PEMODELAN DAN SIMULASI KONTROL CLOSE LOOP BUCK CONVERTER.pptx

FUNGSI ALIH DC-DC CONVERTER

PEMODELAN DAN SIMULASI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO - UNIVERSITAS TADULAKO Ratih mar’atus sholihah, S.ST., MT

2022

PENDAHULUAN

• DC to DC c onverter itu merupakan suatu device yang mengubah/mengkonversi energy listrik dari DC ke DC juga tentunya (menaikkan atau menurunkan), tanpa mengubah polaritas dari sumber.

• DC to DC converter ini memanfaatkan Charging dan discharging pada inductor, dengan metode switching. Switch yang digunakan adalah semikonduktor yang dioperasikan pada frequency tinggi seperti transistor BJT atau juga FET.

• DC to DC ini sangat sering dipakai di industry secara umum, dan elektronik

khususnya, karena memiliki efesiensi yang tinggi. Device ini biasanya

dipakai sebagai pengatur kecepatan motor, atau mobil listrik, dan bisa

juga untuk charger.

RANGKAIAN KONVERTER DC KE D C

• merupakan salah satu jenis rangkaian elektronika daya yang

berfungsi untuk mengkonversi tegangan masukan searah konstan menjadi tegangan keluaran searah yang dapat divariasikan berdasarkan perubahan duty cycle rangkaian kontrolnya.

• Sumber tegangan DC dari konverter DC ke DC dapat diperoleh dari baterai, atau dengan menyearahkan sumber tegangan AC yang kemudian dihaluskan dengan filter kapasitor untuk mengurangi riak (ripple).

• Secara garis besar, konverter DC ke DC dibagi menjadi 2 macam,

yaitu tipe linier dan tipe peralihan (switching).

JENIS-JENIS CONVERTER DC TO DC

Jenis DC to DC converter diantaranya:

▶ Buck Converter, Menurunkan tegangan

▶ Boost Converter, Menaikkan tegangan

▶ Buck-Boost Converter, Menurunkan dan menaikkan tegangan.

▶ Flyback (polaritas dengan outputnya dibalik)

DUTY CYCLE

▶

Duty cycle adalah perbandingan waktu hidup (konduksi) dengan total periode dari switching.

▶

Rangkaian ini memakai switch yang berupa semikonduktor, yang namanya switch dia bekerja hidup dan mati secara periodik, atau dapat kita katakan adalah ada periode on, ada periode off.

▶

1 periode (T) adalah, waktu yang dibutukan oleh switch untuk 1 kali on dan 1 kali off.

▶

Duty cycle ini berfungsi sebagai konstanta pengali

tegangan output yang dihasilkan pada design

DC to DC converter(akan dibahas nanti), kira-kira

begitu arti dari duty cyle.

• Konverter DC-DC berlaku seperti halnya trafo/transformer yang mengubah tegangan AC tertentu ke tegangan AC yang lebih tinggi atau lebih rendah.

ada peningkatan ataupun pengurangan masukan selama pengkonversian

• Tidak daya

energi listriknya, sehingga secara persamaan dayanya dapat dituliskan

bentuk

ideal

dengan

persamaan sebagai berikut :

KONVERTER JENIS BUCK

Merupakan converter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 2, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Gambar 2 Rangkaian konverter DC-DC tipe buck

TEGANGAN RATA-RATA BUCK CONVERTER

• Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode penyaklarannya.

KONSTRUKSI TF DC-DC

CONVERTER MENGGUNAKAN TEKNIK STATE SPACE

Stepnya yaitu:

1. Buat asumsi

2. Tentukan state variable

3. Tulis persamaan untuk setiap interval operasi ( mosfet on dan off) 4. Rata-ratakan state variable menggunakan duty cycle di salah satu

priode

5. Perkenalkan gangguan di state variable

6. Samakan jumlah ac dan dc dan lanjutkan dengan persamaan ac

7. Gunakan transformasi laplace dan Hitunglah TF

1. BEBERAPA ASUMSI YANG HARUS DIPERTIMBANGKAN

1. komponen ideal dan tidak terjadi rugi-rugi. Seperti : resistansi internal induktor dan sakelar perangkat diabaikan. Parameter ini hanya mempengaruhi

besarnya respon frekuensi. Ini valid, karena nilai hambatan ini jauh lebih rendah dibandingkan

dengan tahanan beban ekivalen.

