Teknik Elektro Industri Vol.2, No.2, 2014 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Jurnal Elektro PENS

www.jurnalpa.eepis-its.edu Teknik Elektro Industri Vol.2, No.2, 2014 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

ISOLATED DC-DC CONVERTER UNTUK MOTOR DRIVER MOBIL LISTRIK

Ardhia Wishnuprakasa, Ainur Rofiq Nansur, Epyk Sunarno Program Studi D4 Teknik Elektro Industri Departemen Teknik Elektro Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Tel: (031) 594 7280; Fax: (031) 594 6114 Email: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstrak Proyek akhir ini membahas tentang mobil nol emisi (ZEC) yang dibangun berdasarkan permasalahan yaitu perancangan dan pembuatan rangkaian pengubah daya yang dapat menaikkan tegangan output motor driver secara terkontrol yang lebih tinggi daripada tegangan input baterai, penaik tegangan tersebut menggunakan isolated DC-DC converter yang ditentukan dengan jenis push-pull pada konfigurasi fullbridge. Dari hasil penelitian ini, efisiensi dari perancangan push-pull untuk input motor driver adalah 74,72% untuk tanpa gesekan dan 70,91% untuk beban sistem. Kecepatan tanpa kontrol yang terukur sebesar 1458RPM dengan prosentase throttle potentiometer berdasarkan pada regulasi set point maksimal, dengan aturan ketika kecepatan kurang dari set point saat frictionless, maka sistem kontrol PI akan menaikkan tegangan motor driver agar kecepatan bertambah, sedangkan ketika kecepatan lebih dari set point saat frictionless, maka tegangan motor driver akan diturunkan agar kecepatan berkurang. Pengujian dengan nilai Kp = 0,05 dan Ki = 0,01 didapatkan hasil respon sistem untuk kecepatan mode No control yang dapat ditempuh saat frictionless 88 km/h dan berbeban sistem 73 km/h, sedangkan kecepatan mode PI control yang dapat ditempuh saat frictionless 50 km/h dan berbeban sistem 55 km/h. Kecepatan mobil listrik No control tidak terjadi overshoot saat starting dengan analisa respon sistem No control, waktu tunda (td) ≈ 1,5s; waktu naik (tr) ≈ 1,25s s/d 2,5s; waktu puncak (tp) ≈ 5,5s; dan waktu penetapan (ts) ≈ 8,6s dan kecepatan mobil listrik PI control terjadi overshoot saat starting dengan analisa respon sistem PI control, nilai waktu tunda (td) ≈ 1,75s; waktu naik (tr) ≈ 0,5s s/d 2,5s; waktu puncak (tp) ≈ 4s; dan waktu penetapan (ts) ≈ 9s. Kata Kunci : mobil nol emisi (ZEC), push-pull, No control, PI control.

1. Pendahuluan Saat ini industri otomotif semakin berkembang yang menyebabkan penambahan jumlah kendaraan berbahan bakar fosil yang akan dipasarkan, sedangkan kondisi ini berbanding terbalik terhadap sumber daya alam yang tidak dapat diperbaharui dengan produk setelah proses pengolahannya adalah bensin sebagai bahan bakar untuk penggerak jenis kendaraan berbahan bakar fosil tersebut. Kemudian, bahan bakar fosil menimbulkan emisi gas buang yang menyebabkan polusi yang mencemari lingkungan dan berdampak pada kesehatan. Baterai adalah komponen elektronik yang ramah lingkungan dengan keunggulan dapat dilakukan pengisian ulang dan daya tahan baterai yang life time, sehingga penggunaan baterai sebagai penyedia daya untuk penggerak motor listrik pada mobil nol emisi menjadi lebih populer dibandingkan mesin berbahan bakar fosil. Penelitian pada proyek akhir ini adalah kategori kendaraan nol emisi (ZEV) untuk diterapkan pada

