RANCANG BANGUN DAN ANALISIS PENGGUNAAN KENDALI PID UNTUK BUCKBOOST CHOPPER KAPASITAS 1 kW BERBASIS MIKROKONTROLER

MAKALAH SEMINAR HASIL TUGAS AKHIR (TA) RANCANG BANGUN DAN ANALISIS PENGGUNAAN KENDALI PID UNTUK BUCKBOOST CHOPPER KAPASITAS 1 kW BERBASIS MIKROKONTROLER Dio Fawwaz Prakoso(1) , Dr. Eng. Suroso, S.T.,M.Eng.(2) ,Priswanto, S.T., M.Eng.(3) Mahasiswa Pemakalah1), Dosen Pembimbing I2), Dosen Pembimbing II3) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Jenderal Soedirman ABSTRAK Turbin angin yang terpasang pada PLTB memuat generator induksi didalamnya dan menghasilkan tegangan keluaran yang dapat dikonsumsi oleh konsumen. Dalam prosesnya tegangan yang dikeluarkan belum stabil maka dibutuhkan penstabil tegangan. Pada penelitian ini, penstabil tegangan tersebut menggunakan buckboost chopper DC-DC converter. Dengan menggabungkan sifat buck converter yang menurunkan tegangan dan boost converter sebagai penaik tegangan, maka akan dihasilkan tegangan tetap yang mengacu pada suatu tegangan referensi yang dihasilkan oleh sistem secara stabil. Selain itu, pada penelitian kali ini menggunakan kendali PID. Elemen kontroler P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat respon sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar. Penelitian ini menggunakan metode simulasi dengan software PSIM dan merancang hardware buckboost chopper. Penentuan konstanta Kp, Ki, dan Kd menggunakan metode eksperimental. Tegangan keluaran (setpoint) pada penelitian sistem buckboost chopper ini adalah 24 volt dan menggunakan kecepatan angin dan tegangan masukan yang bervariasi. Pada simulasi, digunakan buckboost chopper dengan dua sistem PLTB paralel. Nilai tegangan keluaran saat kecepatan angin berbeda yaitu 3m/s dan 5m/s adalah 24,1volt. Kemudian pada hardware buckboost chopper, hasil pengujian rata-rata %error yang didapat adalah <5%.

Kata kunci : Buckboost chopper, Duty cycle, PWM, Mikrokontroler, dan PID. 1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang

Sistem buckboost chopper merupakan salah satu regulator DC tipe switching nonisolated yang dapat menjawab kebutuhan akan sebuah sumber tegangan searah dengan tegangan keluaran yang variabel. Dengan sistem buckboost chopper, nilai tegangan keluaran dapat diatur untuk lebih besar maupun lebih kecil dari nilai tegangan masukannya dengan mengatur besar lebar pulsa (duty cycle) dari PWM (Pulse Width Modulation). Karena itu, dibandingkan dengan regulator dc tipe pensaklaran lainnya, buckboost konverter memiliki range tegangan keluaran yang lebih lebar [1].

Perkembangan teknologi komponen dan rangkaian elektronika telah mampu menghasilkan sistem penyedia daya tegangan searah (DC), yang dihasilkan melalui konversi tegangan DC masukan ke bentuk tegangan DC keluaran yang lebih tinggi atau lebih rendah. Konversi tegangan dc ini biasa disebut sebagai DC-DC konverter. Pada perkembangannya, penerapan DC-DC konverter telah memungkinkan suatu perangkat elektronika dapat berfungsi dengan menggunakan sumber energi baterei yang berukuran kecil di mana tegangan keluarannya dapat diubah-ubah sesuai kebutuhan pemakaian. Hingga saat ini, berbagai konfigurasi DC-DC konverter telah banyak dikembangkan, diantaranya adalah jenis DC-DC konverter yang tidak memiliki isolasi dielektrik antara tegangan masukan dan keluaran, atau biasa disebut sebagai non-isolated DC-DC konverter.

1.2. Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang diatas, maka dapat dibuat rumusan masalah penelitian sebagai berikut :

1

1.

2.

3.

Bagaimana merancang dan menganalisa penggunaan kendali PID untuk Buckboost Chopper kapasitas 1kW Berbasis mikrokontroler? Bagaimana membuat rangkaian Buckboost Chopper dengan kendali PID berbasis mikrokontroler untuk pengendali daya dua sistem PLTB paralel? Bagaimana cara pengkondisian sinyal keluaran Buckboost Chopper dengan kendali PID?.

Prinsip dasar kerja dari turbin angin adalah mengubah energi gerak angin menjadi energi putar pada kincir, lalu putaran kincir digunakan untuk memutar generator, yang akhirnya akan menghasilkan listrik. Komponen yang menghasilkan listrik pada rangkaian turbin angin pembangkit listrik adalah generator. Prinsip kerja generator adalah memakai kaidah Hukum Faraday, yaitu apabila sebuah penghantar digerakkan di dalam sebuah medan magnet, maka kedua ujung penghantar tersebut akan timbul ggl induksi. Bila kedua ujungnya dihubungkan dengan beban, misalnya sebuah lampu, maka akan mengalir arus listrik dan timbul daya listrik [13]. Energi mekanik yang dihasilkan dari kincir angin tersebutlah yang dapat dikonversi menjadi energi listrik. Energi mekanik yang dihasilkan akan sebanding dengan massa angin dan kecepatan angin. Berikut adalah kurva karakteristiknya.

