abstrak - Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

RANCANG BANGUN PENSTABIL TEGANGAN PADA GENERATOR SINKRON 3 PHASE AKIBAT
FLUKTUASI BEBAN DENGAN METODE PI - FUZZY LOGIC CONTROLLER
1
Yuni Astrika Utami1, Ainur Rofiq Nansur2,Endro Wahjono3
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Industri, 2,3 Dosen PENS-ITS
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111
Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Dalam suatu industri besar dipastikan mempunyai sumber tenaga listrik tambahan untuk menyuplai beban
di industri tersebut. Sumber tenaga listrik tambahan tersebut diperoleh dari penggunaan generator. Jenis generator
yang digunakan yaitu generator 3 phase. Jika generator digunakan pada beban berubah, diharapkan tegangan
keluaran dari generator 3 phase tersebut tetap konstan meskipun terdapat perubahan beban.
Disini penulis akan merancang suatu alat yang dapat digunakan untuk menstabilkan tegangan output
generator pada saat ada perubahan beban. Proses penstabilan tegangan keluaran dari generator dilakukan dengan
cara mengatur tegangan eksitasi. Tegangan eksitasi diatur dengan memakai semiconverter terkontrol 1 fasa dengan
menggunakan IC TCA785 sebagai pengontrol sudut penyulutan.
Pengontrolan dari driver TCA itu sendiri menggunakan PI – FUZZY Logic Controller agar perubahan
tegangan keluaran dari generator dapat di atur lebih teliti kembali ke setting point awal 380V dengan error dari set
point sebesar ±5% dari set point.
Kata kunci : Generator sinkron 3 phasa, Semiconverter Terkontrol 1 fasa, PI – FUZZY Controller
1.
PENDAHULUAN
Generator
merupakan
alat
penghasil tenaga listrik yang dihasilkan dari
perubahan energi gerak menjadi energi
listrik. Dimana tenaga listrik tersebut
digunakan sebagai sumber tegangan untuk
menyuplai beban, baik beban tetap maupun
beban berubah. Dimana perubahan beban
tersebut memberikan efek yang dapat
mempengaruhi tegangan keluran dari
generator. Perubahan tegangan keluaran
generator dipengaruhi oleh perubahan arus
eksitasi pada kumparan medan. Yang mana
nantinya tegangan keluaran generator akan
berubah seiring perubahan arus eksitasi pada
kumparan medan. Oleh karena itu di buat
suatu alat yang bisa digunakan untuk
menaikkan atau menurunkan arus eksitasi
generator, sehinggga tegangan keluaran
generator akan tetap konstan meskipun dalam
keadaan beban tetap maupun beban berubah.
Alat ini dinamakan AVR (Automatic
Voltage Regulator). Metode yang digunakan
sebagai kontrol alat ini adalah PI-FUZZY
logic controller.
KONFIGURASI SISTEM
Gambaran umum dari prinsip kerja
penstabil tegangan rancang bangun penstabil
tegangan pada generator sinkron 3 phase akibat
fluktuasi beban dengan PI – FUZZY ditunjukkan
pada gambar 3.1.
2.
Gambar 2.1 Konfigurasi Sistem Kontrol
Dari gamabar diatas dapat diketahui
bahwa Mikrokontroller yang berisi program PIFUZZY terhubung dengan tampilan dari LCD,
ADC, dan DAC. Fungsi dari DAC adalah untuk
mengkonversi data analog dari pembacaan
sensor tegangan menjadi data digital sebagai
input dari mikrokontroller. DAC berfungsi untuk
1
mengubah data digital menjadi data analog yang
digunakan untuk tegangan input IC TCA 785.
2.1. Perencanaan Perangkat Lunak.
Pembuatan perangkat lunak ( software )
pada tugas akhir ini meliputi bagian program
untuk ADC, DAC R2R , LCD , serta
pembuatan program PI-FUZZY sebagai
kontroller.
2.1.1 Perencanaan dan Pembuatan
Program ADC
Mikrokontroler ATmega16 mempunyai
internal ADC yang digunakan untuk
menkonversi data analog dari masukan
sensor tegangan tegangan menjadi data
digital dalam bentuk heksadesimal. Data ini
nantinya akan diolah dalam program sebagai
mesukan dari sistem logika fuzzy. ADC yang
dipakai pada tugas akhir ini adalah DAC 8
bit (255), dapat ditentukan hasil konversi
ADC melalaui rumusan sebagai berikut ini.
