BAB 1 PENDAHULUAN
1.4 Hipotesa
Hipotesa pada penelitian ini adalah koefisien FOU (footprint of uncertainty) sebesar ±0.3 pada logika fuzzy tipe-2 mampu memberikan performansi tanggapan sistem pengendalian tegangan DC-DC buck converter paling stabil dan performansi tanggapan sistem pengendalian tegangan DC-DC dengan aksi kendali berbasis logika fuzzy tipe-2 lebih baik jika dibandingkan dengan aksi kendali logika fuzzy tipe-1.
BAB 2
KAJIAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI
2.1 Turbin Angin
Turbin angin merupakan salah satu jenis konverter energi yang berfungsi mengubah energi angin menjadi energi listrik. Secara sederhana, proses konversi diawali dari adanya energi kinetik angin yang bergerak mengenai bilah-bilah turbin sehingga menyebabkan bilah-bilah turbin berputar. Putaran bilah-bilah turbin akan menggerakkan rotor yang tersambung dengan generator listrik, sehingga menjadi energi listrik. Turbin angin dapat berputar dikarenakan adanya vektor dari gaya lift dan gaya drag yang dihasilkan akibat bentuk aerodinamis dari penampang bilah turbin angin tersebut. Ketika sebuah penampang airfoil terkena angin dari arah depan, maka akan menghasilkan vektor gaya lift (L) dan drag (D).
Perubahan gaya lift dan gaya drag ini dipengaruhi langsung oleh bentuk geometri bilah, kecepatan dan arah angin terhadap garis utama bilah (pitch bilah).
Perubahan gaya lift dan drag menyebabkan kecepatan bilah dan torsi poros akan berubah pula. Perubahan pitch bilah ini akan mempengaruhi kecepatan bilah (RPM) dari rotor karena adanya perubahan jumlah daya tiup angin yang diterima oleh bilah yang dikonversi menjadi kecepatan putar rotor.
2.1.1 Klasifikasi Turbin Angin
Klasifikasi turbin angin berdasarkan kapasitas energi listrik yang dihasilkan dibagi menjadi tiga kategori, yaitu turbin angin skala utilitas, skala kecil, dan skala menengah. Turbin angin skala utilitas memilki kapasitas energi listrik sebesar 1,5 - 3,6 MW, turbin angin skala kecil memilki kapasitas energi listrik sebesar ≤ 20 kW, dan turbin angin skala menengah memilki kapasitas energi listrik sebesar 20 – 100 kW. Perbandingan masing-masing kategori turbin angin ditampilkan pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1Klasifikasi Turbin Angin Berdasarkan Kapasitas Energi Listrik yang Dihasilkan (A.R. Jha, 2011)
Kategori Turbin Angin Kapasitas energi listrik yang dihasilkan
Skala utilitas 1,5 - 3,6 MW
Skala kecil ≤ 20 kW
Skala menengah 20 – 100 kW
Turbin angin juga dapat digolongkan berdasarkan sumbu putarnya, yaitu turbin angin sumbu horizontal dan turbin angin sumbu vertikal. Secara umum, penggolongan turbin angin berdasarkan sumbu putarnya ditampilkan pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1 Klasifikasi turbin angin beradasrkan arah putarnya (A.R. Jha, 2011) Gambar 2.1 menunjukan bahwa turbin angin sumbu horizontal berdasarkan arah hadap turbin terhadap turbin angin dibagi menjadi dua yaitu upwind rotor dan downwind rotor. Upwind rotor adalah rotor yang menghadap arah datangnya angin sedangkan downwind rotor adalah rotor yang membelakangi arah datangnya angin. Jenis turbin angin sumbu horizontal antara lain windmill,
windheel, dan high tip-speed ratio, sedangkan jenis turbin angin sumbu vertikal antara lain savonius rotor, darrieus turbine, dan giromill.
2.1.2 Komponen turbin angin
Turbin angin yang tersusun atas komponen yang ditunjukkan oleh Gambar 2.2. Turbin angin terdiri dari komponen utama: bilah, gearbox, generator dan kendali. Bilah turbin angin adalah komponen utama turbin angin untuk menangkap energi angin, energi tersebut dikonversi menjadi energi mekanik dan listrik.