1.3. Batasan Masalah Agar penelitian ini terfokus, maka pembahasan pada penelitian ini dibatasi oleh hal-hal sebagai berikut : 1. Penjelasan cara kerja Buckboost Chopper. 2. Perancangan sistem kendali PID menggunakan mikrokontroler Arduino. 3. Perancangan Buckboost Chopper dengan kapasistas 1 kW untuk pengendali daya PLTB.

1.4. Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini antara lain : Merancang dan menganalisa penggunaan kendali PID untuk Buckboost Chopper kapasitas 1kW Berbasis Mikrokontroler. 2. Menstabilkan tegangan keluaran pada sistem Buckboost Chopper dengan menggunakan kendali PID. 3. Menguji secara simulasi dan alat apakah nilai tegangan keluaran yang dihasilkan sesuai dengan teori Buckboost Chopper. 1.

Gambar 2.1 Kurva Karakteristik PLTB [4]

2.2. Buckboost Converter Buckboost konverter berfungsi untuk mengubah level tegangan DC, baik ke level yang lebih tinggi maupun ke level yang lebih rendah [15]. Namun buckboost konverter mengubah polaritas dari tegangan output terhadap tegangan input. Pada gambar 2.2 merupakan rangkaian dasar buckboost konverter yang terdiri dari power MOSFET sebagai switching komponen, induktor (L), dioda, kapasitor filter (C) dan

1.5. Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui cara merancang, menganalisa, dan membuat rangkaian Buckboost Chopper Kapasitas 1 kW dengan Kendali PID berbasis mikrokontroler beserta komponen-komponen yang diperlukan. 2. Mengetahui bagaimana unjuk kerja dari mikrokontroler dalam pengkondisian sinyal keluaran Buckboost Chopper dengan kendali PID. 3. Menciptakan nilai teganan keluaran yang stabil dengan kapasistas 1 kW.

2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Pembangkit Listrik Angin/Bayu

resistor sebagai beban (RL) [2].

Gambar 2.2 Buckboost Converter [1]

Induktor digunakan sebagai filter untuk mengurangi ripple arus. Sedangkan kapasitor digunakan sebagai filter untuk mengurangi ripple tegangan. Dioda digunakan sebagai komponen switching yang bekerja pada keadaan

Tenaga

2

switch open, sehingga arus tetap mengalir ke induktor.

konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dibanding yang lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan [5].

2.2.1. Prinsip Kerja Buckboost Converter Prinsip kerja rangkaian ini dibagi menjadi 2 mode yaitu mode 1 saat switch di-ON-kan dan mode 2 saat switch di-OFF-kan. Siklus kerja buckboost konverter terlihat seperti pada gambar berikut.

Gambar 2.3 Siklus kerja buckboost konverter baik pada switch ON & OFF [1]

Gambar 2.4 Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk pengendali PID [8]

Saat switch on, induktor mendapat tegangan dari input dan mengakibatkan adanya arus yang melewati induktor berdasarkan waktu dan dalam waktu yang sama kapasitor dalam kondisi membuang (discharge) dan menjadi sumber tegangan dan arus pada beban.

2.4. PID Library Arduino Uno PID Library adalah sebuah library yang terdapat pada Arduino Uno. Seperti diketahui, kontrol PID adalah menghitung nilai error yang didapatkan dari selesih antara nilai masukan dengan nilai setpoint. Kontrol PID disini berupaya untuk memperkecil nilai error tersebut dengan menyesuaikan nilai keluaran. Pada library PID ini juga sudah dilengkapi dengan pendeklarasian Tuning-Parameters yaitu Kp (Konstanta Proposional), Ki (Konstanta Integral) dan Kd (Konstanta Derivatif). Dengan merubah konstanta-kontansta inilah, hasil nilai keluaran yang disesuaikan cepat atau lambat dalam melakukan proses tersebut.

Saat switch off, tegangan input terputus menyebabkan mulainya penurunan arus dan menyebabkan ujung dioda bernilai negatif dan induktor mensuplai kapasitor (charge) dan beban. Jadi pada saat switch on arus beban disuplai oleh kapasitor, namun pada saat switch off disuplai oleh induktor.

2.3. Sistem Kendali Sistem kendali merupakan sebuah sistem yang terdiri atas satu atau beberapa peralatan yang berfungsi untuk mengendalikan sistem lain yang berhubungan dengan sebuah proses [6].

2.5. Mikrokontroler Arduino Arduino adalah sebuah board mikrokontroler yang berbasis ATmega328. Arduino memiliki 14 pin input/output yang mana 6 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 6 analog input, crystal osilator 16 MHz, koneksi USB, jack power, kepala ICSP, dan tombol reset. Arduino mampu men-support mikrokontroller dan dapat dikoneksikan dengan komputer menggunakan kabel USB.

