analisa, perancangan dan simulasi rangkaian

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
ANALISA, PERANCANGAN DAN SIMULASI
RANGKAIAN PEREDAM RC PASIF PADA
PENYALURAN SEDERHANA SISTEM
TENAGA DC DENGAN
MENGGUNAKAN PSPICE
Cecilia Susilawati
Dosen Jurusan Teknik Elektro – FTI, Universitas Trisakti
Abstract
The sub-system interaction and instability phenomena are a common problem in the
Distributesd Power System (DPS). In order to regulate the output voltage or the speed, the
internal control function of a converter known as constant power load (CPL), results in the
converter tends to draw a constant power. This phenomena cause the input impedance of
CPL has negative incremental input impedance, which tends to create instability as it is
connected to a system. This paper concerns about the compensation method used to improve
the stability ot two or more connected subsystems, consisting of and L-C filter and a CPL. A
compensation method known as passive damping network containing only RC components is
examined purposedly to eliminate and reduce the instability of the subsystem. The passive
damping network was designed and simulated using PSpice. The results show that the
designed passive damping network suitbale for small-scale power distribution system that
contains constant power load with power level of 1kW.
Keywords: Constant Power Load, DC – DC Converter, Passive Damping Circuit
1. Pendahuluan
Pada Distributed Power System (DPS), fenomena ketidakstabilan
adalah masalah yang umum. DPS adalah sebuah sistem, dimana fungsi
pemrosesan daya disalurkan melalui unit–unit pemroses daya atau pembalik
DC/DC bila dibutuhkan.
Hal ini digunakan pada aplikasi seperti pesawat terbang, pesawat
luar angkasa, kendaraan listrik, kendaraan hybrid, kapal laut, sistem
pertahanan, komunikasi dan komputer.
Keuntungan dalam hal berat, ukuran, isolasi, regulasi tegangan,
fleksibilitas, kemampuan berintegrasi dengan berbagai macam beban dan
juga kemudahan dalam mengendalikan kualitas daya yang dicapai bagian –
bagian terpisah (Gua, 1994: 763–763) adalah alasan digunakannya sistem
ini
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
Tetapi DPS memiliki beberapa kelemahan seperti interaksi antar
pembalik dan ketidakstabilan jaringan, begitu juga pada ketidakseimbangan
distribusi daya pada pembalik paralel, yang membuat distribusi arus
keluaran tidak sama dan dapat membuat stress pada beberapa modul dan
meningkatkan kemungkinan kegagalan.
Interaksi ini timbul karena setiap pembalik memiliki fungsi
pengendali internal, seperti regulasi dari pembalik tegangan keluaran dan
kecepatan motor (Alfayyoumi, 1999: 926–932).
Sebagai hasilnya, pembalik cenderung mengeluarkan daya yang
konstan dan memiliki hambatan input yang negatif di dalam bandwidth
pengendali pembalik loop. Karakteristik impendansi input negatif adalah
karakteristik utama dari constant power load (CPL).
Ketika sumber tegangan jatuh, lalu operasi dari pengendali internal
mengakibatkan pembalik mengeluarkan arus yang lebih. Hal ini dapat
mengakibatkan tegangan sumber jatuh lebih banyak lagi.
Impedansi negatif dari CPL berarti hal ini memiliki karakteristik
hiperbola dari tegangan terhadap arus. CPL dapat dibuat sebagai sumber
arus, yaitu i=P/v dimana v adalah tegangan masukkan dan P adalah daya
keluaran.
CPL dapat dibuat dengan menggunakan Analogue Behavior Model
(ABM) menggunakan blok GVALUE pada simulasi Orcard PSpice.
Untuk memastikan daya konstan, GVALUE digunakan sebagai
Voltage Control Current Source (VCCS), yang akan menjaga arus konstan
dengan mengatur tegangan pada jaringan tegangan DC.
Model sederhana CPL ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar ini
menunjukkan bahwa arus konstan didapat dari tegangan (v) dibagi oleh
daya (P). Gambar 2. menunjukkan karakteristik CPL dengan tegangan input
berbeda – beda dengan daya tetap 1 kW.
Dengan meningkatnya tegangan input, arus turun seperti yang
diduga, simbol dari impedansi dilambangkan dengan - RL.
18
Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada
V1
P
+
G1
W1
IN+
V
Out+
INOutGVALUE
(V(W1)/V(V1))
-
Gambar 1. Blok Diagram CPL
V1(V)
200
150
V1 (V)
100
50
0
0
50
100
I(G
I(G1)(A)
1) (A)
150
200
Gambar 2. Karakteristik CPL
Fenomena ketidakstabilan yang diakibatkan oleh interaksi filter LC
dan CPL ditunjukkan pada sirkuit sederhana Gambar 3. pada berikut ini.
Filter LC dan CPL dihubungkan ke sumber arus 270 Vdc. Nilai ini dipilih
berdasarkan nilai yang umum digunakan. Tegangan input pengganggu V3
dengan besar 50 V diberikan.
Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 4. pada halaman berikut
menunjukkan bahwa sebelum adanya pengganggu, tegangan V2 stabil pada
270 V. Saat tegangan pengganggu diberikan pada waktu simulasi 4 ms,
19
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
tegangan mengalami osilasi dan hal ini mengindikasikan ketidakstabilan
sistem karena adanya interaksi dari impedansi negatif masukkan dari CPL
dengan filter masukan.
L1
1
2
V2
150 µH
V1
|
+
V+
270
-
1000
C1
+
G2
W1
IN+
300µF
Out+
INOutGVALUE
(V(W1)/V(V1))
V3
-
VGambar 3. Filter LC dengan CPL
400
300
200
100
0s
10ms
V(V2)
10ms
30ms
40ms 50ms
Time
60ms
70ms
80ms
90ms
Gambar 4. Tegangan ketika tegangan input 50 V diberikan
20
100ms
Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada
2. Analisa
Walaupun selalu ada peredam pada filter LC karena adanya
komponen parasit seperti hambatan seri yang sama pada induktor,
normalnya hal ini tidak akan cukup mempengaruhi ketidakstabilan.
Diagram dengan memasukkan rangkaian peredam RC pasif
ditunjukkan pada Gambar 5. Kapasitor peredam seri yang digunakan untuk
menghalangi DC akan menghambat arus DC masuk ke hambatan peredam.
Selain itu hambatan peredam akan membuat fungsi peredam pada frekuensi
resonansi filter.
Gambar 5. Filter LC dengan CPL dan jaringan peredam pasif
Beban daya yang konstan (-RL) dihubungkan pada filter LC, dengan
RC2 sebagai rangkaian peredam pasif. Hambatan total efektif dari rangkaian
ini adalah:
Reff =
 RR L
R  RL
Untuk membuat sistem stabil maka perlu R << RL, hambatan peredam pasif
R harus lebih kecil dari RL, sehingga hambatan total akan positif. Keluaran
fungsi alih tegangan input pada Gambar 5. diberikan pada persamaan (1).
1  sC 2 R 
Vc