Gambar 2.1 Simulasi Eksitasi Generator
2.1.2 Membership Function Error
2.1.2 Perencanaan dan pembuatan
hardware dan program LCD
Pada proyek akhir ini LCD digunakan
sebagai tampilan dari tegangan output dari
keluaran generator. LCD yang digunakan
adalah jenil Liquid Cristal 16 x 2.
Dari gambar 2.2, range nilai yang
digunakan ditunjukkan pada tabel 3.1
Tabel 2.1 Range nilai membership function
error
NBe
Nse
Ze
PSe
PBe
MF
-20
-10
0
10
20
Nilai
2.1.3 Membership Function Delta Error
Gambar 2.1 Rangkaian LCD 2x16
Gambar 2.3 Membership Function delta error
Dari gambar 2.3, range nilai yang digunakan
ditunjukkan pada tabel 2.2 :
2.1.2 Perancangan PI-FUZZY
2
Tabel 2.2 Range nilai membership function delta
error
NBde NSde Zde PSde PBde
MF
Nilai
-10
-5
0
5
10
Sedangkan untuk gambar membership
function output ditunjukkan pada gambar 2.4 dan
range nilai membership function ditunjukkan
pada tabel 2.3
Gambar 2.5 Grafik Respon Sistem Generator
Sinkron 3 fasa
Dari gambar grafik 2.5 dapat diperoleh
nilai KP dan Ki dengan perhitungan
menggunakan metode zigler nicolz sebagai
berikut :
Gambar 2.4 Membership Function output
Tabel 2.4 Range nilai membership function delta
error
NBde NSde Zde PSde PBde
MF
Nilai
0.43
0.86
1.29
1.72
2.15
Dari hasil perhitungan diatas kemudian
dilakukan tuning nilai Kp dan Ki. Pada program
besarnya nilai Kp merupakan outputan dari
fuzzy. Penyusunan dari logika PI-FUZZY dapat
dilihat pada gambar 2.6 seperti dibawah ini.
Setelah dibuat membership function maka
dapat dibuat rule basenya untuk mengatur logika
pembuatan keputusan fuzzynya atau aturan yang
menghubungkan antara input dan outputnya
seperti yang ditunjukkan pada tabel 3.4 dibawah
ini :
Tabel 3.4 Rule base
de\e
NBe
NSe
Ze
PSe
PBe
NBde
NB
NB
NB
NS
ZE
NSde
NB
NS
NS
ZE
PS
Zde
NB
NS
ZE
ZE
PB
PSde
NS
ZE
PS
PS
PB
PBde
ZE
PS
PB
PB
PB
Dari hasil pengambilan data respon
generator dengan menggunakan ADAM 5000 di
peroleh grafik seperti pada gambar 2.5 dibawah
ini.
Gambar 3.12 Logika PI-FUZZY
3
3.
PENGUJIAN DAN ANALISA
3.1. Pengujian ADC ( Analog to Digital
Converter )
Dalam pengujian program ADC dan
DAC bertujuan untuk mencoba program
pengambilan data melalui ADC dan
ketelitian program ADC tersebut untuk
mengkonversi data analog menjadi data
digital. Pengujian ini dilakukan dengan
cara memberikan masukan pada ADC
internal mikrokontroler ATmega16
pada channel nol berupa tegangan
analog dengan nilai maksimal sama
dengan Vreff yaitu sebesar 5 Volt DC.
Tegangan analog berasal dari keluaran
sensor tegangan
menggunakan
rangkaian potensiometer yang berfungsi
untuk mengatur level tegangan analog
yang masuk ke Port ADC channel 0.
3.2 Pengujian DAC ( Digital to Analog
Converter )
Pengujian DAC bertujuan untuk
mengkonversi data digital dari mikrokontroller
menjadi data analaog sebagai input dari
TCA785. Tegangan keluaran dari DAC dengan
range 0 – 5V dikuatkan 3x menjadi 0 – 15V,
penguatan tegangan DAC ini bertujuan untuk
memperoleh tegangan yang sesuai sebagai input
IC TCA785. Pada tabel 3.2 dan tabel 3.3
menunjukkan data hasil pengujian DAC tanpa
penguatan dan dengan penguatan.
