Desain dan Implementasi Tapped Inductor Buck Converter dengan Metode Kontrol PI pada Rumah Mandiri
1. Pendahuluan
timbul adalah bagaimana tegangan DC sebesar 400 V tersebut dapat diturunkan menjadi tegangan DC sebesar 24 V (untuk Lampu Rumah Mandiri), 48 V (untuk Bilge pump), dan 120 V (Lampu Taman). dari permasalahan ini maka perlu untuk mendesain suatu konverter dengan tegangan output bernilai rendah sehingga dapat digunakan untuk menyelesaikan permasalahan tersebut.
a) Afiliasi 1 [Teknik Elektro Industri, Departemen Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Jalan Raya ITS Sukolilo Surabaya]
Korespondensi
output bernilai rendah dengan menggunakan perbandingan lilitan primer dan lilitan sekunder pada inductor[2]. Berikut ini adalah gambar rangkaian tapped-inductor buck converter ,yang ditunjukkan pada Gambar 1. ＊
converter ini didesain suatu konverter yang menghasilkan
bentuk lain dari buck converter. Pada tapped-inductor buck
2.1 Tapped Inductor Buck Converter Tapped-inductor buck converter merupakan salah satu
2. Desain
Converter sesuai dengan yang diinginkan.
arus dan tegangan yang diatur oleh mikrokontroller sehingga dapat memonitoring output dari Tapped-Inductor Buck
Tapped-Inductor Buck Converter . Dibantu dengan sensor
konverter yang dapat menurunkan tegangan dari tegangan tinggi ke tegangan rendah[1,4]. Dengan menggunakan perbandingan induktor yang didesain untuk menurunkan tegangan menjadi sangat rendah ini dapat digunakan sebagai solusi terhadap proses menurunkan tegangan dari 400 V menjadi 24 V, 48 V dan 120 V[1,2]. Kontrol PI berfungsi untuk menstabilkan tegangan yang dihasilkan oleh
Tapped-Inductor Buck Converter merupakan salah satu
187 Prosiding Seminar Nasional Teknologi Elektro Terapan 2017 Vol.01 No.01, ISSN: 2581-0049
Desain dan Implementasi Tapped Inductor Buck Converter
dengan Metode Kontrol PI pada Rumah Mandiri
Eddy Sulistyono anantinya dapat digunakan untuk mensuplai inverter,
battery charging yang dihubungkan ke dc bus sehingga
Pada sistem mikrogrid rumah mandiri ini, sumber energi matahari diproses sehingga menghasilkan sumber tegangan 400 V melalui perpaduan dc-dc converter dan
Dewasa ini segala tindakan maupun aktivitas yang dilakukan oleh manusia tidak pernah luput dari penggunaan listrik. Listrik merupakan salah satu topik yang selalu layak dan pantas untuk diperbincangkan. Naik-turunnya harga bahan bakar minyak dunia membuat adanya suatu inovasi-inovasi baru sehingga dalam memproduksi listrik tidak lagi bahan bakar minyak yang merupakan bahan bakar fosil. Sistem renewable energy mulai digalakkan untuk mengurangi beban penggunaan energi fosil. Salah satu penggunaan renewable energy yang cukup dikenal masyarakat dan sedang dalam proses pengembangan yaitu sumber energi matahari. Aplikasi yang kami sedang teliti dan riset adalah aplikasi sumber energi matahari dalam bentuk sistem mikrogrid skala rumah. Sistem mikrogrid skala rumah ini dinamakan Rumah Mandiri.
Kata-kata kunci : Kontrol PI, Rumah Mandiri, Tapped-Inductor Buck Converter.
energi fosil semakin menipis seiring dengan meningkatnya kebutuhan listrik di masyarakat. Untuk mengatasi masalah tersebut telah dilakukan penelitian sumber energi pengganti dari energi fosil berupa sumber energi terbarukan, salah satunya yaitu sumber energi matahari. Aplikasi dari pemanfaatan energi matahari salah satunya adalah sebuah sistem mikrogrid skala rumah yaitu sistem mikrogrid “Rumah Mandiri “Pada sistem mikrogrid “Rumah Mandiri”, permasalahan yang menjadi bahan penelitian tugas akhir ini adalah bagaimana tegangan DC sebesar 400 V dalam suatu DC Bus dapat diturunkan menjadi tiga tegangan DC yang bernilai rendah yaitu 24 V (untuk Lampu Rumah Mandiri), 48 V (untuk Bilge pump), dan 120 V (Lampu Taman). Oleh karena itu, dalam penelitian ini diperlukan suatu desain konverter yang bisa menurunkan tegangan bernilai tinggi ke dalam tegangan bernilai rendah. Konverter yang digunakan dalam tugas akhir ini yaitu Tapped-Inductor Buck Converter. Konverter ini didesain sebanyak tiga konverter yang menghasilkan tiga tegangan bernilai rendah yang berbeda. Penggunaan metode kontrol PI pada penelitian ini untuk mengatur tegangan dari proses konverter tersebut sehingga dapat menghasilkan tiga tegangan output yang berbeda dengan nilai tetap. Ketiga Tapped Inductor Buck Converter dengan Kontrol PI ini telah berhasil menurunkan tegangan dari 400 V menjadi 120 V / 1 A, 48 V / 2 A, dan 24 V / 1 A dengan %error tegangan kurang dari 5%.