Vs
LC1C 2 R
3
2  C1 R L
s  s 

 C 2 R L  C 2 R   C 2 RR L  L 
1
  s
 
C1C 2 RR L
  LC1C 2 R L R  LC1C 2 R
(1)
Dengan menghitung bagian penyebut bagi persamaan (1) sama
dengan nol, maka didapat persamaan (2).
21
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
s LC 1 R L  LC 2 R L   sL  R L
1
-R = 
= 3
2
K
s LC 1C 2 R L  s LC 2  sR L C 2
2
(2)
Persamaan (2) adalah plot root locus dimana nilai R dapat diatur
sehingga dapat dicapai kestabilan. Hambatan R dengan nilai berbeda – beda
ditunjukkan pada Gambar 6.
Sumbu Real
Root Locus
500
400
RL = 30Ω
5Ω
1Ω
300
200
R = ∞Ω
0,6Ω
0,3Ω
100
R = 0Ω
0
-100
Increasing RL
-200
-300
-400
-500
-800
-600
-400
-200
0
200
400
600
800
1000
Sumbu Imajiner
Gambar 6. Pergerakan kutub sistem dengan nilai RL yang berbeda.
Parameter yang digunakan L=150μH, C1 = 300μF, C2 = 1,2mF dan
5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3Ω, 0,6Ω, 1Ω, 5Ω, 30Ω.
Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243kW, 122kW,73kW, 14,6kW,
2,4kW, (
). Tegangan sumber adalah 270 V.
Parameter yang digunakan L = 150 μH, C1 = 300 μF, C2 = 1,2 mF
dan 5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3 Ω, 0,6 Ω, 1 Ω, 5 Ω,
30 Ω. Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243 kW, 122 kW, 73 kW, 14,6
kW, 2,4 kW, (
22
). Tegangan sumber adalah 270 V.
Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada
Gambar 6. menunjukkan pada titik kutub berada pada bagian kanan
untuk hambatan peredam nol dan tak hingga. Pada saat hambatan peredam
bergerak antara nol dan tak hingga, kutub – kutub bergerak ke kiri dan
dapat lewat ke bagian kiri plot, yaitu pada RL = 0,6 Ω ke atas.
Dengan RL = 0,3 Ω sistem akan tetap stabil pada semua harga
hambatan peredam. Hal ini menunjukkan limit dari kondisi stabil seperti
yang telah disebut sebelumnya R<IRLI.
3. Perancangan
Prosedur perancangan untuk mendapatkan rangkaian peredam pasif
adalah berdasarkan persamaan 1. Karakteristik persamaan in difaktorisasi
seperti pada persamaan 3. Dengan mengalikan persamaan (3) didapat
persamaan (4).

