Desain dan Implementasi Tapped Inductor Buck Converter dengan Metode Kontrol PI pada Rumah Mandiri

(1)

Desain dan Implementasi Tapped Inductor Buck Converter

dengan Metode Kontrol PI pada Rumah Mandiri

Eddy Sulistyono

a

, Sutedjo

b

, Syechu Dwitya Nugraha

b

, Epyk Sunarno

b

, Ony Asrarul

Qudsi

b

, Indhana Sudiharto

b

Abstrak: Dewasa ini, penggunaan energi listrik masih bergantung pada energi fosil, sedangkan ketersediaan 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%.

Kata-kata kunci : Kontrol PI, Rumah Mandiri, Tapped-Inductor Buck Converter.

1. Pendahuluan

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.

Pada sistem mikrogrid rumah mandiri ini, sumber energi matahari diproses sehingga menghasilkan sumber tegangan 400 V melalui perpaduan dc-dc converter dan

battery charging yang dihubungkan ke dc bus sehingga nantinya dapat digunakan untuk mensuplai inverter, converter maupun beban yang lainnya. Permasalahan yang 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.

Tapped-Inductor Buck Converter merupakan salah satu 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. Dibantu dengan sensor arus dan tegangan yang diatur oleh mikrokontroller sehingga dapat memonitoring output dari Tapped-Inductor Buck Converter sesuai dengan yang diinginkan.

2. Desain

2.1 Tapped Inductor Buck Converter

Tapped-inductor buck converter merupakan salah satu bentuk lain dari buck converter. Pada tapped-inductor buck converter ini didesain suatu konverter yang menghasilkan 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.

＊_{Korespondensi:}_{[email protected]}

(2)

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 𝑣_𝑠1=0.

Gambar 2. Rangkaian pengganti ketika S1 on dan D1 off

Nilai tegangan total pada lilitan primer Np dan lilitan sekunder Ns yaitu,

𝑣 = 𝑉𝐼 − 𝑉𝑜 ...(1) Juga tegangan pada dioda yaitu

𝑣𝐷1= −𝑣𝑠 − 𝑉𝑜 = −𝑉_𝑛− 𝑉𝑜 = −𝑉𝐼+(𝑛−1)𝑉𝑜_𝐿 ...(2)

Oleh karena itu, arus switching menjadi seperti berikut 𝑖𝑠1= 𝑖𝐿=𝑉𝑖−𝑉𝑜_𝐿 𝑡 + 𝑖𝐿 ... (3)

Dan arus dioda yaitu

𝑖𝐷1= 0 ...(4)

2. Analisa ketika S1 Off dan D1 On

Hal ini akan mengakibatkan tegangan pada sisi dioda, 𝑣_𝐷1 = 0 sehingga nilai tegangan pada sisi sekunder bernilai vs = -Vo

Gambar 3. Rangkaian pengganti ketika S1 off dan S1 on

Ketika dioda dalam keadaan off, nilai tegangan untuk jumlah total lilitan menjadi

𝑣 = 𝑛𝑣𝑠 = −𝑛𝑉𝑜 ... (5) Oleh karena itu nilai tegangan pada sisi switching,

𝑣𝑠1= 𝑉𝐼− 𝑣 − 𝑉𝑜= 𝑉𝐼+ (𝑛 − 1)𝑉𝑜 ... (6)

Untuk arus pada induktor sisi sekunder yaitu 𝑖𝐿𝑠= 𝑛𝑖𝐿 = 𝑛 [1𝐿 ∫ 𝑣𝑑𝑡𝐷𝑇1 +𝑖𝐿 (𝐷𝑇)]

= −𝑛2𝑉𝑜_𝐿(𝑡 − 𝐷𝑇) + 𝑛_𝑖𝐿(𝐷𝑇) ... (7) Sehingga, arus pada dioda menjadi

𝑖𝐷1= 𝑖𝐿𝑠= −𝑛2𝑉𝑜𝐿(𝑡 − 𝐷𝑇) + 𝑛𝑖𝐿(𝐷𝑇)... (8)

Dan arus switching yaitu

𝑖𝑆1= 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.

Gambar 4. Bentuk gelombang tegangan untuk

(3)

Gambar 5. Bentuk gelombang arus untuk tapped-inductor buck converter

Pada tabel 1, tabel 2, dan tabel 3 ditunjukkan hasil perhitungan/ desain dari tapped buck converter yang telah dibuat.

Tabel 1. Tapped Buck Converter keluaran 120V No Parameter Nilai Satuan

1 Pin 1500 W

2 Po 196 W

3 Vin 400 V

4 Iin 3.75 A

5 Vo 120 V

6 Io 1.63 A

7 fs 40 kHz

8 D 0.3

9 L 0.644 mH

10 C 23.77 uF

11 n 2

1 Pin 1500 W

2 Po 300 W

3 Vin 400 V

4 Iin 3.75 A

5 Vo 48 V

6 Io 6.25 A

7 fs 40 kHz

8 D 0.12

No Parameter Nilai Satuan

9 L 84.48 mH

10 C 0.286 uF

11 n 2

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

11 n 2

2.2 Perancangan Kontrol PI[3,5]

Metode analitik digunakan untuk perencanaan mencari nilai kp dan ki. Berdasarkan bentuk respon tegangan hasil simulasi, model matematik Close Loop Transfer Function (CLTF) tapped buck conveter yang dibuat adalah orde 2. Persaman berikut digunakan untuk menentukan nilai Kp dan Ti.

𝐾𝑝=_𝜔𝑛𝑇2𝜀∗_𝐾 ... (10) 𝑇𝑖=_𝜔𝑛2𝜀 ... (11)

Pada konverter Vo 24V dilakukan simulasi secara openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih kurang bagus yaitu dengan Tp 0,026 s dan Ts 0,0236s. Dengan menggunakan metode analitik didapatkan nilai Kp sebesar 2.48 dan Ki sebesar 340.92 sedangkan konverter Vo 48V dilakukan simulasi secara openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih kurang bagus yaitu dengan Tp 0,053s dan Ts 0,0482s. Dengan menggunakan metode analitik didapatkan nilai Kp sebesar 2.516 dan Ki sebesar 166.6225 dan konverter Vo 120V dilakukan simulasi secara openloop dan dihasilkan parameter respon yang masih kurang bagus yaitu dengan Tp 0,133s dan Ts 0,121s. Dengan menggunakan metode analitik didapatkan nilai Kp sebesar 2.642 dan Ki sebesar 66.225.

3. Hasil Pengujian

(4)

maksimal. Oleh karena itu dilakukan penurunan arus sehingga bisa meminimalisir bunyi desing, yakni 120 V / 1A ; 48 V / 2 A ; 24 / 1 A.

3.1 Pengujian Tapped Induktor Buck Converter dengan tegangan output 120 V

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.

Tabel 4. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 120V pada beban nominal (1,63 A)

Duty

Tabel 5. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 120V dengan arus 1 A

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.

Tabel 6. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 48V pada beban nominal (6,25 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. Tabel 8. Data Hasil Pengujian Konverter dengan Output 24V

pada beban nominal (3,125 A) Duty

3.4 Hasil pengujian dengan sistem close loop

(5)

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

Cycle Vin (V)

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)

Iin (A)

Vo (prak)

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)

Vo (teori)

Io (A) %error

29% 100 0,3 24 24 1,05 0% 12% 200 0,2 23,5 24 1,05 2% 7% 300 0,2 23,5 24 1,05 2% 5% 400 0,2 23,5 24 1,05 2%

4. Kesimpulan

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 Step Down DC-DC Conversion”, 2005

[3]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

(6)