktor. Arus tersebut akan membentuk kurva linier yang menurun. Hal tersebut disebabkan karena arus yang mengalir merupakan arus pengosongan induktor. Penurunan arus akan berlanjut sampai saklar dinyalakan kembali pada siklus berikutnya [5]-[8]. Berikut ini adalah gambar rangkaian dari dua mode yang dijelaskan di atas.
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
1.
(14)
(15)
(16) Pada saat mode 1 Tegangan sumber adalah penjumlahan dari seluruh tegangan yang ada pada sisi beban. Hal tersebut sesuai dengan hukum kirchoff. Sehingga bisa dituliskan dalam persamaan berikut ini: (17) Bangkitnya tegangan pada induktor V L diakibatkan oleh arus yang mengalir pada induktor tersebut. Hal tersebut dapat dituliskan kedalam bentuk persamaan dibawah ini: (18)
(19)
Gambar.3 Rangkaian eqivalen saat Q konduksi
Berdasarkan pada Gambar.4 kondisi saklar Q sedang off. Diode Dm akan konduksi apabila induktor berubah menjadi sebuah sumber arus atau sumber tegangan. Dan hal tersebut menyebabkan tegangan pada sisi sumber Vs akan terpisah dengan sisi induktor dan beban. Sehingga persamaannya adalah:
Gambar.4 Saat Q tidak konduksi
(20)
Berikuta ini adalah persamaan ketika saklar Q konduksi (on) dan ketika saklar Q padam (off) [3]. Saat Q konduksi: (10)
Dan kondisi pada mode 2 dapat dituliskan seperti persamaan berikut ini: (21)
(11) Persamaan yang ada pada mode 1 dan mode 2 dapat kita subtitusikan: Saat Q padam: Mode 1.
(22)
Mode 2.
(23)
(12)
(13) Dari kedua persaaan di atas maka dapat kita peroleh hasil subtitusinya yaitu sebagai berikut:
Pola penyalaannya dapat dituliskan seperti persamaan berikut ini: Duty cycle (k) = rasio antara interval waktu (t) saat Q on dan periode sistem.
B-3
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
(24) (32) D. PID Controller Dalam pengendali PID terdapat beberapa parameter yang harus diatur untuk mendapatkan respon keluaran yang lebih baik. Parameterparameter yang dimaksud adalah parameter proportional (Kp), integral (1/s K1) dan derivative ( SKD, KP , KI dan KD ). Beberapa parameter di atas memiliki fungsi dan kelebihan masing-masing untuk mengontrol suatu plant [10]. Parameter proportional (Kp) berfungsi untuk mengurangi rise time dan steady state error. Parameter integral berfungsi untuk menghilangkan steady state error pada suatu plant. Jika kedua pengendali di atas P dan I digabung maka akan menghasilkan pengendali PI tetapi memiliki akibat yaitu respon transient akan bertambah buruk. Untuk memperbaiki kekurangan dari pengendali PI maka ditambahkan pengendali diverative (D) yang berfungsi untuk menyempurnakan kekurangan dari pengendali PI. Gabungan dari P, I dan D disebut dengan pengendali PID yang mampu meningkaatkan kestabilan suatu sistem mengurangi overshoot dan settling time pada suatu plant [11]. Berikut ini adalah persamaan-persamaan yang digunakan untuk menentukan nilai dari parameter proportional, integral dan direvative:
(25)
(26) Tegangan pada sisi output dari rangkaian buck converter adalah proporsional terhadap tegangan pada sisi input dan duty cycle (k) dimana duty sycle mempunyai nilai 0 s/d 100%. Apabila kita menginginkan kualitas tegangan yang lebih baik maka bisa didapatkan dengan cara memasan kapasitor yang terhubung paralel dengan beban. Sedangkan untuk mendapatkan nilai induktor maka bisa dihitung saat kondisi saklar dalam keadaan konduksi maupun sedang dalam keadaan padam seperti yang ditunjukkan pada persamaan berikut ini: (27) Dari subtitusi persamaan diatas maka akan diperoleh nilai induktasi yang diberikan pada persamaan berikut ini: (28)
Hubungan Input dan Output
t 1 det u t K p et et dt d i 0 dt
Sedangkan untuk menghitung suatu nilai kapasitor C pada rangkaian buck konverter terlebih dahulu harus menentukan batas dari besaran riak tegangan, yaitu tidak lebih besar dari ∆V dimana riak tegangan keluaran adalah:
(30)
Transformasi Laplace
(29) 1 U s K p 1 d s E s s i
Berdasarkan pada periode saklar pada saat kondisi padam, atau pada saat kapasitor dalam kondisi pengosongan toff maka nilai kapasitor dapat kita hitung. Dimana toff = (1–k)T maka dapat diperoleh persamaan riak tegangan keluaran seperti persamaan berikut ini:
Fungsi Alih U s 1 K p 1 d s E s is
(30)
1 Kp 1 τ s τd s i
Dimana, Kp : penguatan proporsional, : waktu integral,
(31)
: waktu differensial
B-4
(32)
Model Matematika Diagram Blok E(s)
Dari persamaan-persamaan di atas maka dapat diperoleh nilai sebuah kapasitor dengan riak tegangan keluaran yang berbeban R dan tidak lebih dari diberikan pada persamaan berikut ini [6]-[9]
(31)
U(s)(33)
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Persamaan diatas merupakan persamaan yang berfungsi untuk menentukan parameter dari P,I dan D. Persamaan tersebut akan diubah kedalam bentuk bahasa pemrograman C yang selanjutnya dituangkan kedalam C blok yang terdapat pada PSIM. Parameter PID yang digunakan pada simulasi ini adalah sebagai berikut: kp=1,
= 233,3 dan
=0.0000015
E.