mobil listrik menggunakan baterai jenis accumulator, yang termasuk dalam kriteria keilmuan pengemudian elektrik. Motor dc magnet permanen mendapatkan suplai dari accumulator, jenis dc-dc converter yang digunakan adalah push-pull converter sebagai motor driver. Saat ini, mobil listrik masih memerlukan investasi yang cukup tinggi untuk penelitian lebih lanjut karena mahalnya komponen terpenting dan termahal pada mobil listrik yaitu baterai jenis lithium ion sehingga dalam penelitian ini menggunakan accumulator. Tujuan dan manfaat proyek akhir ini yaitu sebagai evaluasi sistem penggerak elektrik dengan memberikan sedikit kontribusi penelitian dan motivasi untuk meneliti mobil nol emisi di masa krisis energi bahan bakar fosil, khususnya pada penelitian proyek akhir tentang mobil listrik yang menggunakan dc-dc converter. Spesifikasi mobil listrik pada proyek akhir ini menggunakan inputan potentiometer sebagai throttle, accumulator 12volt sebagai penyedia daya,

Jurnal Elektro PENS, Teknik Elektro Industri, Vol.2, No.2, (2014)

dan dc-dc converter menggunakan push-pull converter sebagai motor driver untuk memberikan suplai daya yang menggerakkan motor dc magnet permanen 1,8hp dengan sensor kecepatan menggunakan rotary encoder. Potentiometer, motor driver, dan rotary encoder tersebut diintegrasikan dengan pengendali mikro yang disebut sistem penggerak elektrik. Dalam penelitian ini walaupun set point menjadi berubah secara variabel karena menggunakan inputan potentiometer sebagai throttle yang akan menjadi set value dari batasan 0% sampai dengan 100% untuk mengatur pwm input pada motor driver yang mengubah output duty cycle. 2. Dasar Teori 2.1. Pengemudian Motor DC Elektrik Pada motor DC terdapat kumparan medan yang disebut stator (bagian statis) dan kumparan jangkar yang disebut rotor (bagian rotasi). Sebuah motor DC dan generator DC dibangun dari magnet stasioner atau stator dan kumparan yang berputar atau rotor.

Daya keluaran adalah nol pada kecepatan nol. Dalam rentang kecepatan normal dan pada torsi konstan, meningkat daya keluaran sebanding dengan kecepatan. Dalam rentang pelemahan medan, torsi motor akan drop yang sebanding dengan kecepatan. Akibatnya, daya keluaran dari motor DC tetap konstan. 2.2.

Isolated DC-to-DC converter Isolated DC-to-DC converter adalah pengubah daya DC ke DC dengan sisi input terhadap output yang terisolasi oleh transformator, salah satunya yaitu Push-Pull converter. Tegangan output Push-Pull converter diatur melalui duty cycle. Rasio transformator adalah untuk menentukan rangkaian pengubah daya berjenis step-up atau step down. Gambar rangkaian Push-Pull converter ditunjukkan pada Gambar 2.2.

Gambar 2.2. Rangkaian push – pull converter. Gambar 2.1. Torsi dan Daya DC Drive selama rentang kecepatan

Dari Gambar 2.1. menunjukkan grafik torsi dan daya DC Drive yang dapat disimpulkan dengan cara dikendalikan sebagai berikut : Kecepatan motor DC dapat dikontrol dengan menyesuaikan armatur tegangan atau fluks medan atau keduanya. Biasanya fluks medan dipertahankan konstan, sehingga kecepatan motor meningkat dengan meningkatkan tegangan dinamo. Ketika tegangan dinamo telah mencapai VA output maksimum converter, peningkatan tambahan dalam kecepatan dapat dicapai dengan mengurangi fluks medan. Hal ini dikenal sebagai rentang pelemahan medan. Dalam melemahnya bidang jangkauan, rentang kecepatan biasanya terbatas sekitar 3:1, terutama untuk memastikan stabilitas dan pergantian. Motor mampu mengembangkan torsi penuh selama rentang kecepatan normal. Sejak torsi tidak tergantung pada VA, output torsi beban penuh adalah mungkin diatas kisaran kecepatan normal, bahkan saat berhenti (kecepatan nol).

Terdapat tiga mode operasi pada Push – Pull converter. Pertama S1 on dan S2 off. Kedua S1 off dan S2 on. Ketiga S1 dan S2 off. 2.2.1.