Gambar 2.2 Komponen-komponen dalam turbin angin (A.R. Jha, 2011) Gambar 2.2 menunjukan komponen-kompen turbin angin secara lengkap.
Komponen-komponen pada turbin angin anata lain: rotor, bilah (blade), pengereman (brake), poros kecepatan rendah (low-speed shaft), gear box, generator, poros kecepatan tinggi (high-speed shaft), nacelle, dan tower. Sistem pengendalian yang digunakan pada turbin angin antara lain pengendalian sudut pitch, pengendalian sudut yaw, serta pengendalian untuk sistem pengereman.
2.1.3 Desain turbin angin
Desain dan konstruksi turbin angin meliputi : jumlah dari bilah (biasanya berjumlah 2 atau 3), arah orientasi rotor (downwind atau upwind), bahan dari
bilah, metode konstruksi dan profil, kendali daya melalui kendali aerodinamika atau variabel pitch, fixed atau variable rotor speed, orientasi oleh self-aligning action (free yaw) atau kendali langsung (active yaw), generator synchronous atau generator induksi (squirrel cage atau doubly fed), menggunakan gearbox atau direct drive generator. Desain bilah turbin angin yang dikembangan, memiliki variabel desain yang perlu dipertimbangkan, diantaranya : jari-jari bilah, jumlah bilah, panjang chord, jenis airfoil dan bahan baku bilah.
2.2 DC-DC Buck Converter
DC-DC buck converter merupakan sebuah alat yang berfungsi untuk menurunkan tegangan keluaran dari generator agar sesuai dengan tegangan keluaran yang diinginkan. Tegangan keluaran ini nantinya akan disimpan di baterai, sehingga membutuhkan nilai tegangan keluaran yang konstan. Rangkaian dasar untuk DC-DC buck converter ditunjukkan seperti Gambar 2.3.
Gambar 2.3Rangkaian dasar DC-DC buck converter (Musyafa & Ibrohim, 2013)
DC-DC buck converter menggunakan komponen penyimpan energi seperti induktor dan kapasitor untuk mengontrol aliran energi dari generator menuju beban dengan menggunakan saklar on-off secara kontinyu. Saklar adalah sebuah alat elektronik yang beroperasi dalam dua keadaan. Keadaan conduction mode (on) terjadi pada saat keluaran generator dihubungkan pada sebuah induktor. Saat keadaan cut-off mode (off), keluaran dari generator tidak dihubungkan dari induktor. DC-DC buck converter juga berisi sebuah dioda bias maju yang dapat menyediakan arah balik untuk arus dalam keadaan cut-off (Musyafa & Ibrohim, 2013).
Saklar yang digunakan berupa sebuah MOSFET yang dikendalikan dengan sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Saklar bekerja menghantar on dan off untuk mengatur nilai tegangan pada induktor. Tegangan pada induktor mempunyai bentuk gelombang kotak yang kemudian di-filter dengan kombinasi LC untuk menghasilkan sebuah quasi-continuous voltage pada keluarannnya.
Nilai rata-rata dari gelombang kotak dapat diatur untuk mengendalikan panjang dari konduksi dan cut-off states pada saklar. Waktu ON dari saklar dihubungkan dengan periode waktu, dengan D adalah duty cycle. Dalam kondisi ON, arus mengalir dari generator melalui induktor yang menyebabkan induktor mengisi energi. Dioda berada dalam keadaan bias mundur dan tidak ada arus yang melewatinya. Kondisi OFF menyatakan waktu off diberikan Toff = (1-D)T dan arus dalam induktor menyebabkan dioda menjadi bias maju. Dioda menyala aktif dan menyediakan jalan untuk mempertahankan kontinyuitas arus melewati induktor (Musyafa & Ibrohim, 2013). Bentuk gelombang pulsa DC-DC buck converter ditunjukkan pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4Gelombang DC-DC buck converter
Duty cycle dapat diatur supaya tegangan keluaran dari konverter berada pada nilai yang diinginkan. Untuk sebuah konverter DC – DC ideal, duty cycle adalah perbandingan antara tegangan keluaran dan tegangan masukan. Konverter DC-DC digunakan sebagai sumber daya DC, dengan tegangan masukan bervariasi, tapi tegangan keluaran dijaga pada nilai yang diinginkan. Duty cycle dijaga nilainya melalui sinyal PWM digunakan untuk mengendalikan kondisi on dan off dari sebuah MOSFET (Musyafa & Ibrohim, 2013).