1  2
1  RL  R 
1 
 s 
 s  s

=0


C 2 R 
C 2  R L R  LC 1 

(3)
L

RL  R 
C
RR


2
L
3
2  C1 R L  C 2 ( R L  R ) 
1
R

  s
s  s 
= 0 (4)
 LC 1C 2 R
C1C 2 RR L
LC 1C 2 R L R

 



Dengan membandingkan persamaan (1) dan (4), tambahan S
LR L
R
muncul. Untuk membuat persamaan (1) memiliki nilai:
C2RRL >>
LR L
R
maka
C2 >>
L
R2
(5)
Oleh karena itu, prosedur perancangan adalah untuk memilih R
sehingga hambatan efektif pada bagian kuadrat persamaan (3)
menghasilkan redaman dari kutub yang kompleks.
23
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
Kemudian C2 harus dipilih untuk meyakinkan persamaan (5)
tercukupi sebagai contoh perancangan adalah menaruh kutup kompleks
pada 45o (θ) pada bidang s, lalu besarnya bagian riil dan imaginer dari
karakteristik persamaan kuadrat dari persamaan (3) harus sama. Nilai
hambatan peredam R diberikan sebagai berikut:
R=
R L LC1
(6)
LC1  2C1 RL
Dengan menggunakan persamaan orde 2, hambatan peredam dalam
sudut θ dapat dinyatakan oleh persamaan (7).
R=
R L LC1
(7)
2 cosC1 R L  LC1
Tabel 1. menunjukkan nilai – nilai dari R dan C2 dengan variasi θ.
Hambatan beban RL yang digunakan adalah 72,9Ω (beban 1000 W yang
umum) dengan sumber 270 V dan C1 = 150 μF. C2 didapat dari persamaan:
C2 =
L
C
2
Table 1. Parameter peredam RC dengan peletakan kutub yang berbeda.
(o)
R(Ω)
C2(mF)
o
0
0,351
1,211
o
0,357
1,177
o
0,374
1,073
o
0,405
0,914
o
0,458
0,715
o
0,546
0,503
o
0,700
0,306
o
1,019
0,144
o
1,981
Sangat kecil
o
72,9
Sangat kecil
10
20
30
40
50
60
70
80
90
24
Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada
4. Hasil
Diagram rangkaian untuk simulasi PSpice dengan rangkaian
peredam RC pasif ditunjukkan Gambar 7. Semua nilai yang digunakan oleh
masing–masing komponen telah ditunjukkan.
1
L1
2
V2
150 µH
V1
|
+
V+
R1
270
-
0.7Ω
{P}
C1
+
300µF
V3
-
PARAMETERS:
P
C2
1.2m
W
1
G2
IN+
Out+
INOutGVALUE
(V(W1)/V(V2))
VGambar 7. Diagram rangkaian peredam RC, filter LC, dan CPL
Rangkaian RC dinyatakan oleh R1 dan C2. Komponen sumber dan
filter LC sudah dibahas pada bagian sebelumnya. Rangkaian peredam
dipilih untuk membuat kutub kompleks sistem pada 60o terhadap sumbu
kompleks. Harga dari hambatan peredam adalah 0,7 Ω dan kapasitor
penghalang C2 adalah 1,2 mF.
Standar tegangan step masukkan ditunjukkan sebagai V3. Tegangan
transien +50V diberikan saat waktu simulasi 4ms dan pada saat waktu
simulasi 14ms, transien dipindahkan.
Hasil simulasi untuk bus tegangan untuk CPL 1 kW dan 50 kW
ditunjukkan Gambar 8. pada berikut ini. Tegangan mengalami single
overshoot dan kemudian diam pada steady state yang baru yaitu 208 V, ini
menunjukkan keefektifan dari rangkaian peredam. Sistem ini diredam
dengan baik pada daya rendah 1 kW dan mengalami sedikit osilasi ketika
daya dinaikkan 50 kW.
25