2. Converter pada mode CCM (continuous conduction

mode)

2. STATE VARIABLE 𝑥(𝑡) ത

variable yang ada:

✓ Tegangan output Vo

✓ arus inductor i _L

✓ tegangan kapasitor Vc

✓ tegangan input Vd

✓ Duty cycle d

Karena asumsi kondisi ideal maka Vc=Vo

sehingga satu variable bisa di gantikan

2. STATE VARIABLE 𝑥(𝑡) ത

𝑠𝑡𝑎𝑡𝑒 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 ҧ𝑥 𝑡 = 𝑖 _𝐿 (𝑡) 𝑣 _𝑐 (𝑡) 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 ത 𝑢 𝑡 = 𝑣 _𝑑 (𝑡)

𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 𝑣𝑎𝑟𝑖𝑎𝑏𝑙𝑒 = ത 𝑦 𝑡

3. PERSAMAAN UNTUK SETIAP INTERVAL OPERASI

Persamaan State space untuk konveter untuk aplikasi ini

^:

• Matrik C dan E adalah [ 0 1] dan [0].

• Matrik A dan B di tentukan dari Teknik rata-rata yang akan di

jelaskan setelah ini.

3. PERSAMAAN UNTUK SETIAP INTERVAL OPERASI

1. SWITCH S ON

KVL:

KCL:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑐

RC Vc C

IL dt

dVc

R IL Vc

dt C dVc

IR IL

Ic

IR Ic

IL

L Vc L

ILRL L

Vd dt

dIL

Vc ILRL

dt Vd L dIL

Vc ILRL

VL Vd

−

=

−

=

−

=

=

−

−

−

−

=

−

−

=

= +

+ +

−

0

0

2 1 1

0

0 2

1 2

1

1 0

0 1 1

1

1 1

1

1

1 1

1

1

x Vc x

Vo

x Vd x x

x

C B

A

L RC

C

L RL L

L RC

C

L RL L

=

=

− +

−

= −

=

− =

−

= −





3. PERSAMAAN UNTUK SETIAP INTERVAL OPERASI

1. SWITCH S OFF

KVL:

KCL:

𝑉𝑜 = 𝑉𝑐

RC Vc C

IL dt

dVc

R IL Vc

dt C dVc

IR IL

Ic

IR Ic

IL

L Vc L

ILRL dt

dIL

Vc dt ILRL

L dIL

Vc ILRL

VL

−

=

−

=

−

=

=

−

−

−

−

=

−

−

=

= +

+

0

0

2 1 1

0

0 0 2

1 2

1

1 0

0 1 1 0

1

1 1

1 1 1

1

x Vc x

Vo

x Vd x x

x

C B

A

RC C

L RL L

RC C

L RL L

=

=

− +

−

= −

=

− =

−

= −





4. STATE SPACE AVERAGE TECHNIQUE

Eu Cx

y

Bu Ax

x

+

=

+

=

•

•

 

 



= 

2 1

x x x

) 1

( 2 1

) 1

( 2 1

) 1

( 2 1

C C

D C

C

D B

D B

B

D A

D A A

− +

=

− +

=

− +

=

4. STATE SPACE AVERAGE TECHNIQUE

1 0

2 1

2 1

) 0 1

0 ( 0 0

2 1

2 1

) 1

( 2 1

) 1

( 2 1

) 1

( 2 1

1

1 1

1

=

=

=

==

=

=

− +

=

−

−

= −

=

=

==

=

− +

=

− +

=

− +

=

C C

C C

C

D D

B

A A

A A

A

C C

D C C

D B

D B B

D A

D A A

DL L

RC C

L RLL

5. MEMBUAT FUNGSI ALIH (TRANSFER FUNCTUIN) DARI

MATRIK STATE SPACE MENGGUNAKAN PERS. LAPLACE

clc

clear all

syms Cs d L R Vd RL s A1=[ -RL/L -1/L ;