Nilai duty cycle pada rangkaian DC-DC buck converter merupakan perbandingan antara tegangan keluaran dengan tegangan masukan. Nilai duty cycle mempunyai nilai maksimal satu, dikarenakan DC-DC buck converter merupakan rangkaian yang berfungsi menurunkan tegangan dengan tegangan keluaran lebih kecil dari tegangan masukan. Persamaan duty cycle secara matemaika ditampilkan pada persamaan 2.1.
i o
V
DV (2.1)
Rangkaian DC-DC buck converter terdiri dari sebuah dioda, sebuah MOSFET, sebuah induktor, sebuah kapasitor, dan sebuah resistor. Nilai induktansi pada induktor dihitung melalui persamaan 2.2, nilai kapasitansi pada kapasitor dihitung melalui persamaan 2.3, dan nilai resistansi pada resistor dihitung melalui persamaan 2.4 (Cahyadi, Andromeda, & Facta, 2017).
Daya merupakan salah satu besaran yang dihasilkan oleh rangkaian DC-DC buck converter. Nilai daya masukan pada kenyataannya tidaklah sama dengan daya keluaran, sehingga DC-DC buck converter memiliki nilai efisiensi. Persaman daya masukan, daya keluaran, dan efisiensi dari DC-DC buck converter ditampilkan secara berurutan pada persamaan 2.5, persamaan 2.6, dan persamaan 2.7.
Keterangan :
Vi : Tegangan masukan DC-DC buck converter (Volt) Vo : Tegangan keluaran DC-DC buck converter (Volt) I : Arus masukan DC-DC buck converter (Ampere) ΔI : Riak arus (Ampere)
L : Induktansi pada induktor (Henry) C : Kapasitansi pada kapasitor (Farad) R : Resistansi pada resistor (Ohm) f : Frekuensi switching (Hz) Pi : Daya masukan (Watt) Po : Daya keluaran (Watt) η : Efisiensi (Persen)
Sistem DC-DC buck converter dapat dimodelkan secara matematis dengan menggunkan hukum tegangan dan arus Kirchhoff untuk masing-masing keadaan operasi. Keadaan operasi yang dimaksud adalah saat conduction mode (on) dan saat keadaan cut-off mode (off). Hasil pemodelan DC-DC buck converter berupa fungsi alih sistem ditampilkan pada persamaan 2.8 dengan penurunan persamaan ditampilkan pada Lampiran A (Himawan et al., 2016).
s LC
2.3 Sistem Pengendalian Logika Fuzzy Tipe-2
Logika fuzzy merupakan sebuah wilayah dari komputasi lunak yang sesuai dengan sistem komputer untuk menjawab ketidakpastian. Terdapat dua jenis generasi logika fuzzy, yaitu logika fuzzy tipe-1 dan logika fuzzy tipe-2.
Logika fuzzy tipe-2 merupakan perkembangan dari logika fuzzy tipe-1 dengan perbedaan pada fungsi keanggotaannya. Logika fuzzy tipe-2 memiliki kelebihan jika dibandingkan dengan logika fuzzy tipe-1 yaitu dapat mengatasi ketidakpastian pemodelan fungsi keanggotaan pada logika fuzzy tipe 1 (Castillo & Melin, 2008).
Skema arsitektur logika fuzzy tipe-1 dan logika fuzzy tipe-2 yang ditunjukan pada Gambar 2.5.
(a)
(b)
Gambar 2.5 Skema arsitektur logika fuzzy (a) Tipe-1 (Rojas, Ponce, & Molina, 2014); (b) Tipe-2 (Wagner & Hagras, 2007)
Penerepan logika fuzzy tipe-2 sebagai aksi kendali, terdapat beberapa bagian yaitu fuzzifikasi, kaidah, mesin inferensi, tipe reduksi, dan defuzzifiksi.
Fuzzifikasi
Fuzzifikasi proses pengubahan nilai numerik (tegas) ke dalam fungsi keanggotaan fuzzy. Di dalam fuzzifikasi, terdapat komponen-komponen dari logika fuzzy, yaitu :
1. Variabel fuzzy
Variabel fuzzy merupakan variabel yang digunakan dalam logika fuzzy.