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
360 V
50
KW
320 V
1 KW
280 V
240 V
200V
0s
2ms 4ms
V(V2)
6ms
8ms
10ms
12ms
Time
14ms
16ms 18ms
20ms
Gambar 8. Tegangan V2 hasil simulasi
Keefektifan peredam pasif dapat dibuktikan lebih lanjut. Bila CPL
dihubungkan dengan bus DC melalui sistem kabel yang panjang. Nilai
komponen untuk perkabelan dapat digantikan oleh rangkaian seri RL.
Gambar 9. R3-L3 adalah parameter kabel. C5 adalah kapasitor dekopling
yang dihubungkan melewati CPL.
1
L2
V4
150 µH
V6
1
L3
V+
5000 W3 IN+
C3
300µF
+
V7
2
100 µH
R2
0.7Ω
270
-
R3
0.5Ω
|
+
-
2
C4
1200µ
C5
100µF
G2
Out+
IN- OutGVALUE
(V(W3)/V(V4))
VGambar 9. Diagram Rangkaian dengan perkabelan R-L dihubungkan
26
Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada
Hasil simulasi tegangan tanpa redaman pasif ditunjukkan Gambar
10. dengan daya CPL pada 5 kW dihubungkan. Waktu simulasi 200 ms,
tegangan transien 10V diberikan pada saat 40ms dari simulasi.
Ada beberapa respon osilasi pada tegangan. Fenomena yang sama
dapat dilihat saat tegangan diturunkan -10 V pada waktu simulasi 260ms.
Dengan
adanya rangkaian peredam pasif, masalah pada interaksi
perkabelan dan fenomena ketidakstabilan dapat diatasi.
300 V
280 V
260 V
240 V30ms
200ms
220ms
240ms
260ms
Time
280ms
300ms
320ms
Gambar 10. Simulasi tegangan V2 tanpa peredam negatif
Gambar 11. Merupakan simulasi tegangan V2 dengan peredaman
negatif, tegangan transien 10 V diberikan saat waktu simulasi 200 ms
selama 40 ms dan pada saat waktu simulasi 260 ms, tegangan transien -10V
diberikan selama 50 ms.
Sistem secara baik diredam, tegangan mengalami single overshoot
dan kemudian stabil pada nilai steady state nya. Ini menunjukkan
keefektifan rangkaian peredam.
27
JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372
300 V
280 V
260 V
240 V
180ms
200ms
V(V4)
220ms
240ms
260ms
Time
280ms
300ms
320ms
Gambar 11. Simulasi tegangan V2 dengan peredam negatif
5. Kesimpulan
Analisa, perancangan, teoritis dan simulasi rangkaian peredam RC diperiksa
pada sistem sederhana yang terdiri dari filter LC dan daya beban yang
konstan. Detail analisa dan perancangan dari komponen peredam untuk
CPL pada 1 kW telah diberikan. Hasil simulasi PSpice menunjukkan
keefektifan dari perancangan rangkaian peredam pasif yang menjaga
jaringan DC dari osilasi karena interaksi dari impedansi negatif dan filter
LC. Hasil simulasi juga membuktikan bahwa perancangan rangkaian
peredam RC dapat diimplementasikan untuk daya CPL yang lebih tinggi
yaitu 5 kW.
Daftar Pustaka
1. Gua, G.C., Tabisz, W.A, Leu, C. S.1994. Development of A DC
Distributed Power System. IEEE Applied Power Electronics Conference.
2. Alfayyoumi, M., Nayfeh, A. H., Borojevic, D. 1999. Input Filter
Interactions in DC-DC Switching Regulator. IEEE Power Electronic
Specialists Conferences.
28