Perancangan dan Implementasi Wind Simulator

Perancangan dan Implementasi
Wind Simulator Berbasis
Variable Speed Drive (VSD)
Ahmad Faisal Haq | 2209100138
Dosen Pembimbing:
Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D
Heri Suryoatmojo. ST., MT., Ph.D
Dipresentasikan dalam Sidang Tugas Akhir TA2012/2013, Jurusan Teknik Elektro, Power System
1
Latar Belakang Perancangan
Meningkatnya pemanfaatan Wind
Turbine sebagai pemenuhan energi
Listrik dengan konsep
ECO GREEN.
Wind Turbine (www.apps.carleton.edu)
Wind turbine
pemanfaatan dan penelitian dari wind turbine
membutuhkan kecepatan angin yang konstan dan
sesuai
Kecepatan angin untuk proses penelitian tidak selalu
tersedia di alam
Sehingga, Wind simulator sangat diperlukan dalam
menunjang penelitian, tanpa tergantung pada angin
yang ada di Alam
Wind simulator dapat diandalkan dalam menghasilkan
angin yang diinginkan tanpa harus mengandalkan
kecepatan angina di Alam
2
Batasan Masalah
1. Kecepatan angin hanya merupakan kecepatan yang
terukur, dan turbulensi Diabaikan.
2. Desain sistem kontrol kecepatan motor induksi
dengan menggunakan VSD.
3. Variable Speed Drive (VSD) yang dipakai adalah VSD
yang sudah tersedia di laboratorium.
3
Diagram Blok Sistem Wind Simulator
2.Wind Box
2.Wind Box
1.VSD
3. Sensor
Komponen dalam sistem
1.VSD
2.Wind Box
3.Sensor
4.Kontroler PI
1
4. Kontroler
3
2
4
4
1. VSD
1.VSD
2. Wind Box
3. Sensor
3. Sensor
4. Kontroler PI
1
4. Kontroler
5
Pengaturan VSD&
Kontrol Wiring
Relay
Input Analog
Output Analog
Input Logika
Tegangan 0-10Volt DC Diberikan
AI1+ AI1Disesuaikan dengan Spesifikasi
Motor
6
2.Wind Box
1. VSD
1.VSD
2. Wind Box
3. Sensor
3. Sensor
4. Kontroler PI
2
4. Kontroler
7
Perancangan Wind
Box & Sensor Kecepatan
Angin
Pada peracangan ini, model racangan, diameter blade dan jumlah lengan blade diabaikan.
Pemilihan Desain ini diharapkan bisa lebih Kokoh saat motor induksi 3 Fasa beroperasi
Pada Kecepatan Tinggi (hingga 1700 rpm) dan juga menggunakan Wind Canal untuk
mendapatkan Kecepatan angin yang terarah sehingga lebih maksimal.
Sensor Angin menggunakan sensor mekanis yakni dengan Motor DC
54,5 Cm
23 Cm
54,5 Cm
25 Cm
8
1. VSD
1.VSD
2. Wind Box
3. Sensor
3. Sensor
4. Kontroler PI
4. Kontroler
3
9
Sensor Mekanis
Respon Kontroler terhadap kondisi
aktual sistem
Angin
Penguat
Tegangan
Masuk Ke Kontroler
Range 0-10 Volt
Tegangan yang dihasilkan Oleh
Kontroler Ini yakni 0-1,65
Volt
10
1. VSD
1.VSD
2. Wind Box
3. Sensor
3. Sensor
4. Kontroler PI
4. Kontroler
4
11
Perancangan Kontroler PI
Inverting
-Berfungsi membalik polaritas sinyal eror
Inverting
Penguat Proportional Penguat Proportional
-Menguatkan dan membalik polaritas sinyal
Kontroler Proportional
Kontroler Integral
Penguat Integral
Integrator
Integrator
-Menambah secara periodik dan membalik
polaritas tegangan eror
Penguat Integral
-Menguatkan dan membalik polaritas sinyal
12
Manual Tuning Kontroler PI
Pada penentuan parameter kontroler (KP, KI) ini, Transfer Function(TF) Plant
(Motor Induksi 3 Fasa, Motor DC, VSD) tidak diketahui, sehingga
menggunakan manual Tuning dengan metode Ziegler Nicols. Pada metode ini,
didapatkan nilai Kcr = 5,59 dan Tcr = 2 detik.