Sebagai contoh variabel fuzzy adalah error “e” dan delta error “de”.
2. Himpunan fuzzy
Himpunan fuzzy merupakan grup yang mewakili kondisi tertentu dalam suatu variabel fuzzy. Sebagai contoh : variabel error dibagi menjadi tiga, dengan himpunan fuzzy: rendah, sedang, tinggi
3. Semesta pembicaraan
Semesta pembicaraan merupakan keseluruhan nilai yang diperbolehkan untuk dioperasikan dalam suatu variabel fuzzy. Sebagai contoh : semesta pembicaraan variabel error adalah [-1,1]
4. Domain
Domain merupakan keseluruhan nilai yang diperbolehkan untuk dioperasikan dalam suatu himpunan fuzzy. Sebagai contoh : error rendah = [-1;-0,5]; error sedang = [0,5;0,5]; error tinggi = [0,5;1]
5. Fungsi keanggotaan fuzzy
Fungsi keanggotaan fuzzy merupakan hubungan antara nilai derajat keanggotaan dengan variabel fuzzy (numerik). Fungsi keanggotaan fuzzy juga dapat menentukan nilai derajat keanggotaan dengan himpunan fuzzy berdasarkan variabel fuzzy (numerik). Logika fuzzy sebagai aksi kendali pada DC-DC buck converter, memilki keanggotaan fuzzy berbentuk segitiga, yang ditampilkan pada Gambar 2.6.
(a) (b)
Gambar 2.6 Fungsi keanggotaan logika fuzzy untuk (a) variabel error; (b) variabel delta error (Musyafa & Ibrohim, 2013)
Fungsi keanggotaan dalam logika fuzzy tipe-2, terdapat daerah yang disebut dengan footprint of uncertainty (FOU), yaitu daerah yang membatasi dengan fungsi keanggotaan logika fuzzy. Terdapat dua daerah FOU dalam fungsi keanggotaan logika fuzzy yaitu upper membership function (UMF) dan lower
membership function (LMF) (Castillo & Melin, 2008). Fungsi keanggotaan logika fuzzy tipe-2 dapat dilihat pada Gambar 2.7 dan Gambar 2.8 sebagai aksi kendali pada DC-DC buck converter.
Gambar 2.7 Fungsi keanggotaan logika fuzzy tipe-2 (Castillo & Melin, 2008)
Gambar 2.8 Fungsi keanggotaan logika fuzzy tipe-2 sebagai aksi kendali pada DC-DC buck converter (Martinez et al., 2012)
Kaidah
Kaidah merupakan suatu bentuk aturan relasi/implikasi jika-maka (if-then).
Di dalam kaidah logika fuzzy terdapat operasi himpunan fuzzy, yaitu operasi yang mengombinasikan dan memodifikasi dua atau lebih himpunan fuzzy. Terdapat tiga operasi dasar pada himpunan fuzzy yaitu OR (union), AND (intersection), dan NOT (complement). Hasil dari dua atau lebih himpunan fuzzy akan mempunyai nilai keanggotaan baru hasil operasi dua himpunan yang disebut firing strength
atau predikat. Operasi pada logika fuzzy tipe-2 hampir sama dengan logika fuzzy tipe-1, namun pada logika fuzzy tipe-2, operasi dilakukan pada dua interval, yaitu pada upper membership function (UMF) dan lower membership function (LMF) sekaligus. Operasi himpunan fuzzy sebagai aksi kendali pada DC-DC buck converter yang digunakan adalah AND (intersection) (Martinez et al., 2012)(Musyafa & Ibrohim, 2013). Operasi himpunan fuzzy pada logika fuzzy tipe-2 ditampilkan pada Gambar tipe-2.9.
Gambar 2.9 Operasi pada logika fuzzy tipe-2 (Castillo & Melin, 2008)
Mesin inferensi
Mesin inferensi merupakan proses implikasi dalam menalar nilai masukan untuk menentukan nilai keluaran sebagai bentuk pengambil keputusan. Mesin inferensi terdiri dari proses implikasi dan agregasi. Implikasi yaitu proses menentukan derajat keanggotaan keluaran dari masing-masing kaidah dengan menggunakan operator himpunan fuzzy. Proses selanjutnya adalah agregasi yaitu proses mengkombinasikan semua derajat keanggotaan keluaran masing-masing kaidah menjadi derajat keanggotaan tunggal (Castillo & Melin, 2008).