Tabel 3.1 Hasil pengujian ADC ( Analog to
Digital Converter )
No
Teg.
Input ADC (volt)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
20
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
4.75
Output ADC
Dec.
Teg.
(volt)
0.00
0.00
25
0.49
50
0.98
76
1.49
102
2.00
128
2.51
151
2.98
178
3.49
204
4.00
227
4.45
255
4.98
243
4.76
Gambar 3.2 Rangkaian R-2R
Grafik DAC tanpa penguatan
V
o
u
t
Grafik ADC
I
n
5
4
3
2
1
0
0
1
2
3
4
5
V_out Teori
5
V
p
r
a
k
t
e
k
4
Gambar 3.3 Grafik DAC Tanpa Penguatan
3
2
1
Dari grafik diatas dapat kita ketahui
bahwa tegangan output secara teori linier
terhadap data tegangan output secata praktek, hal
ini menunjukkan bahwa rangkaian sudah bisa
bekerja dengan baik.
0
0
1
2
3
4
5
Vo
Gambar 3.1 Grafik Hasil pengujian ADC
4
Tabel 3.2 Hasil pengujian DAC Tanpa
Penguatan
Input
DAC
Tegangan Output
Teori
( Volt )
0000 0000
Tegangan
Output
Praktek
( Volt )
0
0000 0001
0.06
0.0588
0000 0011
0.18
0.1764
0000 0111
0.42
0.4116
0000 1111
0.88
0.882
0001 1111
1.82
1.8228
0011 1111
3.71
3.7044
0111 1111
7.46
7.4676
1111 1111
15.05
15
Tabel 3.3. Tabel Hasil Pengujian Closeloop
BEB
AN
Vout
Generat
or
Time
(S)
(Vac)
Arus
Eksita
si
Vout
Eksitasi
DAYA
(W)
(Vdc)
Arus
Beban
(A)
(A)
1
378,5
2.08
1,26
51
0,3
196,67
2
378
3.58
1,28
52
0,75
491,04
3
377,4
4.47
1,3
53
1,25
817,1
4
377,6
1.42
1,325
55
1,7
1110
5
377,6
3.86
1,35
55
2,2
1435
4
376,9
1.66
1,32
55
1,67
1097
3
377,8
2.89
1,29
52
1.26
823,2
2
377,8
2.24
1,25
51,9
0.73
488,1
1
379,1
2.14
1,25
51,9
0.32
200,1
0
381
1.11
1,2
51
0
0
0
Grafik DAC dengan penguatan 3x
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
6 Respon Tegangan output Tanpa
Beban
4o
u
2t
V
p
0u
t0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
v_out teori
Gambar 3.4 Grafik DAC Dengan Penguatan
5
10
15
TimeSampling
(ms)
Gambar 3.5 Pengujian Tegangan Output tanpa
Beban
3.3 Pengujian Rangkaian Keseluruhan
Pada pengujian ini dilakukan pengujian
plant secara close loop, dimana pada percobaan
ini tegangan output diharapkan dapat tetap
konstan pada saat beban berubah, perubahan
tegangan tersebut harus berubah secara otomatis
sesuai dengan program yang ada pada alat
tersebut. Beban yang digunakan pada percobaan
ini yaitu RL load 3 fasa dengan memakai 5x step
yang mempunyai daya maksimum 1,435Kw.
Pada tabel 4.4.1 akan ditampilkan data dari hasil
pengujian secara closeloop dengan range beban
mulai dari 0x step sampai 5x step.
5
Grafik respon tegangan output
beban 196,67 W
o
u
V t
p
0 …
0
5
TimeSampling(ms)
10
Gambar 3.6 Pengujian Tegangan Output Beban
196,67 W
5
6
O
4u
t
V 2
p
0u
t 0
-2
3.4 KESIMPULAN
Dari perencanaan dan pembuatan sistem
kemudian dilakukan pengujian software dan
beberapa analisa dari metode yang digunakan
ternyata dapat disimpulkan beberapa hal sebagai
berikut :
1.