2.3.1. Pengendali PID Elemen-elemen kontroler P, I dan D masingmasing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar [9]. Keluaran pengendali PID merupakan jumlahan dari keluaran pengendali proporsional, integral, dan diferensial. Gambar 2.9 menunjukkan hubungan tersebut. Karakteristik pengendali PID sangat dipengaruhi oleh kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Penyetelan konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat dari masingmasing elemen. Satu atau dua dari ketiga

Gambar 2.5 Board Arduino UNO

3

2.6. Software Pendukung Pada penelitan ini digunakan beberapa software atau perangkat lunak untuk mendukung simulasi, perancangan, pembuatan mulai dari rangkaian Buckboost Chopper hingga pembangkitan sinyal. Software yang digunakan adalah Power Simulation (PSIM) dan Proteus ISIS dan ARES. PSIM merupakan software simulasi yang didesain khusus untuk studi simulasi elektronika daya, kontrol analog dan digital, magnetik, dan motordrive. Rangkaian dalam PSIM direpresentasikan dalam empat diagram blok yaitu rangkaian daya, rangkaian kontrol, sensor, dan kontroler saklar. Sedangkan Proteus adalah software buatan Labcenter Elektronik yang digunakan untuk simulasi dan perancangan skematik dalam pembuatan PCB (Printed Circuit Board).

3.2.2. Bahan Adapun bahan yang akan dipakai pada penelitian ini adalah : 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13.

Catu Daya DC. IGBT IRG4PH50S. Dioda RHRG75120 Arduino Uno R3. Indukto1mH. Kapasitor 100uF (420V). Resistor Kapur 15KΩ dan 1KΩ. TLP 250. LCD I2C Jumper. PCB. Larutan FeCl. Tinol.

3.3. Tahap Penelitian 3.3.1. Tahap Persiapan

2.7. Metode Standar Deviasi

Merupakan tahapan sebelum melakukan penelitian, meliputi pembuatan pra-proposal, perumusan masalah, hingga mengidentifikasi masalah. Mempelajari permasalahan melalui studi literatur (studi pustaka, buku, jurnal, artikel, dan sebagainya) tentang karakteristik dan cara kerja untuk mendapatkan suatu hipotesa. Mencari referensi metode yang digunakan untuk pemrograman PWM dan kendali PID dengan mikrokontroler. Menentukan objek serta lokasi penelitian.

Standar deviasi adalah nilai statistik yang digunakan untuk menentukan bagaimana sebaran data dalam sampel, dan seberapa dekat titik data individu ke mean - atau rata-rata nilai sampel. Sebuah standar deviasi dari kumpulan data sama dengan nol menunjukkan bahwa semua nilai-nilai dalam himpunan tersebut adalah sama. [16].

3. METODE PENELITIAN 3.1. Waktu dan Tempat Adapun waktu dan tempat penelitian ini dilakukan pada : Waktu : Oktober – Desember 2017 Tempat : Laboratorium Teknik Elektro

3.3.2. Tahap Perancangan Simulasi Komputer

dan

Dalam tahap ini merupakan pembuatan rancangan rangkaian menggunakan software Power PSIM Proffesional 9.0.3 dan Proteus 8.6. Diagram blok keseluruhan dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Fakultas Teknik Universitas Jenderal Soedirman

3.2. Alat dan Bahan 3.2.1. Alat Adapun alat yang menunjang penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Laptop DELL Inspiron 14R Processor i7 Windows 10. 2. Software Power PSIM Proffesional versi 9.0.3. 3. Sofware Proteus 8.6. 4. Software Arduino IDE 5. Multimeter digital. 6. Osiloskop digital. 7. Seperangkat kamera. 8. Solder. 9. Tang Potong. 10. Seperangkat Obeng. 11. Soldering Atraktor.

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem

Pada gambar diagram blok diatas, buckboost konverter menerima tegangan masukan dan arus dari PLTB yang tegangan dan arusnya telah melalui rectifier (penyearah). Kemudian mengubahnya ketegangan lebih besar atau lebih kecil dan hasilnya di alirkan ke beban yaitu baterai, agar tegangan yang di berikan pada batrai dapat benilai tetap yaitu sesuai setpoint 4

yang diinginkan maka keluaran dari buck-boost converter di umpanbalik ke pengendali yang berupa mikrokontroler Arduino yang telah di tanam program metode kendali PID. Kemudian, rangkaian optocoupler merupakan salah satu jenis komponen rangkaian penyulut saklar daya.

3.3.3. Tahap Pembuatan Pengujian

dan Pengujian Prototipe Di tahap ini merupakan tahap pembuatan prototype rangkaian Buckboost Chopper. Rangkaian ini yang nantinya akan diuji apakah Buckboost Chopper dapat menghasilkan tegangan keluaran yang stabil dengan kendali PID berbasis mikrokontroler.

3.3.4. Tahap Pengambilan Data Pengambilan data dilakukan guna mempelajari hasil dari uji rangkaian Buckboost Chopper yaitu bagaimana nilai tegangan keluaran yang dihasilkan dan pengaruh kendali PID terhadap kurva tegangan keluaran.