Gambar 2.10 Mesin inferensi pada logika fuzzy tipe-2 (Robandi & Kharisma, 2009)
Tipe reduksi
Tipe reduksi merupakan langkah pertama pengolahan keluaran mesin inferensi dengan menghitung centroid dari logika fuzzy tipe-2. Tipe reduksi dapat diselesaikan dengan beberapa metode antara lain:
1. Reduksi tipe centroid (center-of-sums)
Centroid dihitung dari kombinasi area keluaran yang sebelumnya didapatkan dari aktivasi setiap kaidah berdasarkan firing strength.
2. Reduksi tipe pusat himpunan (center-of-sets)
Metode ini menghitung centroid setiap konsekuen dari kaidah yang aktif . 3. Reduksi tipe ketinggian (height)
Keluaran setiap kaidah digantikan dengan singleton pada titik maksimum keanggotaan lalu dihitung centroid-nya.
Defuzzifikasi
Defuzzifikasi merupakan proses mengubah derajat keanggotan hasil agregasi menjadi nilai analog keluaran. Defuzzifikasi merupakan langkah kedua untuk pengolahan keluaran mesin inferensi setelah tipe reduksi pada logika fuzzy tipe-2.
2.4 Performansi Tanggapan Sistem Pengendalian Orde Kedua
Suatu sistem dikatakan mempunyai orde kedua jika fungsi alihnya mempunyai variabel s dengan pangkat tertinggi dua. Persamaan fungsi alih sistem ber-orde kedua ditampilkan pada persamaan 2.9. Salah satu contoh sistem orde 2 adalah DC-DC buck converter.
2 2 K adalah gain, ζ adalah konstanta redaman, dan ωn adalah frekuensi natural.
.
Spesifikasi tanggapan transien sistem orde kedua dapat dihitung melalui parameter konstanta redaman dan frekuensi natural. Spesifikasi tanggapan transien meliputi waktu naik (tr), waktu puncak (tp), nilai overshoot maksimal (Mp), dan waktu tunak (ts). Persamaan waktu naik, waktu puncak, nilai overshoot maksimal, dan waktu tunak berurutan ditampilkan pada persamaan 2.10 – 2.13
2.5 Peta Jalan Penelitian DC-DC Buck Converter Tabel 2.2 Peta Jalan Penelitian DC-DC Buck Converter
Tahun Peneliti Aplikasi Algoritma Pengendalian
Jenis
Penerapan Keterangan Hasil
2005 Ping-Zong
Eksperimen Dilakukan eksperimen dengan aksi kendali logika fuzzy tipe-2
Logika fuzzy tipe-2 dapat mengatasi ketidakpastian 2009 Gunawan DC-DC buck
converter
PID Diskrit Simulasi Dilakukan analisa kestabilan dari tanggapan melalui lingkar terbuka dan lingkar tertutup.
memiliki tanggapan transien yang cepat dan steady state error yang mendekati nol
Simulasi Logika fuzzy digunakan untuk menala nilai Kp, Ti, dan Td pada PID
Performansi lebih baik jika dibandingkan dengan aksi kendali PID saja
Tahun Peneliti Aplikasi Algoritma Pengendalian
Jenis
Penerapan Keterangan Hasil
2012 J.Solano
Eksperimen Membandingkan logika fuzzy tipe1 dengan logika fuzzy tipe -2
Simulasi Membandingkan aksi kendali PI dengan logika fuzzy
Logika fuzzy Eksperimen Diaplikasikan pada turbin angin skala kecil
Diberikan nilai set point sebesar 2 V pada RPM maksimum
PID Simulasi pemodelan DC-DC buck
converter menggunakan simulink
Penurunan model dari buck converter akurat
Tahun Peneliti Aplikasi Algoritma Pengendalian
Jenis
Penerapan Keterangan Hasil
S.S
Parthasarthy 2015 Majid Ali,
Saifullah Khan, Muhammad Waleed, Islamuddin
DC-DC buck converter
Logika fuzzy Simulasi Logika fuzzy digunakan untuk aksi kendali
Menghasilkan
tegangan konstan saat masukan bervariasi
BAB 3
METODA PENELITIAN
3.1 Diagram Alir Penelitian
Diagram alir penelitian ini menjelaskan tentang tahapan dari penelitian tesis yang dilakukan untuk mencapai tujuan. Tahapan penelitian ditunjukan dalam bentuk diagram alir Gambar 3.1
Gambar 3.1 Alur penelitian
3.2 Perancangan Simulasi Sistem Pengendalian Tegangan Pada DC-DC Buck Converter
Simulasi menggunakan perangkat lunak bertujuan untuk membandingkan performansi sistem terhadap hasil rancang bangun. Terdapat tiga tahap simulasi, yaitu simulasi sistem lingkar terbuka untuk DC-DC buck converter, simulasi sistem pengendalian tegangan lingkar tertutup untuk DC-DC buck converter, serta simulasi sistem pengendalian tegangan pada generator turbin angin. Diagram blok pada simulasi untuk masing-masing sistem ditampilkan pada Gambar 3.2, Gambar 3.3, Lampiran B.
