Mata Kuliah Elektronika Daya Analisa Pengaturan Kecepatan DC Motor Berbasis BuckBoost Converter 2 D3 Teknik Elektro Industri A Penilaian UAS Elektronika Daya Nama NRP Dosen Tanggal : : : : Fitri Dewi Annisa 1303191016 Rachma Prilian Eviningsih, S.ST., MT. 13 Januari 2021 Daftar Isi 01 02 03 Latar Belakang Tujuan Dasar Teori 04 05 Hasil Simulasi Analisa Simulasi 06 Kesimpulan Latar Belakang Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai sumber tenaganya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut,motor akan berputar pada satu arah, dan bila polaritas dari tegangan tersebut dibalik maka arah putaran motor akan terbalik pula polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal menentukan arah putaran motor sedangkan besar dari beda tegangan pada kedua terminal menentukan kecepatan motor. Motor DC dapat dikontrol menggunakan DC-DC Konverter salah satunya dengan Buc-kBoost Konverter. Konverter DC-DC berfungsi untuk mengkonversi tegangan masukan searah konstan menjadi tegangan keluaran searah yang dapat divariasikan berdasarkan perubahan duty cycle rangkaian kontrol. Latar Belakang DC-DC Converter digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC yang tetap menjadi tegangan dc yang mengatur kondisi on-off rangkaian DC Chopper melalui rangkaian control PWM, komponen yang dapat digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut adalah switch, seperti contohnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Converter DC to DC adalah peralatan yang menghasilkan tegangan atau arus dc yang berasal dari suatu sumber DC. Konverter Buck Boost terdiri dari sebuah switch Q, inductor, dioda dan kapasitor. Pengaturan kecepatan DC motor menggunakan Buck-Boost Konverter akan mengurangi kerugian switching dan biaya sehingga meningkatkan kecepatan dan efisiensi sistem DC motor drive. Dalam simulasi ini akan dilakukan pengaturan kecepatan motor DC menggunakan Buck-Boost Konverter terkontrol yang akan diuji coba pada beberapa variasi perubahan pada nilai duty cyclenya. Tujuan Menganalisa Pengaturan Kecepatan Putaran pada DC Motor berbasis Buck-Boost Converter Membandingkan Pengaturan Kecepatan DC Motor saat Kondisi Open Loop dan Close Loop Memahami Sistem Kerja dari rangkaian DC Motor berbasis Buck-Boost Converter Dasar Teori Teknik kontrol DC-DC konverter dalam elektronika daya dan sistem kontrol adalah untuk meningkatkan efisiensi teknik untuk subjek yang ingin dicapai, Tiga metode catu daya basic switching yang umum digunakan adalah buck, boost, dan buck-boost. Metode ini tidak terikat yang maksudnya yaitu tegangan input dan output berbagi kesamaan. Metode catu daya ini mengacu pada bagaimana sakelar, induktor keluaran, dan kapasitor keluaran dihubungkan. Setiap metode memiliki sifatnya masing-masing. Sifat-sifat ini berupa rasio konversi tegangan, sifat arus input dan output, dan karakter riak tegangan output. Sifat penting lainnya adalah respons frekuensi dari fungsi transfer tegangan duty-cycle-to-output. Rangkaian DCDC konverter diketahui ada yang dapat menambah atau mengurangi besaran tegangan dc atau membalikkan polaritas. Buck-Boost konverter sendiri berfungsi untuk mengubah level tegangan DC, baik ke level yang lebih tinggi maupun ke level yang lebih rendah. Selain itu buck boost konverter juga akan mengubah polaritas dari tegangan output terhadap tegangan inputnya. Dasar Teori Pada rangkaian buck boost konverter, saklar secara bergantian menghubungkan induktor melintasi input daya dan tegangan output. Tegangan output Konverter Buck Boost dapat diatur lebih besar, sama, maupun lebih kecil dibanding tegangan input. Polaritas tegagan output berkebalikan dengan polaritas tegangan inputnya. Prinsip kerja converter Buck Boost ditinjau dari 2 mode. Saat switch Q