3.3.5. Tahap Analisis Tahap analisis merupakan tahap untuk menganalisa data yang didapat dari hasil pengujian rangkaian Buckboost Chopper apakah nilai tegangan keluaran yang dihasilkan sudah sesuai dengan teori yang berlaku.

Gambar 3.1 Diagram Alur Penelitian

4. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1. Hasil Perancangan Sistem Gambar 4.1 menunjukan hasil perancangan dari topologi topologi buckboost chopper dengan model Pulse Width Modulation (PWM) dan kendali PID dengan menggunakan PSIM 9.0.3., dimana pada perancangan prototype model Pulse Width Modulation (PWM) dan kendali PID akan menggunakan basis mikrokontroler.

3.3.6. Tahap Akhir Tahap ini adalah tahap paling akhir, dimana semua hasil penelitian akan diolah yang kemudian disusun menjadi laporan hasil penelitian dan kemudian diseminarkan

3.4. Diagram Alur Penelitian Diagram alur penelitian dapat dilihat pada Gambar 3.1 dibawah ini.

Gambar 4.1 Hasil Perancangan PSIM Rangkaian buckboost chopper terdiri dari rangkaian sumber tegangan DC, dimana sumber tegangan DC yang digunakan untuk mensuplai

5

rangkaian utama chopper. Pada penelitian ini terdapat rangkaian rectifier dimana rangkaian tersebut berguna sebagai penyearah dari rangkaian paralel sistem PLTB. Sedangkan rangkaian utama buckboost chopper terdiri dari induktor yang berfungsi sebagai filter daya yang masuk, IGBT sebagai media penyaklaran yang merupakan komponen penting karena pada dasarnya prisip kerja buckboost chopper adalah menaikkan dan menurunkan tegangan dari adanya sinyal PWM yang masuk ke IGBT. Penelitian ini juga akan menggunakan beban berupa resistor, voltage sensor dan rangkaian kendali PID serta rangkain pembangkit sinyal Pulse Width Modulation (PWM).

Gambar 4.1 Tegangan Wind Turbine 1

4.1.1. Parameter Buckboost Chopper Dalam menentukan parameter perancangan buckboost chopper yang harus pertama dilakukan adalah menentukan parameter dari tegangan input (Vin) dan tegangan output (Vout) yang diinginkan dan juga mode dari perancangan buckboost chopper itu sendiri. sesuai instruksi sebelumnya yaitu menentukan nilai parameter yang ditetapkan pada awal perencanaan sistem buckboost chopper adalah sebagai berikut :

Gambar 4.2 Tegangan Wind Turbine 2

Gambar 4.3 Tegangan Masukan Buckboost

Tegangan Keluaran = 24 volt Ripple Tegangan = 1% Frekuensi Switching = 31 KHz Dari parameter diatas, didapatkan nilainilai yang akan diimplementasikan ke masingmasing komponen, yaitu:    

Gambar 4.4 Tegangan Keluaran Buckboost

Duty cycle : 50% Resistor : 50 Ω Induktor : 1 mH Kapasitor : 0.001 Farad

Gambar 4.5 Arus Keluaran Buckboost

4.2. Hasil Simulasi dan Pembahasan

Pada Gambar 4.1 dan 4.2, dapat diamati pada pengamatan menggunakan probe VLL dan VP. Nilai yang didapatkan sangatlah berbeda. Itu karena kecepatan dari kedua angina tersebut yang berbeda. Namun pada probe Vw1, Vw2 dan Vin (Tegangan Masukan Buckboost), nilai tegangan yang didapatkan adalah sama yaitu 91,6 volt. Ini dikarenakan rangkaian kedua sistem tersebut paralel. Tegangan keluaran yang didapatkan adalah 24,1 volt. Itu artinya adalah tegangan keluaran mendekati nilai setpoint yaitu 24 volt. Ini dapat disimpulkan bahwa kendali PID berjalan sesuai kaidah yaitu menstabilkan tegangan keluaran pada sistem ini.

Dalam subbab ini, penulis akan menyampaikan hasil dari simulasi rangkaian buckboost chopper yang terhubung dengan 2 sistem PLTB dengan menggunakan software PSIM. Gambar dibawah ini menunjukan simulasi dari penelitian kali ini. Kecepatan angin yang digunakan antara sistem 1 dan sistem 2 pada PLTB berbeda. Berikut adalah hasinya.

6

Dari hasil perhitungan berdasarkan persamaan pembagi tegangan maka kita peroleh nili R2 sebesar 1000 Ohm dan R1 15000 ohm.

4.3. Perancangan Prototipe Pada percangan prototipe dari buckboost chopper ini selain menggunakan hasil simulasi PSIM 9.0.3. sebagai acuan awal juga menggunakan software Proteus 8.6 dan dibantu dengan software ARES dan ISIS dimana setiap software yang digunakan saling memiliki kekurangan dan kelebihan masing-masing dan pada penelitian ini digunakan untuk saling melengkapi. Dan untuk merancang simulasi berupa program yang berbasis mikrokontroler akan menggunakan software Arduino IDE.