Analisa kondisi S1 On dan S2 Off Kondisi S1 On dan S2 Off maka tegangan pada sisi primer bernilai positif, sehingga D1 On (foward bias), D2 Off (reverse bias) .

Gambar 2.3. Rangkaian pengganti ketika S1 on dan S2 off.

Tegangan antara sisi primer trafo yang bawah dengan polaritas positif : .................................. (2.1) ................................. (2.2) Oleh karena itu arus mengalir melalui D1 menuju ke beban,maka tegangan pada konverter tersebut yaitu : ................................... (2.3)


.................. (2.4) Maka menghasilkan arus di induktor naik secara linier. Jeda ketika S1 on, perubahan arus di induktor yaitu :

Arus di induktor berkurang secara linier. Perubahan arus saat S1 dan S2 off, ........................................ (2.13)

......................... (2.5) .............. (2.6)

.................... (2.14) Arus yang mengalir lebih dari satu periode harus nol untuk keadaan steady , ................ (2.15)

2.2.2. Analisa kondisi S1 Off dan S2 On Kondisi S1 Off dan S2 On maka tegangan pada sisi primer bernilai negatif, sehingga,D1 Off (reverse bias), D2 on (foward bias).

.. (2.16) Maka tegangan keluaran, ..................................... (2.17) Persamaan pada riak keluaran dari push – pull converter yaitu : ............................................... (2.18) Untuk efisiensi rangkaian dapat dihitung dengan cara : ..................................... (2.19)

Gambar 2.4. Rangkaian pengganti ketika S1 Off dan S2 On

Tegangan yang melewati sisi primer trafo yang atas dengan polaritas negatif : .................................. (2.7) ............................. (2.8)

Untuk menentukan resistansi beban dengan jumlah arus yang diinginkan dapat dihitung dengan cara : ..................................................... (2.20) Berikut ini adalah gambar bentuk gelombang tegangan dan arus untuk push-pull converter yang ditunjukkan pada Gambar 2.6.

Oleh karena itu arus yang mengalir melalui D1 menuju ke beban,maka tegangangan pada konverter tersebut yaitu : ................................ (2.9) .................. (2.10) 2.2.3. Analisa kondisi S1 Off dan S2 Off Kondisi S1 Off dan S2 Off maka arus di sisi primer bernilai 0 (nol). Arus yang mengalir pada induktor harus dipertahankan kontinyu, sehingga D1 dan D2 on.

Gambar 2.5. Rangkaian pengganti ketika S1 dan S2 off

......................................................... (2.11) Tegangan yang berada pada induktor bernilai negatif, ............................... (2.12)

Gambar 2.6. tegangan dan arus IL pada push– pull converter

2.3.

Frictional Forces Gaya gesek adalah gaya yang berarah melawan gerak benda atau arah kecenderungan benda akan bergerak. Gaya gesek muncul apabila dua buah benda bersentuhan. Benda-benda yang dimaksud di sini tidak harus berbentuk padat, melainkan dapat pula berbentuk cair, ataupun gas. Gaya gesek antara dua buah benda padat misalnya adalah gaya gesek statis dan kinetis ...................................................................... (2.21) Gaya gesek merupakan akumulasi interaksi mikro antar kedua permukaan yang saling bersentuhan. Gaya-gaya yang bekerja antara lain adalah gaya elektrostatik pada masing-masing permukaan. Dulu


diyakini bahwa permukaan yang halus akan menyebabkan gaya gesek (atau tepatnya koefisien gaya gesek) menjadi lebih kecil nilainya dibandingkan dengan permukaan yang kasar, akan tetapi dewasa ini tidak lagi demikian. Konstruksi mikro (nano tepatnya) pada permukaan benda dapat menyebabkan gesekan menjadi minimum, bahkan cairan tidak lagi dapat membasahinya

3. Pengujian dan Analisa 3.1 Pengujian Terintegrasi

Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem.

3.2

Efisiensi Push-Pull Converter Data Push-Pull Converter untuk mendapatkan nilai efisiensi motor driver yang telah didesain pada Tabel 3.1. sebagai berikut : (a)

(b)

Gambar 2.7. Permukaan Gesekan (a) kasar kering (b) kasar basah.