2 Second
i 
1
2
Tcr 
 1,66 dan
1,2
1,2
Ri 
1,66
 35,32.106  35,32MOhm
9
47.10
 i  Ri .Ci ,Sehingga
Untuk mendapatkan nilai Kp
K cr  5,59, dan
K p  0,45.K cr  2,515
2,515 
R2
, maka

 R2  24,496kOhm
9740
13
Manual Tuning Kontroler PI (2)
dari hasil tersebut didapatkan manual juga Nilai Ki, yakni,
Ki 
1
1

 0,602
τ i 1,66
Ki 
R2
24496
 Riout 
 40,6910Ohm
Riout
0,602
Dari hasil diatas, dan setelah di realisasikan masih belum bisa mendapatkan
performansi sistem yang bagus karena masih dalam kondisi Overdamp sehingga
dilakukan manual tuning, dan didapatkan sebagai berikut,
Kp = 64,42, Ki = 0,53, dan τi = 1,882
Sehingga hasil akhirnya didapatkan,
Ci = 47x103 picoFarad
Ri = 40,05 MOhm
Riout = 4,475 MOhm
R2 = 627,5 kOhm
14
Implementasi Sistem
1.VSD
Freq Ref Pada VSD
3. Sensor
4. Kontroler
Eror
Setpoint
15
Implementasi Sistem
3. Freq Ref Pada VSD…. Hz
Vin: 0-10 Volt ;
Freq set : 0-57 Hz
Rasio Set: (1:5,7)**
Menghasilkan Tegangan
0-1,65 Volt
ωmotor
ωsensor
VLL: 380 Volt
Freq: sesuai Freq Setting
**merupakan kondisi ideal
(link)
Lampiran
2. Kontroler meneruskan
sinyal setpoint
Eror
1.Setpoint ….. m/s*)
*) merupakan kondisi ekivalen dari Tegangan Masukan
Dikuatkan
(0-10 Volt)
16
Sistem Dengan Kontroler Proportional
Setelah proses tuning terbut, dilakukan percobaan implementasi sistem dengan
mode proportional (P) saja, dan didapatkan respon sistem sebagai berikut,
Setpoint
Setpoint
Aktual sistem
Aktual sistem
Respon dengan setpoint 1 volt
Respon dengan setpoint 4 volt
Setpoint: 1 Volt / 1,32 m/s
Setpoint: 4 Volt / 4,81 m/s
Kecepatan angin Aktual
Kecepatan Angin Aktual
± 1,32 m/s (+0,043 m/s, -0,022 m/s)
± 4,81 m/s (+ 2,39 m/s, - 1,67 m/s)
Eror= + 3,2%, - 1,66%
Eror: + 49,82%, - 34,87%
17
Sistem Dengan Kontroler Proportional (2)
Setpoint
Aktual Sistem
Aktual Sistem
Setpoint
Respon dengan setpoint 7 volt
Setpoint: 7 Volt / 8,51 m/s
Kecepatan Angin Aktual
± 8,51 m/s (+ 1,19 m/s, -1,19 m/s)
Eror: + 13,98%, - 13,98%
Respon dengan setpoint 10 volt
Setpoint: 10 Volt / 11,98 m/s
Kecepatan Angin Aktual
11,98 m/s
Eror: 0 %
Pada Kontroler Proportional ini, pasti masih terdapat error steady state, sehingga
diperlukan kontroler Integral untuk mengliminasi eror steady state tersebut.