4.3.2. Perancangan Kendali PID dan PWM Kontroler digunakan untuk mengontrol tegangan keluaran dari buckboost chopper agar tegangan keluarannya stabil. Kontroler yang digunakan adalah mikrokontroler Arduino Uno dengan menggunakan algoritma PID kontroler. Dalam membuat kontroler ini yang diperhatikan adalah mengenai setpoint dari output buckboost yang harus dipertahankan yang dilihat dari data ADC. Nilai PID adalah penjumlahan dari nilai P, I dan D. Pada program ini juga digunakan batasan untuk nilai PWM. Nilai PWM dibatasi agar operasi dari sistem ini bekerja hanya pada batasannya saja. float setpoint = 86; // Reference = 24 volt void loop() { //main program analogout=analogRead(sensor); analogout=map(analogout,0,1023,0,255); vout=(analogout*24)/86; error=setpoint-analogout; integral += error*timesampling; p=kp*error; i=ki*integral; i=integral+(error*ki)*timesampling; d=((analogout*kd) / timesampling); pid=p+i+d; PWM=PWM+pid; if(PWM<9) //30 to 24 PWM=9; if(PWM>140) //5 to 24 PWM=140; Pembangkit pulsa PWM didapatkan dari mikrokontroler yang selanjutnya digunakan optocoupler sebagai pemisah dan masuk kerangkaian totempole yang berfungsi untuk penguat arus dimana rangkaian optocoupler dan totempole dikemas dalam rangkaian driver TLP 250. Besarnya nilai PWM tergantung pada besarnya settingan duty cycle yang digunakan pada program. Program yang dirancang juga ntuk dapat menampilkan nilai ADC (Analog Digitla Converter) yang masuk ke mikrokontroler dari hasil sensor tegangan dan menampilkan settingan dari nilai duty cycle pada layar LCD.

4.3.1. Perancangan Sensor Tegangan Sensor tegangan yang digunakan pada rangkaian buckbboost chopper berfungsi untuk memberikan tegangan pada mikrokontroller sebagai respon untuk fungsi kendali PID. Karena hasil hasil pembagi tegangan akan disampaikan pada komponen mikrokontroler (Arduino Uno) dan tegangan maksimal yang dapat dilalui oleh ADC pada mikrokontroller hanya sebesar 5 Volt.

Gambar 4.6 Skema Pembagi Tegangan

Pada perancangan ini kita menetapkan nilai tegangan yang masuk ke pembagi tegangan dari buckboost chopper sebesar 80 volt, tegangan ke ADC mikrokontroler untuk menjaga jika terjadi lonjakan tegangan dari keluaran buckboost chopper dengan menetapkan tegangan dibawah 5 Volt menuju ADC dan nilai R1 sebesar 15000 Ohm sehingga persamaan yang akan kita gunakan untuk mencari nilai R1 adalah : 𝑅2 =

𝑥 (𝑅1 + 𝑅2)

𝑅2 =

5𝑉 𝑥 (15000 + 𝑅2) 80𝑉

(4.4)

𝑅2 = 937.5 + 0.0625 𝑅2 𝑅2 = 1000 𝑜ℎ𝑚

7

4.3.3. Desain Chopper

Prototipe

hasilnya. Pada Gambar 4.9, dapat dilihat Hardware keseluruhan dari penelitian kali ini.

Buckboost

Dari hasil perancangan bagian-bagian prototype buckbost chopper yang telah dilakukan sebelumnya maka hasil desain keseluruhan rangkaian ditunjukan pada gambar 4.7 dan gambar 4.8 yang masing-masing didesain dengan menggunakan software Proteus 8.6 dan ARES. Q2 IRF6215

D1

(+) +88.8 Amps

6TQ045

VIN1

R1

20

C2

L2

3.3k a0

R8

a0

50

47uF

trigger

1mH

+88.8 Volts

LCD1 16_X_2_LCD

R2

RS RW E

D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7

Gambar 4.9 Hardware Keseluruhan

R6

R10

10k

1k

100

7 6 5 4 3 2 1 0

R5

13 12 11 10 9 8

pwm

LCD1(VDD)

7 8 9 10 11 12 13 14

R6(1)

4 5 6

1 2 3

VSS VDD VEE

180

5

R9 trigger

4.4.1. Pengujian Sinyal IGBT

www.TheEngineeringProjects.com

10 4 OPTOCOUPLER-NPN

PD7/AIN1 ~ PD7/AIN1 ~ PD5/T1/OC0B PD4/T0/XCK ~ PD3/INT1/OC2B PD2/INT0 PD1/T XD PD0/RXD

AREF

Q3 TIP41

220

Q1 TIP41

Q4 TIP42 ON

Untuk memastikan apakah rangkaian driver dalam hal ini TLP 250 bekerja dengan skema maka diperlukan uji terhadap rangkaian driver. Pada penelitian ini digunakan IC TLP250 sebagai rangkaian kemudi IGBT.

PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL

6

2

1121 ATMEGA328P-PU

1

PB5/SCK PB4/MISO

R7

U1 pwm

~ PB3/MOSI/OC2A ~ PB2/OC1B ~ PB1/OC1A PB0/ICP1/CLKO

ARD1 ARDUINO UNO

RESET

ANALOG IN

a0

A0 A1 A2 A3 A4 A5

Reset BT N

Gambar 4.7 Skematik Buckboost Chopper Proteus

Proses selanjutnya setelah melakukan simulasi skematik prototype buckboost chopper maka yang dilakukan adalah mendesaian penempatan setiap komponen elektronika yang digunakan, pada penelitian ini mengunakan ARES yang ditunjukan pada gambar 4. skematik PCB buckboost chopper.