Terdapat dua jenis gaya gesek antara dua buah benda yang padat saling bergerak lurus, yaitu gaya gesek statis dan gaya gesek kinetis, yang dibedakan antara titik-titik sentuh antara kedua permukaan yang tetap atau saling berganti (menggeser). Untuk benda yang dapat menggelinding, terdapat pula jenis gaya gesek lain yang disebut gaya gesek menggelinding (rolling friction). Untuk benda yang berputar tegak lurus pada permukaan atau ber-spin, terdapat pula gaya gesek spin (spin friction).

Tabel 3.1. Efisiensi Push-Pull Converter dari Output Motor Driver Kondisi Pengemudian (Motor DC)

Throttle (%)

Vi Source (V)

Tanpa Gaya Gesekan Beban Sistem

100

24,54 23,73

I/O Ii Vo Source Motor (A) Driver (V) 1,75 64,18 5,25

63,1

η (%)

Io Motor Driver (A) 0,5

74,72

1,4

70,91

Perhitungan Daya Input dan Daya Output :

Perhitungan Efisiensi Motor Driver :

3.3

Pengujian Berbeban Tanpa Kontrol Pada pengujian tanpa kontrol (no control) adalah pengujian kontrol konvensional secara real time berdasarkan set value tanpa kontrol yaitu tanpa gaya gesekan dan berbeban sistem untuk dengan respon sistem yang dapat dilihat pada Gambar 4.21. sebagai berikut :

Gambar 2.8. Permukaan Gesekan (a) kasar kering (b) kasar basah.

Gambar 3.2. No control Tanpa Gaya Gesekan


Pengujian secara real time saat berbeban pengemudi yang setelah itu diberi beban tambahan yang kemudian dilakukan pengamatan terhadap grafik peubahan sesaat terhadap respon sistem saat pada mode No control adalah dan PI control adalah dengan nilai kecepatan steady state 1458 RPM.


Gambar 3.3. No control Berbeban Variabel

Gambar 3.5. PI control Berbeban Variabel



3.4

3.5

Pengujian Berbeban PI Kontrol Pada pengujian PI Kontrol secara real time adalah pengujian terkontol berdasarkan set value dengan kontrol yaitu PI tanpa gaya gesekan dan berbeban sistem untuk respon sistem yang dapat dilihat pada gambar 3.4. sebagai berikut :

Pengamatan Respon Sistem Dari hasil pengujian, diambil cuplikan sebagai sampling untuk diamati dan dianalisis untuk respon dari suatu sistem tersebut. Hasil pengamatan terdapat pada gambar 3.6., gambar 3.7., gambar 3.8., dan gambar 3.9.

Gambar 3.6. Analisa No control Tanpa Gaya Gesekan

Gambar 3.4. PI control Tanpa Gaya Gesekan Gambar 3.7. Analisa PI control Tanpa Gaya Gesekan