Abstrak: Dewasa ini, penggunaan energi listrik masih bergantung pada energi fosil, sedangkan ketersediaan
, Indhana Sudiharto b
, Ony Asrarul Qudsi b
, Epyk Sunarno b
, Syechu Dwitya Nugraha b
, Sutedjo b
converter maupun beban yang lainnya. Permasalahan yang
tapped-inductor buck converter
1
Gambar 4. Bentuk gelombang tegangan untuk
= 0 ................................................................. (9) Berikut ini adalah gambar bentuk gelombang yang ditunjukkan pada Gambar 4 dan gelombang arus ditunjukkan pada Gambar 5 untuk tapped-inductor buck converter.
1
( − ) + ( )................ (8) Dan arus switching yaitu
2
= = −
1
( − ) + ( ) ............... (7) Sehingga, arus pada dioda menjadi
2
] = −
1
1 ∫
Untuk arus pada induktor sisi sekunder yaitu = = [
= − − = + ( − 1) ................... (6)
Ketika dioda dalam keadaan off, nilai tegangan untuk jumlah total lilitan menjadi = = − ................................................ (5) Oleh karena itu nilai tegangan pada sisi switching,
- ( )
Gambar 2. Rangkaian pengganti ketika S1 on dan D1 off Nilai tegangan total pada lilitan primer Np dan lilitan sekunder Ns yaitu, = − ...........................................................(1) Juga tegangan pada dioda yaitu
Gambar 1. Tapped Inductor Buck Converter a. Analisa Rangkaian Tapped-Inductor Buck Converter[1]
Ada dua mode operasi dari Tapped-Inductor Buck
Converter . Pertama S1 on dan D1 off. Kedua S1 off dan D1
on. Kedua mode tersebut dapat dilihat pada Gambar 2 dan Gambar 3.
1. Analisa ketika S1 On dan D1 Off Hal ini akan mengakibatkan Tegangan pada
1 =0.
- ( −1)
- ........................................ (3)
= 0 sehingga nilai tegangan pada sisi sekunder bernilai vs = -Vo Gambar 3. Rangkaian pengganti ketika S1 off dan S1 on
.....(2) Oleh karena itu, arus switching menjadi seperti berikut
1 = = −
Dan arus dioda yaitu
1 = 0 .................................................................(4) 2.
Analisa ketika S1 Off dan D1 On Hal ini akan mengakibatkan tegangan pada sisi dioda,
1
1 = − − = − − = −
No Parameter Nilai Satuan
9 L 84.48 mH
10 C 0.286 uF 11 n
2 Tabel 3. Tapped Buck Converter keluaran 24V No Parameter Nilai Satuan
1 Pin 1500 W
2 Po
75 W
3 Vin 400
V
4 Iin
3.75 A
5 Vo
24 V
6 Io 3.125 A 7 fs 40 kHz
8 D
0.1
9 L 90,24 mH
10 C 0.306 mF Gambar 5. Bentuk gelombang arus untuk tapped-inductor 11 n
2
buck converter
Pada tabel 1, tabel 2, dan tabel 3 ditunjukkan hasil
2.2 Perancangan Kontrol PI[3,5]
perhitungan/ desain dari tapped buck converter yang telah Metode analitik digunakan untuk perencanaan mencari dibuat. nilai kp dan ki. Berdasarkan bentuk respon tegangan hasil
Tabel 1. Tapped Buck Converter keluaran 120V simulasi, model matematik Close Loop Transfer Function No Parameter Nilai Satuan (CLTF) tapped buck conveter yang dibuat adalah orde 2.