1/Cs -1/(R*Cs) ] A2=[ -RL/L -1/L ;

1/Cs -1/(R*Cs) ] B1=[1/L ;

0 ] B2=[0 ; 0 ] C1=[0 1]

C2=[0 1]

A=A1*d+A2*(1-d) B=B1*d+B2*(1-d) C=C1*d+C2*(1-d) D=0

I=[1 0;

0 1];

dyn_buck=C*inv(s*I-A)*B

Parameter:

Vg = 50 V V = 30 V R = 15 Ω R_L = 0.2 Ω

f = 40 KHz ➔ Ts = 0.025 mS L =0.76 mH

C = 20.83 uF

Cs=20.83e-6; L=0.76e-3; R=15; Vd=50; RL=0.2;

num=[R]

den=[Cs*L*R L+Cs*R*RL R+RL]

buck=tf(num,den)*Vd

tfinal=50e-3;

delt=0.1e-6;

t=0:delt:tfinal;

u=0*t;

lt=length(t);

lt2=round(lt/2);

count=1;

for x=1:lt;

if(count<=lt2)

u(count)=0.8;

else

u(count)=0.5;

end

count=count+1;

end

lsim(buck,u,t);grid;

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 0

10 20 30 40 50 60

Linear Simulation Results

Time (seconds)

Amplitude

KONTROL CLOSE LOOP DC-DC CONVERTER

PEMODELAN DAN SIMULASI

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO - UNIVERSITAS TADULAKO Ratih mar’atus sholihah, S.ST., MT

2022

PERHITUNGAN PID UNTUK BUCK CONVERTER

STEP 1

Analisa respon output sistem open loop dengan menentukan beberapa variabel antara lain:

Time Peak(tp) = 0.00038 s Time Setting (ts) = 0.00465 s

Dan dengan Toleransi steady state 2%, tentukan Yss = 29.6 V

PERHITUNGAN PID UNTUK BUCK CONVERTER

STEP 2

• Menentukan nilai K 𝐾 = ^𝑌𝑠𝑠

𝑋_𝑠𝑠= 29.6/30=0.986

• Menentukan nilai 𝝃 𝒅𝒂𝒏 𝝎_𝒏

o dengan toleransi steady state 2% maka nilai 𝛼 𝒕_𝒔 = ^𝟒

𝜶 =𝟒𝝉 → 𝜏 = ^𝑡𝑠

4 =0.00465/4=0.0011625 𝜏 = ¹

𝛼 → 𝛼 = ¹

𝜏 =1/0.0011625=860.215 o dengan nilai tp maka persamaan 𝜔_𝑛

𝒕_𝒑 = ^𝝅

𝝎_𝒅 = ^3,14

𝜔_𝑑 → 𝜔_𝑑 = ^3,14

𝒕_𝒑 =3.14/0.00038=8263.157

𝜶 = 𝝃.𝝎_𝒏 → 𝜔_𝑛 = 𝛼

𝜉 = 860.215 𝜉

PERHITUNGAN PID UNTUK BUCK CONVERTER

STEP 2

o subtitusi 2 persamaan sebelumnya untuk dapat nilai 𝜉 𝑑𝑎𝑛 𝜔_𝑛 𝝎_𝒅 =𝝎_𝒏 𝟏 − 𝝃^𝟐

8263.157 =^{860 .215}

𝜉 1− 𝜉² ➔( Pangkatkan 2 semua) 68 279 763.607 =739 969.846

𝜉² (1− 𝜉²) 68 279 763.607𝜉² = 739 969.846(1− 𝜉²)

