ANALISA, PERANCANGAN DAN SIMULASI RANGKAIAN PEREDAM RC PASIF PADA PENYALURAN SEDERHANA SISTEM TENAGA DC DENGAN MENGGUNAKAN PSPICE

(1)

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

(2)

JETri

,

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.

(3)

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

Gambar 1. Blok Diagram CPL

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, +

- P _{IN+ Out+} IN- Out- V V1 W1 G1 GVALUE (V(W1)/V(V1)) I(G1) (A) V1 (V) 0 50 100 150 200 I(G1)(A) V1(V) 200 150 100 50 0

(4)

JETri

,

tegangan mengalami osilasi dan hal ini mengindikasikan ketidakstabilan sistem karena adanya interaksi dari impedansi negatif masukkan dari CPL dengan filter masukan.

Gambar 3. Filter LC dengan CPL

Gambar 4. Tegangan ketika tegangan input 50 V diberikan

0s 10ms 10ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms V(V2) Time 400 300 200 100 V1 W1 G2 GVALUE (V(W1)/V(V1)) 1000 _{IN+ Out+} IN- Out- C1 300µF +

- 270 +

- V3

1 2

|

L1 150 µH V+ V- V2

(5)

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 = L L R R RR  

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).





R C LC R R C LC L RR C s RR C C R C R C R C s s R C LC R sC V V L L L L L s c 2 1 2 1 2 2 1 2 2 1 2 3 1 2 1 2 1                     (1)

Dengan menghitung bagian penyebut bagi persamaan (1) sama dengan nol, maka didapat persamaan (2).

(6)

JETri

,

Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372 -R = K 1  =





2 2 2 2 1 3 2 1 2 C sR LC s R C LC s R sL R LC R LC s L L L L L      (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.

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, ( ). Tegangan sumber adalah 270 V.

500 400 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 R = ∞Ω R = 0Ω RL = 30Ω 5Ω 1Ω 0,6Ω 0,3Ω Increasing RL Sumbu Imajiner Sumbu Real Root Locus

(7)

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 2 2 1 1 1 LC R R R R C s s R C s L L = 0 (3)





R C LC R R C LC R R R L RR C s RR C C R R C R C s s L L L L L L 2 1 2 1 2 2 1 2 1 2 3 ( ) 1              _ _           = 0 (4)

Dengan membandingkan persamaan (1) dan (4), tambahan

R LR

S L

muncul. Untuk membuat persamaan (1) memiliki nilai:

C2RRL >> R LR_L maka C2 >> ₂

R

L

(5)

Oleh karena itu, prosedur perancangan adalah untuk memilih R sehingga hambatan efektif pada bagian kuadrat persamaan (3) menghasilkan redaman dari kutub yang kompleks.

(8)

JETri

,

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 = L L R C LC LC R 1 1 1 2  (6)

Dengan menggunakan persamaan orde 2, hambatan peredam dalam sudut θ dapat dinyatakan oleh persamaan (7).

R = 1 1 1 cos 2 C R LC LC R L L 



(7)

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 = 2 C

L

Table 1. Parameter peredam RC dengan peletakan kutub yang berbeda. (o) R(Ω) C2(mF) 0o 0,351 1,211 10o 0,357 1,177 20o 0,374 1,073 30o 0,405 0,914 40o 0,458 0,715 50o 0,546 0,503 60o 0,700 0,306 70o 1,019 0,144 80o 1,981 Sangat kecil 90o 72,9 Sangat kecil

(9)

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.

Gambar 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. V2 V1 +

- 270 +

- V3

1 2

|

L1 150 µH V+ V- W 1 G2 GVALUE (V(W1)/V(V2)) {P} _{IN+ Out+} IN- Out- C1 300µF C2 1.2m R1 0.7Ω

PARAMETERS:

P

(10)

JETri

,

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.

Gambar 9. Diagram Rangkaian dengan perkabelan R-L dihubungkan

V4 V6

1 2

|

L2 150 µH

1 2

L3 100 µH R3 0.5Ω +

- 270 C5 100µF W3 5000 C3 300µF +

- V7 G2 GVALUE (V(W3)/V(V4)) IN+ Out+ IN- Out- C4 1200µ R2 0.7Ω V+ V- 50 KW 1 KW 0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms V(V2) Time 360 V 320 V 280 V 240 V 200V

(11)

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.

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.

30ms 200ms 220ms 240ms 260ms 280ms 300ms 320ms Time 300 V 280 V 260 V 240 V

(12)

JETri

,

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. 300 V 280 V 260 V 240 V 180ms 200ms 220ms 240ms 260ms 280ms 300ms 320ms V(V4) Time