Gambar 3.8. Analisa No control Berbeban Variabel

terhadap input hambatan dengan parameter nilai pada saat terkontrol yaitu Kp = 0,05; Ki = 0,01; dan Kd = 0. Kecepatan motor DC untuk No control tidak terjadi overshoot saat starting dengan analisa respon sistem No control, waktu tunda (td) ≈ 1,5s; waktu naik (tr) ≈ 1,25s s/d 2,5s; waktu puncak (tp) ≈ 5,5s; dan waktu penetapan (ts) ≈ 8,6s. Kecepatan motor DC untuk PI control terjadi overshoot saat starting dengan analisa respon sistem PI control, nilai waktu tunda (td) ≈ 1,75s; waktu naik (tr) ≈ 0,5s s/d 2,5s; waktu puncak (tp) ≈ 4s; dan waktu penetapan (ts) ≈ 9s. Hasil penelitian Push-Pull converter ≈ 85V dengan input baterai yaitu double series accumulator ≈ 24V telah memberikan evaluasi pada karya Nugroho dan Havilandi (2012) yang menggunakan Boost converter ≈ 48V dengan input baterai yaitu triple series accumulator ≈ 36V. Referensi Azimah Binti Sari, Paper, “Push-Pull Converter”, University Teknologi Malaysia, Malaysia, 2000. [2] Barnes., Malcolm, Practical Variable Speed Drives and Power Electronics, Newnes is an imprint of Elsevier, Oxford, UK, 2007. [3] Grandis Prima Havilandi, Proyek Akhir, “Rancang Bangun Rangkaian Boost Converter Terkontrol Berbasis PI-Fuzzy Logic Controller Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik (Subjudul : Hardware)”, PENS-ITS, Surabaya, 2012. [4] Imam Sutrisno, Buku Ajar, “Pemrograman Komputer dengan Software MATLAB”, ITS Press, Surabaya, 2009. [5] James A., Dayton, Design Of Toroidal Transformers For Maximum Efficiency, National Aeronautics And Space Administration, Washington D.C., April 1972. [6] Lee., Sangwon and Choi., Sewan, A Three-Phase Current-Fed Push-Pull DC-DC Converter with Active Clamp for Fuel Cell Applications, IEEE, 2010. [7] Liu., Van Tsai, Design of Power System Control in Hybrid Electric Vehicle, World Electric Vehicle Journal Vol. 4, 2010. [8] M. Bangun Nugroho, Proyek Akhir, “Rancang Bangun Rangkaian Boost Converter Terkontrol Berbasis PI-Fuzzy Logic Controller Untuk Menyuplai Motor DC Pada Mobil Listrik (Subjudul : Software)”, PENS-ITS, Surabaya, 2012. [9] W. Hart., Daniel, Introduction To Power Electronic, Prentice-Hall International, Inc, 1997. [10] Wu., Tsai-Fu, Hung., Jin-Chyuan, Tsai., JengTsuen, Tsai., Cheng-Tao, and Chen., Yaow-Ming, An Active-Clamp Push–Pull Converter for Battery Sourcing Applications, IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 44, No. 1, January / February 2008. [1]

Gambar 3.9. Analisa PI control Berbeban Variabel

4.1.

Konversi RPM menjadi KM/H Persyaratan pengujian suatu rancangan mobil listrik harus memenuhi kriteria nilai kecepatan dalam km/h, maka terlebih dahulu dikonversi sebagai berikut :

Pengujian pada tabel 4.3. adalah dengan mengabaikan perbandingan gearbox sehingga RPM yang terukur adalah dari motor DC dan diketahui diameter roda adalah 32 cm. Tabel 3.2. Efisiensi Push-Pull Converter dari Output Motor Driver

Mode No control PI control

Kondisi Tanpa Gaya Gesekan Berbeban Variabel Tanpa Gaya Gesekan Berbeban Variabel

RPM 1458 1215 828 918

KM/H 88 73 50 55

4. Kesimpulan Energi terbarukan adalah tren yang berkembang ke arah masa depan sebagai pelopor teknologi hijau yang mendapatkan perhatian internasional, terkait dengan krisis energi pada kendaraan elektrik khususnya mobil listrik. Kontribusi hasil pengujian proyek akhir ini, salah satunya adalah untuk efisiensi push-pull converter dari output motor driver yaitu 74,72% untuk tak berbeban dan 70,91% untuk berbeban, setelah itu dilakukan uji input hambatan saat berbeban sistem, dari hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem No control tidak responsif terhadap input hambatan dan PI control akan responsif


Young., Hugh D., Freedman., Roger A., Ford., A. Lewis, Sears & Zemansky’s, “University Physics With Modern Physics 13th Edition”, Pearson Education Inc., publishing as Addison-Wesley, San Francisco, CA, 2012. [12] …, Datasheet ATmega324 ATMEL. [13] …, Electric Vehicles: Charged with Potential The Royal Academy of Engineering, ISBN 1903496-56-X, Carlton House Terrace, London, May 2010. [14] …, The Toroidal Inductor. http://ieeeb.okstate.edu/lecturenotes/ EET4654%20Microwaves/Lecture%2017%20Th e%20Toroidal%20Inductor.pdf. Diakses 4 Desember 2013.

[11]

Teknik Elektro Industri Vol.2, No.2, 2014 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Recommend Documents