Pada penelitian ini diberikan tegangan Vcc 24 Volt sehingga tegangan gate-source VGS akan berubah dari 0 ke 24 V dikuarangi jatuh tegangan pada tahanan gate-source RGS dengan lebar pulsa mengikuti karakteristik lebar pulsa sinyal masukannya. Gambar berikut menunjukan hasil pengujian sinyal VGS dengan memberikan nilai duty cycle 25%, 50%, 75% dan 90%. CH1 merupakan probe yang dipasang pada kaki gate dan source pada IGBT. Berikut adalah contoh gambar hasil pengujian menggunakan osiloskop dutycycle 50%.

Gambar 4.8 Printout skematik buckboost chopper

4.4. Hasil Pengujian dan Analisis Pada proses pengujian ini dibagi menjadi tiga bagian yaitu pengujian rangkaian driver, hasil perancangan prototype rangkaian utama buckboost chopper tanpa beban, dan pengujian dengan beragam beban. Pengujian tersebut tentunya sudah menggunakan kendali PID dan akan dilihat pengaruh kendali tersebut terhadap tegangan keluaran. Setelah mendapatkan hasil uji melalui osiloskop, penulis akan menganalisis

Gambar 4.10 Sinyal VGS duty cycle 50%

Selanjutnya, pada penelitian kali ini digunakan variasi tegangan masukan dan menggunakan frekuensi dari mikrokontroler 31 KHz. Kemudian digunakan osiloskop sebagai pembaca duty cycle, tegangan RMS IGBT dan 8

frekuensi dari mikrokontroler. Berikut adalah tabel dari hasil uji rangkaian driver.

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Tanpa Beban

Vinput (V) 5 12 16 26 30

Tabel 4.1 Hasil Pengujian Rangkaian Driver

Teg. Masukan

Duty Cycle IGBT (%) 52.3

Frek. Switching (KHz)

5

Teg. RMS IGBT (V) 9.83

12

1.95

15.3

31.38

16

1.45

11.5

31.29

26

0.732

4.99

31.37

30

0.368

5.46

31.39

31.41

Setpoint 24 V 24 V 24 V 24 V 24 V

Voutput (V) 23.5 23.9 24.1 24.3 24

%Error (%) 2.2% 0.4% 0.4% 1.2% 0

Hasil pengukuran rangkaian buckboost chopper pada Tabel 4.2 diperoleh nilai tegangan keluaran yang diperoleh melalui osiloskop. Untuk melihat contoh dari pengukuran menggunakan osiloskop, dapat dilihat pada gambar 4.13 berikut. CH1 merupakan sinyal tegangan input, sedangkan CH2 sinyal tegangan output.

Dari hasil pengujian pada Tabel 4.1, dapat dilihat bahwa ketika tegangan masukan yang dipakai berbeda-beda. Pengujian ini dilakukan uji sinyal PWM yang masuk ke gate IGBT untuk memastikan apakah program pada mikrokontroler untuk memberikan PWM dengan mengatur duty cyle bekerja pada IGBT. . Selanjutnya sinyal keluaran yang diperoleh melalui osiloskop dari kaki gate and source pada probe CH2 dapat dilihat pada gambar berikut ini. Sedangkan, CH1 merupakan sinyal pada tegangan masukan.

(a)

Gambar 4.11 Sinyal Keluaran IGBT Masukan 5 volt

4.4.2. Pengujian Pengaruh Kendali PID pada Rangkaian Buckboost Chopper Tanpa Beban

(b) Gambar 4.13 Hasil Pengukuran Input (a) 5v (b) 30v

Pada pengujian kali ini, bertujuan untuk mengetahui apakah target untuk mode buck dan boost tegangan DC dapat tercapai sesusai setpoint yang ditentukan yaitu 24 Volt. Maka butuh pengujian pengaruh kendali PID pada rangkaian buckboost chopper tanpa beban. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.2 dan gambar dibawah ini.

Berdasarkan Tabel 4.2, pengujian yang dilakukan menggunakan 5 macam variasi tegangan masukan. Gambar 4.13(a) adalah sistem dalam mode boost dari 5v menjadi 23,5v. Sedangkan Gambar 4.13(b) merupakan mode buck dari 30v menjadi 24v. Pengujian tanpa beban memiliki hasil yang sangat baik, karena tidak ada arus yang melewati rangkaian tersebut. 9

Kemudian disimpulkan bahwa alat memiliki rata-rata <5% error. Selanjutnya, dilakukan perhitungan standar deviasi dari hasil keseluruhan tegangan keluaran yang didapatkan menggunakan Microsoft Excel, hasil yang didapatkan adalah 0,296648.

4.4.3. Pengujian Pengaruh Kendali PID pada Rangkaian Buckboost Chopper dengan Beban Satu Resistor Berbeda dengan pengujian sebelumnya, pegujian kali ini menggunakan beban resistor kapur 20 watt dengan spesifikasi 10Ω. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.3 dan gambar dibawah ini.


