Upload
doandan
View
299
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
44
Rancang Bangun Pengatur Tegangan Otomatis pada Generator Ac 1 Fasa Menggunakan
Kendali PID (Proportional Integral Derivative)
Koko Joni*1, Achmad Fiqhi Ibadillah2, Achmad Faidi3 1,2,3Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Trunojoyo Madura
e-mail: [email protected]*1, [email protected]
Abstrak
Tegangan yang tidak stabil dapat merusak perangkat elektronik. Hal tersebut banyak dirasakan
oleh masyarakat kepulauan Madura yang belum tersentuh jaringan listrik PLN (Perusahaan Listrik
Negara). Sehingga untuk memenuhi kebutuhan listrik, masyarakat kepulauan menggunakan
generator AC 1 fasa tanpa Automatic Voltage Regulator (AVR). Hal ini dikarenakan harga AVR
yang relatif mahal. Oleh karena itu dalam penelitian ini penulis menghadirkan teknologi AVR
terbaru yang lebih murah dan lebih handal dari AVR sebelumnya. Hal tersebut dapat diwujudkan
dengan penggunaan mikrokontroler Atmega 8 sebagai komponen utamanya. Rangkaian AVR
berfungsi untuk mengatur besarnya tegangan dan arus yang masuk ke lilitan medan pada generator.
Dengan memanfaatkan umpan balik dari sensor pembagi tegangan yang masuk ke mikrokontroler
Atmega 8, maka dapat digunakan kendali PID (Proportional–Integral–Derivative) pada sistem.
Agar tegangan output generator tetap stabil sesuai dengan setpoint yang diinginkan, maka tegangan
dan arus yang masuk ke lilitan medan akan dikurangi atau ditambah menggunakan metode pulse
width modulation (PWM) sesuai dengan besarnya perhitungan galat yang diperoleh dari hasil
perhitungan kontroler PID. Hasil dari penelitian ini ialah AVR dapat diintegrasikan dengan
generator AC 1 fasa serta tegangan output dan frekuensinya akan stabil apabila Kp = 70, Ki = 35
dan Kd = 9.
Kata Kunci: AVR, Generator, Mikrokontroler, PID
1. Pendahuluan
Tegangan keluaran yang konstan pada sebuah generator adalah hal yang sangat penting untuk
menghasilkan suplai daya yang diharapkan. Perubahan tegangan keluaran sebuah generator dipengaruhi
oleh berbagai macam faktor penggangu, salah satunya beban dan RPM (Rotations Per Minute) yang
tidak selalu konstan. Oleh karena itu dibutuhkan suatu peralatan regulator khusus untuk menjaga
tegangan keluaran generator agar tetap konstan walaupun ketika generator dipengaruhi oleh faktor-
faktor penggangu tersebut. Selain itu dengan tujuan menjaga kestabilan sistem, regulator ini juga harus
mampu mengatur produksi atau penyerapan daya reaktif dari jaringan pada setiap terjadinya perubahan
beban. Regulator tegangan ini dapat dikontrol baik secara manual maupun secara otomatis.
Untuk menangani hal tersebut diatas, maka parameter-parameter pembangkit tersebut harus ada
yang dapat diubah-ubah agar pembangkit tetap beroperasi dengan baik dengan tetap menyuplai beban
dalam kondisi aman dan stabil. Saat ini telah ada sebuah peralatan yang mampu mengatur parameter-
parameter pembangkit tersebut dan bahkan sudah dapat bekerja secara otomatis. Salah satu jenis
peralatan tersebut yaitu AVR (Automatic Voltage Regulator) yang sedemikian rupa mampu mengatur
nilai tegangan yang dibangkitkan oleh suatu pembangkit (Gunadin, C. 2008).
Namun yang menjadi kendala saat ini yaitu harga AVR sangatlah mahal. Oleh karena itu
dibutuhkan teknologi baru yang dapat menciptakan AVR dengan komponen elektronika yang mudah
dijumpai di pasar elektronik dan dengan biaya produksi yang murah agar dapat dijual dengan harga yang
murah pula. Hal inilah yang membuat penulis ingin menghadirkan teknologi AVR terbaru dengan
menggunakan integrated circuit (IC) mikrokontroler atmega 8 sebagai pengontrol utama AVR tersebut.
IC ini tergolong sebagai IC digital sehingga dapat diisi dengan program atau algoritma yang diinginkan.
Dengan IC jenis ini, maka AVR dapat diintegrasikan dengan pengendali PID (Proportional Integral
Derivative) sehingga AVR ini mampu mengkompensasi error tegangan output generator dengan sangat
cepat (Ristantono, F. 2012).
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
45
2. Metode Penelitian
2.1 Gambaran Umum dan Skema Rangkaian Sistem
Gambaran umum sistem rancang bangun pengatur tegangan otomatis pada generator AC 1 fasa
menggunakan kendali PID (Proportional Integral Derivative) ialah pertama-tama unit eksitasi mencatu
arus listrik bolak-bali (AC) ke penyearah gelombang (Rectifier) agar menghasilkan arus listrik searah.