Waktu untuk mencapai tegangan konstan
pada tugas akhir ini masih relatif lama
yaitu mencapai 5s, untuk mempercepat
waktu tersebut dapat dilakukan dengan
memperbesar nilai Kp.
2.
Kepresisian antara tegangan output
generator adalah ±5% dari nilai setpoint
tegangan konstan 380V.
3.
Pada kontrol PI-FUZZY sangat sensitif
terhadap perubahan beban sehingga
kontroller akan bekerja maksimum hanya
pada daerah range error yang telah di
tentukan.
Grafik respon tegangan output
beban 491,04 W
5
10
15
TimeSampling (ms)
Gambar 3.7 Pengujian Tegangan Output Beban
491,04 W
4
Grafik Respon tegangan output
beban 817,1 W
3 o
u
2 t
V
1 p
u
0 t
0 1 2 3TimeSampling
4 5 6 7 8 9 101112131415
(ms)
3.5 Saran
Dengan pengaturan arus medan tersebut
diharapkan agar dapat mengoptimalkan kerja
dari generator 3Ф dengan energi (arus)
seminimal mungkin atau tetap menjaga supaya
kecepatan pada motor tetap konstan dan juga
dengan pengaturan pada arus torsi diharapkan
mampu memperbaiki overshoot pada saat start
awal. Untuk pengembangan lebih lanjut
hendaknya perlu diperhatikan hal-hal sebagai
berikut :
Gambar 3.8 Pengujian Tegangan Output Beban
817,1 W
6
Grafik Respon tegangan output
beban 1.11 KW
1.
o
4u
v t
2
p
0…
2.
0 1 2 TimeSampling
3 4 5 6 7 8 (ms)
9 10 11 12 13
Gambar 3.9 Pengujian Tegangan Output Beban
1,11Kw
3.
Grafik Respon tegangan output
beban 1.435 Kw
6
o
4u
2t
V
p
0
u
-2 t 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10111213141516
4.
Timesampling (ms)
Gambar 3.10 Pengujian Tegangan Output
Beban 1.435 Kw
6
Pada proses kontrol diperlukan suatu
sensor dengan performa yang baik,
sehingga dapat memberikan respon
yang baik pula. Untuk pengembangan
lebih
lanjut
penulis
berharap
digunakan sensor dengan performa
yang baik dan stabil.
Membershup function dari output
diharapkan dapat di buat lebih banyak
agar tuning dari output akan lebih
halus.
Untuk perhitungan nilai Kp dan Ki
sebaiknya memakai lebih dari satu
metode, sehingga nantinya dari hasil
kedua
metode
tersebut
dapat
dibandingkan dan dipilih nilai yang
paling pas.
Sebaiknya
menggunakan
sensor
tambahan seperti sensor arus sebagai
pengaman ketika terjadi overload.
3.6 DAFTAR PUSTAKA
[1.] Sumanto,MA, “Mesin Arus Searah”,
Andi Offset, Yogyakarta, 2001
[2.] D. Petruzella, Frank, ”Elektronik
Industri”, Andik, Yogyakarta, 2001
[3.] Susanto, A.T., ”Implementasi Buck
Converter Dan Sensor Hall Effect
Pada Kursi Roda Elektrik Delengkapi
Dengan Autobreak System Berbasis
Fuzzy Logic Controller” Tugas Akhir,
Politeknik
Elektronika
Negeri
Surabaya, 2007
[4.] D.kaehler, Steven, ”FUZZY LOGICAN INTRODUCTION”
[5.] Sudjarwadi, Y. D., ”Aplikasi
Pengendali Logika Fuzzy Pada Sistem
Permukaan
Air
Berbasis
Mikrokontroler AT89C51”, Tugas
Akhir, Universitas Gadjah Mada,
Yogyakarta, 2002
[6.] Hudallah, N., ”Kendali Logika Fuzzy
Untuk Mengatur Kecepatan Motor DC
Tinjauan Pada Pengaruh Penalaan
Fungsi
Keanggotaan”,
Thesis,
Universitas
Gadjah
Mada,
Yogyakarta, 2002
[7.] Oghata Katsuhiko, ”Modern Control
Engineering”,
Practice
Hall
International, 2002
[8.] Chairuzzani dkk, ”Kontroler”, Penerbit
Erlangga, 1998
7