Berdasarkan Tabel 4.3, pengujian yang dilakukan menggunakan 5 macam variasi tegangan masukan. Gambar 4.14(a) adalah sistem dalam mode boost dari 12,4v menjadi 24,5v. Sedangkan Gambar 4.14(b) merupakan mode buck dari 26,5v menjadi 23,7v. Kemudian rata-rata %error yang didapat <5%. Namun, pada tegangan masukan 5v, %error yang didapat 17,5%. Hal ini disebabkan oleh terjadinya kesalahan pada kendali PID-nya dan nilai beban yang terlalu kecil sehingga menyebabkan adanya nilai arus yang besar.

Tabel 4.3 Hasil Pengujian dengan Beban Satu Resistor

Vinput (V)

Setpoint Iout Vout %Error (A) (V) Vout

5

24 V

1.82

19.8

17.5%

12

24 V

2.28

24.5

2.083%

16

24 V

2.32

24.6

2.5%

26

24 V

2.25

23.7

1.25%

30

24 V

2.47

24.4

1.67%

Selanjutnya, dilakukan perhitungan standar deviasi dari hasil keseluruhan tegangan keluaran yang didapatkan menggunakan Microsoft Excel, hasil yang didapatkan adalah 2,043282.

4.4.4. Pengujian Pengaruh Kendali PID pada Rangkaian Buckboost Chopper dengan Beban Dua Resistor Seri

Hasil pengukuran rangkaian buckboost chopper pada Tabel 4.2 diperoleh nilai tegangan keluaran yang diperoleh melalui osiloskop. Untuk melihat contoh dari pengukuran menggunakan osiloskop, dapat dilihat pada gambar 4.14 berikut.

Selanjutnya, pegujian kali ini menggunakan beban dua resistor kapur 20 watt dengan spesifikasi 10Ω yang dipasang seri. Itu berarti nilai beban menjadi 20Ω. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.4 dan gambar dibawah ini.

(a)

10

rata-rata %error yang didapat adalah <5 %error. Namun, pada tegangan masukan 5v, %error yang didapat 10%. Hal ini disebabkan oleh terjadinya kesalahan pada kendali PID-nya.

Tabel 4.4 Hasil Pengujian dengan Beban Dua Resistor Seri

Vinput (V)

Setpoint

Iout Vout (A) (V)

%Error Vout

5

24 V

2.03

21.6

10%

12

24 V

2.32

24.2

0.83%

16

24 V

2.32

23.8

0.83%

26

24 V

2.39

24.3

1.25%

30

24 V

2.38

24.2

0.83%


4.4.5. Pengujian Pengaruh Kendali PID pada Rangkaian Buckboost Chopper dengan Beban Dua Resistor Paralel Pengujian terakhir adalah menggunakan beban dua resistor kapur 20 watt dengan spesifikasi 10Ω yang dipasang paralel. Itu berarti nilai beban menjadi 5Ω. Hasil pengujian dapat dilihat pada Tabel 4.5 dan gambar dibawah ini.


Tabel 4.5 Hasil Pengujian dengan Beban Dua Resistor Paralel

(a)

Vinput (V)

Setpoint

Iout (A)

Vout (V)

%Error Vout

5

24 V

1.62

17.2

28.3%

12

24 V

2.29

24.8

3.3%

16

24 V

2.24

23.7

1.25%

26

24 V

2.40

24.2

0.83%

30

24 V

2.30

23.6

1.67%



Berdasarkan Tabel 4.4, pengujian yang dilakukan menggunakan 5 macam variasi tegangan masukan. Gambar 4.15(a) adalah sistem dalam mode boost dari 16,4v menjadi 23,8v. Sedangkan Gambar 4.15(b) merupakan mode buck dari 30,3v menjadi 24,2v. Kemudian 11

untuk mempermudah penulis menampilkan karakter ke LCD. Hanya terdapat 4 Port yang digunakan pada I2C, yaitu Vcc, Gnd, SDA, dan SCL. Konfigurasi LCD 12C dan arduino ditunjukkan pada gambar 4.17.

(a) Gambar 4.16 Konfigurasi Tampilan LCD I2C dan Arduino Uno

Selanjutnya, pada penelitian kali ini menggunakan hardware LCD yang sudah terpasang modul I2C. LCD menampilkan nilai tegangan keluaran yang terbaca oleh sensor tegangan dan PWM. Berikut merupakan gambar dari hardware LCD dan tampilan yang terbaca.


Berdasarkan Tabel 4.5, pengujian yang dilakukan menggunakan 5 macam variasi tegangan masukan. Gambar 4.16(a) adalah sistem dalam mode boost dari 12,6v menjadi 24,8v. Sedangkan Gambar 4.16(b) merupakan mode buck dari 26,5v menjadi 24,2v. Kemudian rata-rata %error yang didapat adalah <5 %error. Namun, pada tegangan masukan 5v, %error yang didapat 28,3%. Hal ini disebabkan oleh terjadinya kesalahan pada kendali PID-nya dan nilai beban yang terlalu kecil sehingga menyebabkan adanya nilai arus yang besar.