konduksi, yaitu selama T-on, Saat saklar Q padam, selama T-off. Selama switch Q ON, dioda dalam keadaan reverse bias sehingga tidak ada arus yang mengalir ke diode. Pada kondisi ini, tegangan diode (Vd) sama dengan – (Vs + Vo). Dalam kondisi close loop, switch mendapatkan tegangan sebesar Vs sehingga induktor mendapat tegangan dari input dan arus mengalir melewati induktor selama switch dalam keadaan ON kemudian secara bersamaan kapasitor dalam kondisi discharge yang mengalirkan tegangan serta arus menuju beban. Saat kondisi switch Q OFF, tegangan input terputus dan diode mengalami forward bias yang menyebakan arus mengalir dari induktor menuju kapasitor. Pada kondisi ini, kapasitor dalam keadaan mengisi (charge) kemudian beban mendapatkan aliran energi dari inductor sehingga terjadi penurunan arus pada inductor hingga switch di ON-kan kembali. Hasil Simulasi Pada percobaan ini motor DC akan disimulasikan menggunakan software PSIM, motor DC yang digunakan sendiri merupakan bawaan atau template dari software PSIM. Untuk rating motor DC nya dapat dilihat pada tabel berikut : Parameter Nilai Resistansi Jangkar (Rf) 0,5 Induktansi Jangkar (Lf) 0,01 Resistansi Medan (Ra) 75 Induktansi Medan (La) 0,02 Momen Inersia 0,4 Tegangan (Vt) 120 Arus Medan (Ia) 10 Kecepatan (n) 1200 Arus Jangkar (If) 1,6 Hasil Simulasi Perancangan Buck Boost konverter adalah menentukan parameter dari komponen – komponen konverter itu sendiri, rangkaian buck-converter memerlukan tegangan masukan yang lebih tinggi beberapa Volt dari tegangan keluarannya. Apabila tegangan masukan (Vin) berkurang levelnya hingga di bawah itu maka sebuah buck konverter tidak akan akurat lagi menghasilkan tegangan keluaran yang tepat atau tegangan keluaran menjadi tidak stabil. Pada saat seperti itulah diperlukan boost konverter agar tegangan yang telah turun itu dapat kembali dinaikkan kepada level yang diinginkan sehingga beban di sirkit keluaran tetap mendapatkan suplai tegangan sebagaimana mestinya dalam perancangan system dan simulasi buck-boost konverter, pada simulasi ini pengendali digunakan untuk kecepatan motor DC. Berikut ini adalah rating hasil dari perancangan buck boost converter dalam mengendalikan kecepatan motor DC dengan nilai duty cycle yang berbeda. Parameter Nilai Resistor 1,6kΩ Induktor 0,45µH Kapasitor 0,6µF Vin 311 V Frekuensi Switching 1kHz Hasil Simulasi Rangkaian Simulasi (Close Loop) Hasil Simulasi Rangkaian Simulasi (Open Loop) Hasil Simulasi rpm 120 100 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 25 % 80 60 40 20 0 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Close Loop 0.005 0.006 Hasil Simulasi rpm 500 400 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 50 % 300 200 100 0 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Close Loop 0.005 0.006 Hasil Simulasi rpm 800 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 75 % 600 400 200 0 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Close Loop 0.005 0.006 Hasil Simulasi rpm 3e-005 2e-005 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 25 % 1e-005 0 -1e-005 -2e-005 -3e-005 -4e-005 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Open Loop 0.005 0.006 Hasil Simulasi rpm 3e-005 2e-005 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 50 % 1e-005 0 -1e-005 -2e-005 -3e-005 -4e-005 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Open Loop 0.005 0.006 Hasil Simulasi rpm 3e-005 2e-005 Sinyal Output n (rpm) saat Duty Cycle = 75 % 1e-005 0 -1e-005 -2e-005 -3e-005 -4e-005 0 0.001 0.002 0.003 Time (s) 0.004 Rangkaian Open Loop 0.005 0.006 Analisa Simulasi Simulasi dilakukan dengan menggunakan Software Power Simulator (PSIM). Metode control yang digunakan pada simulasi ini menggunakan blok control PI pada software PSIM, control ini