Gambar 3.2 Diagram Blok DC-DC Buck Converter pada Simulasi
(a)
(b)
Gambar 3.3 Diagram Blok Sistem Pengendalian Tegangan DC-DC Buck Converter dengan (a) Satu Masukan (b) Dua Masukan Kendali Logika Fuzzy pada Simulasi
Sistem pengendalian tegangan pada DC-DC buck converter terdiri dari rangkaian DC-DC buck converter sebagai plant, kendali logika fuzzy sebagai pengendali, sinyal step sebagai set point. Rangkaian DC-DC buck converter terdiri dari sebuah dioda, sebuah mosfet, sebuah induktor, sebuah kapasitor, dan sebuah resistor. PWM generator (DC-DC) berfungsi merubah nilai duty cycle menjadi nilai PWM yaitu kondisi saklar on dan saklar off.
3.3 Perancangan Prototype Turbin Angin
Prototype turbin angin yang digunakan dalam penelitian ini bertipe turbin angin sumbu horizontal dengan arah orientasi rotor bertipe upwind. Bilah yang digunakan berjumlah tiga buah dan terbuat dari bahan fiber glass. Jumlah dan bahan bilah tersebut digunakan supaya turbin angin dapat beroperasi secara efisien dengan kecepatan angin yang bervariasi (Manyonge & Al., 2012).
Konfigurasi tersebut juga dapat menghasilkan frekuensi optimal yang dibutuhkan generator, meminimalkan ukuran, dan berat gearbox, serta meningkatkan efisiensi (Ragheb & Ragheb, 2011). Jenis airfoil yang digunakan adalah National Renewable Energy Laboratory (NREL) seri S83n (S833, S834, S835) dengan panjang bilah 100 cm. Airfoil seri S83n merupakan airfoil yang cocok digunakan untuk turbin angin dengan variabel keceptan angin yang rendah, variabel pitch dengan tipikal airfoil rendah, derau (noise) rendah, serta koefisien lift yang tinggi (Musyafa, 2012). Spesifikasi prototype turbin angin ditampilkan pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1 Spesifikasi Umum Prototype Turbin Angin
Bagian Parameter Spesifikasi
Bilah
Jumlah 3 buah
Panjang 100 cm
Berat 990 g
Jenis airfoil
NREL S835 (bagian pangkal 25 cm), S833 (bagian tengah 35 cm), S834 (bagian ujung 40 cm)
Bahan fiber glass
Rotor shaft
Bahan Stainless Steel
Dimensi diameter = 1,5 cm,
panjang = 1,3 m
Penopang bilah Bahan Akrilik
Bagian Parameter Spesifikasi
Generator yang digunakan merupakan jenis generator DC. Pemilihan generator DC dikarenakan lebih memudahkan dalam konversi ke rangkaian DC-DC buck converter. Spesifikasi generator untuk turbin angin ditampilkan pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Spesifikasi Generator untuk Prototype Turbin Angin
Parameter Nilai
Amature resistansi 7 Ohm Amature Induktansi 0,51 mH Torsi Konstan 0,609 N.m/A Momen Inersia 0,4 kg.m2 Friction Factor 0,01 p.u
Speed Base 375 RPM
3.4 Perancangan Prototype DC-DC Buck Converter
Perancangan DC-DC buck converter dimulai dengan pemilihan komponen elektronik seperti pemilihan jenis komponen untuk saklar (solid state electronic switch), microcontroller, resistor hingga kristal clock untuk minimum system. Komponen saklar yang digunakan berupa MOSFET dengan tipe IRFZ44N karena memiliki tingkat frekuensi switch yang lebih baik daripada komponen elektronik switch lainnya seperti Thyristor, IGBT, dan GTO.