Persaman berikut digunakan untuk menentukan nilai Kp
1 Pin 1500 W dan Ti.
2 Po 196 W
2
............................................................. (10) =
3 Vin 400
V
∗
2
4 Iin
3.75 A ................................................................... (11)
=
5 Vo 120
V Pada konverter Vo 24V dilakukan simulasi secara
6 Io
1.63 A openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih kurang bagus yaitu dengan Tp 0,026 s dan Ts 0,0236s. 7 fs 40 kHz
Dengan menggunakan metode analitik didapatkan nilai Kp
8 D
0.3 sebesar 2.48 dan Ki sebesar 340.92 sedangkan konverter Vo
9 L 0.644 mH
48V dilakukan simulasi secara openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih kurang bagus yaitu dengan Tp
10 C 23.77 uF 0,053s dan Ts 0,0482s. Dengan menggunakan metode 11 n
2 analitik didapatkan nilai Kp sebesar 2.516 dan Ki sebesar 166.6225 dan konverter Vo 120V dilakukan simulasi secara
Tabel 2. Tapped Buck Converter keluaran 48V openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih No Parameter Nilai Satuan kurang bagus yaitu dengan Tp 0,133s dan Ts 0,121s.
Dengan menggunakan metode analitik didapatkan nilai Kp
1 Pin 1500 W sebesar 2.642 dan Ki sebesar 66.225.
2 Po 300 W
3 Vin 400
V
3. Hasil Pengujian
4 Iin
3.75 A Pada bagian ini akan membahas hasil pengujian ketiga
5 Vo
48 V konverter dengan sistem open loop maupun close loop.
6 Io
6.25 A Pada pengujian secara open loop dilakukan pengujian 7 fs
40 kHz dengan beban nominal yaitu 120 V / 1,63 A ; 48 V / 6.25 A ; 24 V / 3,125 A. Namun di praktek, terjadi bunyi
8 D
0.12 desing pada inductor sehingga kinerja konverter tidak bisa maksimal. Oleh karena itu dilakukan penurunan arus sehingga bisa meminimalisir bunyi desing, yakni 120 V /
1A ; 48 V / 2 A ; 24 / 1 A.
35 48 1,4 27% 14% 400 0,3
Cycle Vin (V)
Tabel 8. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 24V pada beban nominal (3,125 A) Duty
Pengujian converter ini adalah menguji tegangan output converter dengan tegangan masukan DC sebesar 400 V dengan duty cycle 6%. Pada tabel 8 merupakan hasil pengujian konverter dengan output 24V dengan beban nominal (3,125 A). Sedangkan untuk tabel 9 merupakan hasil pengujian konverter output 24 V dengan arus 1 A.
3.3 Pengujian Tapped Induktor Buck Converter dengan tegangan output 24 V
80 2 38,75%
49
44 72 1,8 38,8% 20% 400 0,4
40 64 1,6 37,5% 18% 400 0,3
39 56 1,6 30,3% 16% 400 0,3
31 40 1,2 22,5% 12% 400 0,3
Vo (prak)
26 32 1,1 18,75% 10% 400 0,3
Io (A) %error 8% 400 0,2
Vo (teori)
Vo (Prak)
Iin (A)
Cycle Vin (V)
48V dengan arus 2 A Duty
80 7 40% Tabel 7. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output
48
Iin (A)
Vo (teori)
42
Vin (V)
3.4 Hasil pengujian dengan sistem close loop
43 40 1,8 7,5%
36 32 1,5 12,5% 10% 400 0,5
28 24 1,2 16% 8% 400 0,3
%error 6% 400 0,3
Io (A)
Vo (teori)
Vo (prak)
Iin (A)
Duty Cycle
Io (A)
48 4 50% Tabel 9. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 24V dengan arus 2 A
24
40 4 45% 12% 400 0,5
22
32 4 37,5% 10% 400 0,5
20
24 3 58,3% 8% 400 0,5
14
%error 6% 400 0,5
72 6 41,6% 20% 400 0,5
64 5 40,6% 18% 400 0,5
3.1 Pengujian Tapped Induktor Buck Converter dengan tegangan output 120 V
40 1 0% 20% 400 0,5
Io (A) %error 10% 400 0,5
Vo (teori)
Vo (prak)
Iin (A)
Vin (V)
Duty Cycle
Tabel 5. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 120V dengan arus 1 A
80 1 27,5% 30% 400 0,5 78 120 2,5 35% 35% 400 0,5 90 140 2,8 35,7% 40% 400 0,5 106 160 3 33,75% 45% 400 0,5 120 180 3,5 33,3%
58
40
60 80 0,4 25% 30% 400 0,5 80 120 0,6 50% 35% 400 0,5 90 140 0,6 35,7% 40% 400 0,5 110 160 0,7 31,25% 45% 400 0,5 125 180 0,9 30,5%
%error 10% 400 0,5
Io (A)
Vo (teori)
Vo (prak)
Iin (A)
Vin (V)
Duty Cycle
Tabel 4. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 120V pada beban nominal (1,63 A)
Pengujian converter ini adalah menguji tegangan output converter dengan tegangan masukan DC sebesar 400 V dengan duty cycle 30%. Pada tabel 4 merupakan hasil pengujian konverter dengan output 120V dengan beban nominal (1,63 A). Sedangkan untuk tabel 5 merupakan hasil pengujian konverter output 120 V dengan arus 1 A.