68 279 763.607𝜉² = 739 969.846−739 969.846𝜉² 67 539 794.147𝜉² = 739 969.846

𝜉 = 67 539 794.147

739 969.846 = 9.554 𝜔_𝑛 =𝛼

𝜉 = 860.215

9.554 = 90.04 𝑟𝑎𝑑/𝑆

• menentukan transfer function (model matematika)

𝒀(𝑺)

𝑿(𝑺) = 𝑲.𝝎_𝒏^𝟐

𝑺^𝟐+𝟐.𝝃.𝝎_𝒏.𝑺+𝝎_𝒏^𝟐

PERHITUNGAN PID UNTUK BUCK CONVERTER

STEP 3

• menentukan nilai 𝝉_𝒊 𝜏_𝑖= 2𝜉

𝜔_𝑛 =2𝑥9.554

90.04 = 0.212

• menentukan nilai 𝝉_𝒅 𝜏_𝑖𝜏_𝑑 = 1

𝜔_𝑛² 𝜏_𝑑 = ¹

𝜏_𝑖𝜔_𝑛²= 1/(0.212𝑥90.04²)= 0.000581

• jika nilai time setting yang diinginkan 4mS maka:

𝒕_𝒔=𝟓𝝉 → 𝜏=𝑡_𝑠

5 =0.004

5 = 0.008

• Menentukan nilai Kp Ki dan Kd 𝜏= 𝜏_𝑖

𝑘_𝑝𝐾→ 𝒌_𝒑= 𝜏_𝑖

𝜏.𝐾 = 0.212

0.008𝑥0.986=𝟐𝟔.𝟖𝟕𝟔 𝒌_𝒅=𝑘_𝑝𝜏_𝑑 = 26.876 𝑥 0.000581 =𝟎.𝟎𝟏𝟔

𝒌_𝒊 =𝑘_𝑝

𝜏_𝑖 =26.876

0.212 =𝟏𝟐𝟔.𝟕𝟕𝟓

• menentukan transfer function (model matematika)

𝐶(𝑆)

𝑅(𝑆)= 1 𝜏_𝑖𝑆 𝑘_𝑝𝐾+ 1

SIMULASI PID UNTUK BUCK CONVERTER

Apabila respon dari transfer function yang baru sudah sesuai maka nilai Kp,Ki dan Kd yang sudah dihitung dapat disimulasikan .

𝒌_𝒑 = 𝟐𝟔. 𝟖𝟕𝟔 𝒌_𝒊 = 𝟏𝟐𝟔. 𝟕𝟕𝟓 𝒌_𝒅 = 𝟎. 𝟎𝟏𝟔

SIMULASI PID UNTUK BUCK CONVERTER

BEFORE AFTER

GANGGUAN PADA INPUT

Apabila pada sistem ditambahkan Vo/Vin gangguan, maka blok diagram sistem menjadi seperti gambar dibawah ini:

GANGGUAN PADA INPUT

Untuk mendapatkan TF Vo/Vin, dapat menggunakan fungsi state space di mfile MATLAB. Data yang dibutuhkan adalah data matrik [A],[B] dan [C]. List program :

clc clear all

d=0.6; Cs=20.83e-6; L=0.76e-3; R=15; RL=0.2;

A1=[ -RL/L -1/L ; 1/Cs -1/(R*Cs) ] A2=[ -RL/L -1/L ; 1/Cs -1/(R*Cs) ] B1=[1/L ;

0 ] B2=[0 ; 0 ] C1=[0 1]

C2=[0 1]

A=A1*d+A2*(1-d) B=B1*d+B2*(1-d) C=C1*d+C2*(1-d) D=0

ss_buck=ss(A,B,C,D) [n,d]=ss2tf(A,B,C,D) buck_tf=tf(n,d)

hasil running program tersebut adalah:

GANGGUAN PADA INPUT

Block diagram sistem menggunakan simulasi MATLAB/SIMULINK dengan menambahkan transfer function Vo/Vg gangguan (Gvg)

GANGGUAN PADA INPUT

Hasil Simulasi menunjukkan kontrol PID mampu menstabilkan tegangan luaran walapun terdapat Vo/Vin disturbance.