Microcontrollrer untuk DC-DC buck converter yang digunakan adalah tipe Arduino karena memiliki memori yang besar untuk keperluan pengkodean dari algoritma logika fuzzy tipe-2. Arduino juga memiliki jumlah 54 digital masukan/keluaran pin dengan 14 pin dapat digunakan sebagai keluaran PWM, 16 masukan analog, serta kristal osilator dengan frekuensi 16 MHz (Silvia, Haritman, & Muladi, 2014).
Komponen pada DC-DC buck converter terdiri dari induktor, kapasitor dan resistor. Nilai induktor dihitung melalui persamaan 2.2, nilai kapasitor dihitung melalui persamaan 2.3 dan nilai resistor dihitung melalui persamaan 2.4.
Nilai-nilai kompenen pada DC-DC buck converter ditampilkan pada Tabel 3.3.
Tabel 3.3 Nilai Komponen DC-DC Buck Converter
Parameter Nilai Perhitungan Nilai Komponen
Tegangan Masukan 20 V 20 V
Persamaan fungsi alih dari rangkaian DC-DC buck converter berdasarkan persamaaan 2.8 dapat dilakukan substitusi dengan memasukan nilai L, C, dan R yang didapatkan dari perhitungan. Persamaan fungsi alih dari rangkaian DC-DC buck converter dengan nilai parameter sesuai dengan Tabel 3.3 ditampilkan melalui persamaan 3.1.
107 Nilai komponen-komponen DC-DC buck converter yang telah didapatkan pada Tabel 3.3 selanjutnya dirangkai sesuai Gambar 2.3. Jenis MOSFET yang digunakan adalah MOSFET IRLZ44N yang mempunyai tegangan Drain-Source Breakdown V(BR)DS sebesar 55 Volt dan arus Drain ID sebesar 47 Ampere. Dioda yang digunakan bertipe 1N5882 Schottky Barrier. Dioda ini digunakan karena memiliki spesifikasi 3 Ampere dan 40 Volt. MOSFET dan dioda jenis tersebut dipilih karena memiliki spesifikasi nilai tegangan dan arus di atas tegangan dan arus masukan maksimal DC-DC buck converter sehingga kompenen tersebut
aman untuk digunakan. Hasil realisasi perangkat keras ditampilkan pada Gambar 3.4.
Gambar 3.4 Realisasi Perangkat Keras DC-DC Buck Converter
Rangkaian DC-DC buck converter dilengkapi dengan rangkaian divider yang berfungsi sebagai sensor tegangan. Rangkaian divider mempunyai rentang maksimal keluaran sesuai dengan tegangan maksimal yang diperlukan. Tegangan keluaran dari divider ini mewakili tiap tegangan yang masuk pada DC-DC buck converter yang kemudian akan diubah ke sinyal digital oleh fitur microcontroller melalui ADC. Microcontroller akan memberikan perintah switch menurut duty cycle dengan sinyal PWM dari sinyal ADC yang terbaca.
Sinyal PWM merupakan variabel yang dimanipulasi dalam sistem pengendalian ini. Nilai dari sinyal PWM yang diberikan pada microcontroller sangat bergantung dari putaran turbin angin. Putaran turbin angin tersebut akan dikonversi menjadi daya listrik melalui generator. Nilai daya listrik yang dihasilkan sangat tergantung pada kecepatan putaran turbin angin, semakin cepat turbin angin berputar maka semakin besar juga daya listrik yang dihasilkan. DC-DC buck converter berfungsi untuk menurunkan tegangan menjadi tegangan setpoint meskipun tegangan masukan berfluktuatif mengikuti kecepatan angin yang berubah-ubah. Penurunan tegangan menjadi tegangan setpoint dikendalikan dengan cara mengatur switch MOSFET berdasarkan duty cycle dari sinyal PWM.
Penelitian ini menggunakan PWM dengan resolusi 8 bit yang berarti PWM