bertujuan menjaga tegangan tetap stabil. Kemudian dari hasil simulasi seluruh sistem dibuat analisa dan hasilnya berupa kecepatan dengan membandingkan hasil simulasi antara buck-boost converter saat kondisi open loop dan close loop untuk kestabilan kecepatannya. Close Loop Open Loop Duty Cycle n (rpm) Vout (Volt) Duty Cycle n (rpm) Vout (Volt) 0.25 106 6,59k 0.25 22µ 1,35µ 0,5 373 13,14k 0,5 19µ 1,5µ 0,75 717 19,63k 0,75 16µ 1,4µ Analisa Simulasi Setelah melakukan simulasi pada setiap variasi nilai duty cycle kemudian diperoleh data yang menunjukan perbandingan antara buck-boost converter saat kondisi close loop dan open loop. Pada hasil simulasi yang diperoleh saat rangkaian dalam kondisi close loop ditunjukkan bahwa kecepatan putaran motor mengalami kenaikan yang stabil dan menghasilkan sinyal output yang steady state untuk duty cycle 25% saat rest time 0,0018 detik dengan nilai kecepatan putaran sebesar 106 rpm, untuk duty cycle 50% menghasilkan sinyal output yang steady state saat rest time 0,002 detik dengan nilai kecepatan putaran sebesar 373 rpm, dan untuk duty cycle 75% menghasilkan sinyal output yang steady state saat rest time 0,00225 detik dengan nilai kecepatan putarannya sebesar 717 rpm. Sedangkan hasil simulasi yang diperoleh saat rangkaian dalam kondisi open loop menunjukkan bahwa sinyal output untuk duty cycle 25% masih belum stabil dan tidak pernah dalam kondisi steady state serta menghasilkan nilai kecepatan putaran yang sangat kecil dibawah nol. Begitupun saat diinputkan nilai duty cycle sebesar 50% dan 75%. Analisa Simulasi Selanjutnya untuk nilai Voutnya, saat rangkaian dalam kondisi close loop menghasilkan nilai tegangan keluaran yang kenaikannya stabil dan semakin besar seiring dengan kenaikan nilai duty cyclenya. Jika dibandingkan dengan nilai tegangan inputnya maka dapat diketahui bahwa metode yang bekerja pada rangkaian ini adalah boost converternya karena sistem kerjanya yang menaikkan nilai tegangan DC keluaran. Lalu saat rangkaian dalam kondisi open loop, didapatkan nilai tegangan keluaran yang tidak stabil karena perubahan nilainya yang mengalami kenaikan dan penurunan saat diinputkan nilai duty cycle yang semakin besar. KESIMPULAN Dari simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : - Pada rangkaian buck-boost converter kondisi close loop dihasilkan kecepatan motor dc yang stabil kenaikannya dan mengalami keadaan steady state dalam waktu yang singkat serta menghasilkan nilai tegangan keluaran yang juga stabil kenaikan nilainya (mengartikan bahwa sistem yang bekerja adalah boost converternya). Hal ini dikarenakan pada sinyal keluarannya terdapat umpan balik atau feedback yang memberikan pengaruh langsung terhadap sistem pengontrolan. - Pada rangkaian buck-boost converter kondisi open loop didapatkan tegangan keluaran yang tidak stabil dan respon kecepatan motor DC yang juga tidak stabil dikarenakan pada sistem tidak ada umpan balik, sehingga motor DC bekerja tanpa ada batasan dan untuk sistem yang seperti ini perlu dihindari. Oleh karena itu sangat dibutuhkan desain sistem kontrol yang tepat dengan penambahan kontroler sehingga kecepatan yang dihasilkan dapat dikontrol sesuai dengan beban mekanis yang dikopel oleh motor DC. - Dengan menggunakan Buck Boost konverter saat kondisi close loop, hasil yang didapat untuk kecepatan motornya yaitu sistem sudah berada pada kondisi steady state dalam waktu yang cepat yaitu sekitar 0,0018-0,00225 detik sehingga dapat diketahui bahwa penggunaan buck-boost converter akan menghasilkan kinerja motor DC yang sangat baik karena menunjukkan respon yang cepat untuk kontrol motor DC. Terima Kasih! CREDITS: This presentation template was created by Slidesgo, including icons by Flaticon, and infographics & images by Freepik