18
Sistem Dengan
Kontroler Proportional Integral
Saat sistem wind Simulator dimodekan Proportional (P) + Integral (I), didapatkan respon
sistem sebagai berikut,
Aktual Siatem
Aktual Siatem
Setpoint
Setpoint
Respon sistem dengan masukan 1Volt
Respon sistem dengan masukan 4Volt
Setpoint: 1 Volt / 1,32 m/s
Setpoint: 4 Volt / 4,81 m/s
Kecepatan Angin Aktual
Kecepatan Angin Aktual
± 1,32 m/s (+ 0,1198 m/s, - 0 m/s)
± 4,81 m/s (+ 2,396 m/s, - 1,198 m/s)
Eror: + 9,07 %, - 0 %
Eror: + 49,81%, - 24,90%
19
Sistem Dengan
Kontroler Proportional Integral (2)
Setpoint
Aktual Sistem
Aktual Sistem
Setpoint
Respon sistem dengan masukan 7Volt
Respon sistem dengan masukan 10Volt
Setpoint: 7 Volt / 8,51 m/s
Setpoint: 10 Volt / 12,31 m/s
Kecepatan Angin Aktual
Kecepatan Angin Aktual
± 8,51 m/s (+ 2,15 m/s, - 2,15 m/s)
m/s 12,31
Eror: + 25,3%, - 25,3%
Eror: 0 %
20
1
0,4
0,1
2
1,6
1,3
Proportional
3
2,8
2,6
4
3,4
3
dan
5
3,6
3,08
6
3,2
3,4
7
3
3
8
2,5
2,5
9
1
1
10
0
0
Kontroler
Proportional+I
ntegral
21
Eror Steady State Turun
Lebar Eror Steady
State (Kontroler
Prop.+Integ.)
(Volt)
Eror Steady State Tetap
Tegangan
Masukan
(Setpoint)
Lebar Eror Steady
State
(Kontroler
Proportional)
(Volt)
Perbandingan
2 Sistem
Respon Sensor Terhadap Kondisi Aktual
Delay Sensor dalam memberikan
kondisi aktual sangat lama, yakni
Saat Percepatan
Saat Perlambatan
Delay sistem
Total Delay
+4 Detik
= +4 detik
= +14 Detik
= ±2 Detik
= 20 Detik
+14 Detik
Hal ini menjadikan kontroler PI selalu salah dalam
mendapatkan
kondisi aktual sistem dikarenakan ada Delay 20 detik yang berasal
dari sensor.
22
TOTAL HASIL PERCOBAAN
Rangkuman percobaan pada wind simulator
Kecepatan
Kecepatan
angin
Tegangan
angin
ekivalen
Ref (volt) ekivalen
terealisasi
(m/s)
(m/s)
1
1,20
1,20
2
2,40
2,40
3
3,60
3,60
4
4,80
4,80
5
5,99
5,99
6
7,19
7,19
7
8,39
8,39
8
9,59
9,59
9
10,79
10,79
10
11,99
11,99
Eror (diatas
setpoint)(%)
Eror (dibawah
setpoint)(%)
Kecepatan angin
terealisasi (m/s)
9,07
0
1,20 ±
46,99
4,69
2,40 ±
52,52
26,24
3,60 ±
49,81
24,9
4,80 ±
31,6
31,6
5,99 ±
26,2
32,9
7,19 ±
25,3
25,3
8,39 ±
12,7
12,7
9,59 ±
1
1
10,79 ±
0
0
11,99 ±
Rataan= 25,519 % Rataan= 15,933 %
0,50 m/s
0,99 m/s
1,49 m/s
1,99 m/s
2,48 m/s
2,98 m/s
3,48 m/s
3,98 m/s
4,47 m/s
4,97 m/s
23
Kesimpulan Hasil Perancangan dan
Implementasi
Secara keseluruhan, Wind simulator yang sudah dirancang ini memiliki spesifikasi sebagai
berikut, yakni:
1. Kecepatan angin yang bisa dihasilkan memiliki range
0-12,31 m/s.
2. Wind simulator masih memiliki eror rata-rata yang cukup besar, yakni 21,53% dari nilai
setpoint-nya.
3. Wind simulator yang sudah dirancang memiliki eror yang besar dikarenakan sensor yang
digunakan memiliki kelembamam yang tinggi. Sehingga terjadi delay waktu yang besar
yakni sekitar 18 detik dalam mengirimkan kondisi aktual sistem.
24
25