50 40 0,3 25% 20% 400 0,5
3.2 Pengujian Tapped Induktor Buck Converter dengan tegangan output 48 V
38
40 4 25% 12% 400 0,5
34 56 4,5 39,2% 16% 400 0,5
14% 400 0,5
(A) % error
(teori) Io
(Prak) Vo
(A) Vo
(V) Iin
Cycle Vin
32 48 4,2 33,3% Duty
30
Pengujian converter ini adalah menguji tegangan output converter dengan tegangan masukan DC sebesar 400 V dengan duty cycle 12%. Pada tabel 6 merupakan hasil pengujian konverter dengan output 48V dengan beban nominal (6,25 A). Sedangkan untuk tabel 7 merupakan hasil pengujian konverter output 48 V dengan arus 2 A.
20 32 2,2 37,5% 10% 400 0,5
% error 8% 400 0,5
Io (A)
Vo (teori)
Vo (Prak)
Iin (A)
Cycle Vin (V)
48V pada beban nominal (6,25 A) Duty
Tabel 6. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output
Setelah dilakukan pengujian dengan sistem open loop, maka dilakukan pengujian dengan sistem close loop dimana kontrol PI berfungsi untuk mengontrol tegangan keluaran agar konverter dapat bekerja sesuai dengan set point yang sudah didesain. Kemudian sensing tegangan berfungsi untuk mensensing tegangan yang keluar untuk kemudian diolah di mikrokontroler untuk kemudian diatur agar tetap set point. Sedangkan sensor arus berguna untuk monitoring arus keluaran dari konverter tersebut. Tabel 10, tabel 11, dan tabel 12 merupakan tabel hasil pengujian dengan sistem close loop untuk konverter Vo 120 V, 48 V, dan 24 V.
Tabel 10. Hasil Pengujian dengan sistem close loop untuk konverter Vo 120 V Duty
Step Down DC-DC Conversion
Ketiga Tapped Inductor Buck Converter yang telah dibuat dengan Kontrol PI ini telah berhasil menurunkan tegangan dari 400 V menjadi 120 V / 1 A, 48 V / 2 A, dan 24 V / 1 A dengan %error tegangan kurang dari 5%.
Daftar Pustaka
[1] Nisha Kondrath and Marian K Kazimerczuk, “Analysis
and Design of Common-Diode Tapped-Inductor PWM Buck Converter in CCM
”, 2010 [2]
Kaiwei Yao, “Tapped-Inductor Buck Converter for High
”, 2005 [3]
24 24 1,05 0% 12% 200 0,2 23,5 24 1,05 2%
Ellis, George
,”control system design guide ”,
Butterworth-Heinemann, 15th May 2012 [4]
Daniel W. Hart, “ Introduction to Power Elctronic Circuit”,Prentice Hall, 1997. [5]
Effendi, M. Zaenal, “Desain Komponen Magnetik dan
Dielektrik“, materi kuliah, 2011
7% 300 0,2 23,5 24 1,05 2% 5% 400 0,2 23,5 24 1,05 2%
Io (A) %error 29% 100 0,3
Cycle Vin (V)
Iin (A)
Iin (A)
Vo (prak)
Vo (teori)
Io (A) %error 90% 150 0,9 120,7 120 1 0,58% 75% 200 0,7 119,9 120 1 0,08% 55% 300 0,5 120,1 120 1 0,083% 43% 400 0,4 119,9 120 1 0,083% Tabel 11. Hasil Pengujian dengan sistem close loop untuk konverter Vo 48 V
Duty Cycle
Vin (V)
Vo (prak)
Vo (teori)
Vo (teori)
Io (A) %error 66% 100 1,4 47,8 48 2,42 0,41% 38% 200 0,8 48,1 48 2,46 0,2% 26% 300 0,6 48,1 48 2,6 0,2% 20% 400 0,4 48,1 48 2,6 0,2%
Tabel 12. Hasil Pengujian dengan sistem close loop untuk konverter Vo 24 V Duty
Cycle Vin (V)
Iin (A)
Vo (prak)