5. Kesimpulan dan Saran 5.1. Kesimpulan


1.

Gambar 4.17 Tampilan LCD

Berdasarkan penelitian yang sudah dilakukan, didapatkan kesimpulan sebagai berikut:

4.4.6. Pengujian Tampilan LCD Penulis menggunakan LCD untuk menampilkan hasil dari tegangan output yang dihasilkan oleh rangkaian Buck-Boost Chopper dan menampilkan nilai duty cycle yang dihasilkan oleh trigger pin PWM arduino menuju TLP 250 dan menghasilkan sinyal pensaklaran pada IGBT. LCD yang digunakan ditambahkan komponen I2C, yang berguna

2.

3.

12

Rangkaian buckboost chopper dengan kendali PID berbasis mikrokontroler Arduino Uno dapat menyeimbangkan tegangan keluaran dengan setpoint 24 volt. Perancangan buckboost chopper dipengaruhi oleh parameter-parameter seperti dutycycle dan nilai komponen yang akan digunakan. Pada pengujian alat buckboost chopper dengan kendali PID dan dibebani resistor paralel (5Ω) dengan tegangan masukan 5

4.

volt masih belum sempurna. Nilai tegangan keluaran yang dihasilkan tidak mendekati setpoint, melainkan menghasilkan persentase kesalahan maksimal 28,3%. Perbandingan nilai resistor yang digunakan pada sensor tegangan sangat mempengaruh pembacaan. Semakin jauh perbandingan nilai resistor yang digunakan maka nilai yang terbaca tidak akurat.

[8] Chairuzzani. “Pengenalan Metode ZieglerNichols pada Perancangan PID”. 1998. [9] B.W. 2006. “Sistem Instrumentasi dan Sistem Kontrol”. Jakarta: Erlangga. [10] A.P. Malvino. 1992. “Prinsip-Prinsip Elektronika dalam Edisi ke-4”. Jakarta: Erlangga. [11] Rashid, Muhammad H. 1999. “Power Electronics Circuits, Devices, and Applications”. USA: Pearson Hall [12] Sunomo, 1999. “Power Mosfet dan IGBT, Piranti Elektronika yang Saling Bersaing di Bidang Elektronika Daya”. s.l.:Elektronika Indonesia Nomor 27, Tahun VI, Agustus 1999. [13] Suminati, Ruzita. 2013. “Rancang Bangun Miniatur Turbin Angin Pembangkit Listrik Untuk Media Pembelajaran”. Jurnal Teknik Mesin Vol. 3, No. 2, Oktober 2013 : 1 – 8 [14] Wahyuni, Sri Wulan. 2016. “Perancangan dan Analisa Buck-Boost Chopper untuk Pembangkit Listrik Tenaga Bayu dengan Sistem Bus DC 24V”. Purwokerto: Universitas Jenderal Soedirman. [15] Rahman, Zulharry. 2014. “Perancangan Regulasi Tegangan Sel Surya Berbasis Buck-Boost Konverter”. Seminar Nasional PIMIMD. 978602-70570-0-5.

5.2. Saran 1. Dalam penentuan nilai P, I, dan D,

2.

3.

4.

disarankan menggunakan autotuning yang telah disediakan matlab ataupun coding autotuning Arduino. Pada penelitian selanjutnya, disarankan menggunakan modul sensor tegangan agar pembacaan nilai analog yang didapatkan lebih baik. Disarankan melakukan pengujian dengan tegangan multi input menggunakan sistem PLTB yang ada pada kampus Teknik Universitas Jenderal Soedirman. Untuk penelitian selanjutnya, diharapkan pada alat ini dapat menghasilkan kapasitas daya 1 kW.

DAFTAR PUSTAKA [1]

[2]

[3] [4]

[5]

[6]

[7]

Suryo, Mochammad Hidayat. 2010. “Rancang Bangun Buckboost Konverter”. Depok: Universitas Indonesia. W. Hart, Danil. 1997. “Introduction to Power Electronics”. Valparaiso University, Indiana: Prenice-Hall International, Inc. Annaba, Kemjika. “Design and Implementation of a Buck Converter”. Rashid, Muhammad H. 2007. “Power Electronics Handbook Second Edition”. USA: Pearson Prentice Hall Helly, A. 2012. “Inverter Satu Fase Sinkron Berbass Digital Phase Locked Loop”. Tesis. Depok: Universitas Indonesia Hasan. “Optimasi Reaktivitas Pada Sistem Pengaturan Daya Reaktor Zero Power dengan Menggunakan Persamaan Hamilton Pontryagin”. Tesis ITB. Bandung: 1994. Koyata. 1997. “Teknik Kontrol Automatik”. Jakarta: Erlangga.

[16] Suharyadi, dan S. K. Purwanto. 2009. Statistika: Untuk Ekonomi dan Keuangan Modern, Edisi 2, Buku 1, Penerbit Salemba Empat, Jakarta.

13

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS PENGGUNAAN KENDALI PID UNTUK BUCKBOOST CHOPPER KAPASITAS 1 kW BERBASIS MIKROKONTROLER

Recommend Documents