Desain dan Hasil Simulasi Double Buck Boost Converter DC-DC Bidirectional Pada penelitian ini, penulis akan memaparkan desain dan hasil simulasi dari suatu modivikasi buck boost converter menjadi double boost converter DCDC bidirectional yang tegangan outputnya dapat dipertahankan (konstan) walaupun tegangan pada batrai atau imput mengalami penurunan (tidak konstan) dan akan dikendalikan dengan menggunakan sistem kendali PID yang berfungsi untuk mengatur duty cycle mosfet hingga akhirnya tegangan output bisa dipertahankan. Secara visual, konverter ini berbeda dengan konverter boost dan konverter buck pada umumnya. Konverter ini merupakan dua buah konverter boost dan buck yang masing-masing terhubung seri dan dapat difungsikan dari dua arah yang berbeda. Desain double boost dan double buck converter DC-DC bidirectional dan hasil simulasinya dapat dilihat pada gambar dibawah ini:
Gambar 7. Desain Double buck converter DC- DC bidirectional menggunakan PID Controloler
Gambar 8. Hasil simulasi Double buck converter DC-DC bidirectional menggunakan PID Controler Dengan diterapkannya kontrol PID pada konverter ini maka dapat menghasilkan gelombang yang lebih bagus dan stabil dengan overshot yang lebih rendah, osilasi yang kecil, dan waktu steadystate yang lebih cepat seperti yang ditunjukkan pada gambar.6 dan gambar.8. Ketiga parameter P,I dan D yang diberikan sangat berpengaruh terhadap gelombang tegangan yang dihasilkan. Dengan kata lain, jika parameter yang digunakan tepat, maka respon gelombang yang dihasilkan akan lebih baik. Simulasi diatas menunjukkan kinerja dari double boost dan double buck converter dc-dc yang dikendalikan oleh sistem kontrol PID. Berikut ini adalah tabel rincian hasil dari simulasi yang telah dilakukan:
Gambar.5 Desain Double boost converter DC-DC bidirectional menggunakan PID Controloler
Tabel 1. Hasil simulasi Double Boost Converter DC-DC Tegangan Input (VDC) 24 22 20 18 16
Gambar 6. Hasil simulasi Double boost converter DC-DC bidirectional menggunakan PID Controloler
B-5
Tegangan Output (VDC) 100 100 100 99.9 99.9
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Gunawan. “Rancang Bangun DC-DC Buck Converter dengan PID Diskrit Sebagai Pengendali Tegangan Keluaran” UI, 2009 Ashari, Mochamad “Sistem Konverter DC”ITS Pers, Surabaya 2012 W.E Robert “Fundamentals Power Electronics” Cluwer Academic Publishers, New York 2001 W. C. Liao, T. J. Liang, H. H. Liang, H. K. Liao, S. Yang, K.C. Juang, J. F. Chen “Study and Implementation of a Novel Bidirectional DCDC Converter with High Conversion Ratio”IEEE 2011 J.L Tsorng, H.L Hsiu, M.C Shih, FC Jian, SY Lung “Analysis, Desaign and Implementation of a bidirectional double-boost DC-DC converter” IEEEAOTC, GREERC 2014. Ali Muhammad, “ Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID dengan Software Matlab” Jurnal Edukasi@Elektro, Vol.1, No.1 Oktober 2004. Setiawan Iwan, “Konrol PID Untuk Proses Industri” Elex media Kompotindo” 2008.
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa walaupun tegangan pada sisi input mengalami perubahan, tegangan pada sisi output akan tetap dipertahankan pada kisaran 100 Volt dengan toleransi 0.5 %. Tabel 2. Hasil simulasi Double Buck Converter DC-DC Tegangan Input Tegangan (VDC) Output (VDC) 100 3 90 3 80 3 70 3 60 2.9 Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa walaupun tegangan pada sisi input mengalami perubahan, tegangan pada sisi output akan tetap dipertahankan pada kisaran 3 Volt dengan toleransi 0.5 %.
F. Kesimpulan Berdasarkan hasil simulasi maka dapat disimpulkan bahwa tegangan keluaran pada sisi output konverter Double Buck Boost DC-DC bidirectional dapat dipertahankan relatif konstan dengan menggunakan sistem kontrol PID meskipun tegangan pada sisi input (baterai) mengalami perubahan. Dengan demikian sistem kontrol PID sangat cocok untuk diimplementasikan pada plant yang membutuhkan tegangan yang konstan namun mempunyai sumber tegangan yang tidak konstan. Konverter Double Buck Boost DC-DC bidirectional mempunyai efisiensi yang lebih bagus jika dibandingkan dengan konverter boost dan buck pada umumnya. G. Daftar Pustaka B Suprianto, MAshari, MHPurnomo, MPujiantara, HSAtmojo, Uniform current distribution control using fuzzy logic for parallel connected non identic DC-DC converters, Innovative Computing, Information and Control, 2007. ICICIC'07, Kumamoto - Japan, 2007. B Sujanarko,MAshari,MHPurnomo, Universal Algorithm Control for Asymmetric Cascaded Multilevel Inverter, International Journal of Computer Applications (0975–8887) 8 (15), 2010. CV Nayar,MAshari, Phase Power Balancing of a diesel generator using a bidirectional PWM Inverter IEEE Power Engineering Review 19 (11), 46-46, 1999 R Syahputra,I Robandi,M Ashari, Reconfiguration of distribution network with DG using fuzzy multi-objective method, Innovation Management and Technology Research (ICIMTR), Malaysia, 2012
B-6