Lalu keluaran dari rectifier dihubungkan ke lilitan jangkar dibagian rotor melalui transistor mosfet N
channel. Transistor ini dikontrol oleh IC Mikrokontroler Atmega 8 dengan menggunakan metode PID.
Proses perhitungan PID didapat dari sensor pembagi tegangan yang terhubung ke kumparan medan lalu
dibandingkan dengan nilai setpoint yang diinginkan. Nilai setpoint ini diatur oleh variable resistor 50K.
Sehingga dari proses perhitungan PID tersebut diperoleh sinyal PWM (pulse width modulation) yang
berguna untuk mencatu tegangan gate mosfet. Semakin besar nilai PWM maka tegangan drain atau
output dari mosfet akan semakin besar dan begitu pula sebaliknya. Berikut skema rangkaian AVR
generator AC 1 fasa dapat dilihat pada gambar 1.
Gambar 1 Skema Rangkaian AVR Generator 1 Fasa
2.2 Diagram Blog Sistem
Diagram blok sistem AVR generator 1 fasa berdasarkan gambar 2 mula-mula Mikrokontroler
membaca nilai tegangan setpoint yang diinginkan pada bagian analog input. Lalu unit eksitasi mencatu
penyearah gelombang (rectifier). Keluaran dari unit rectifier digunakan untuk menyuplay lilitan rotor
melalui mosfet tipe IRFP460. Mosfet inilah yang mengatur besar kecilnya suplay yang masuk ke lilitan
rotor. Besar kecilnya suplay tegangan yang masuk ke lilitan rotor berpengaruh terhadap besar kecilnya
induksi magnetik generator yang akan menginduksi lilitan stator. Selanjutnya mikrokontrol membaca
nilai tegangan output generator 0-24 volt AC melalui umpan balik dari sebagian lilitan stator yang masuk
ke pin analog input mikrokontroler melalui rangkaian rectifier dan sensor pembagi tegangan. Lalu
mikrokontrol akan melakukan proses perhitungan PID untuk menentukan nilai PWM yang pas pada
kaki gate mosfet agar lilitan rotor mendapat suplay tegangan yang pas pula sehingga tegangan output
generator akan sama dengan setpoint yang diinginkan dan tetap stabil walaupun diberi gangguan berupa
kenaikan beban ataupun perubahan rpm pada generator (Khan, I. A. 2015).
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
46
Gambar 2 Diagram Blok Sistem
2.3 Desain Hardware
Gambar 3 PCB Layout AVR Generator AC 1 Fasa
Gambar 4 AVR Generator AC 1 Fasa
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
47
AVR Generator AC 1 Fasa dibuat dari PCB sebagai tempat menempelnya komponen
elektronikanya. PCB ini dibuat dan didesain menggunakain software Diptrace. Biaya yang dibuthkan
hanya 81 ribu rupiah. Setelah pembuatan desain hardware selesai, maka tahap selanjutnya desain
tersebut dicetak dalam bentuk PCB. Lalu semua daftar komponen dipasang pada tempatnya masing-
masing. Sehingga hasil akhirnya akan tampak seperti pada gambar 4.
3. Hasil Penelitian dan Pembahasan
Dalam tahapan pengujian sistem terbagi menjadi beberapa bagian percobaan, di antaranya adalah
pengujian konstanta PID, pengujian terhadap kenaikan beban tanpa menggunakan AVR, pengujian
terhadap kenaikan beban dengan menggunakan AVR dan pengujian terhadap frekuensi generator. Untuk
lebih jelasnya dapat dilihat pada ulasan tiap-tiap percobaan berikut ini.
3.1 Hasil Pengujian Konstanta PID
Pengujian konstanta PID dilakukan dengan cara generator diberikan rpm yang konstan
selanjutnya setpoint dinaik-turunkan. Jika tegangan output berhasil mendekati setpoint seperti pada
gambar 5, maka konstanta PID nya dinyatakan sudah baik.
Gambar 5 Grafik Pengujian Konstanta PID
Setelah dilakukan pengujian terhadap konstanta PID (Kp, Ki, dan Kd) seperti terlihat pada grafik
di atas, maka pada saat setpoint dirubah-rubah hasilnya ialah tegangan output dapat mengikuti dengan
baik dan berdempetan. Hal tersebut menunjukkan bahwa nilai konstanta PID sudah baik.
Untuk menentukan konstanta PID pada AVR dilakukan dengan cara memberikan nilai konstanta
proportional terlebih dahulu yang dinaikkan secara bertahap hingga mengalami osilasi terus menerus
secara teratur seperti terlihat pada gambar 6.
Dalam percobaan ini plant mengalami osilasi ketika Kp = 117. Sehingga Kcr = 117. Lalu masukkan
pada rumus kontroler PID sesuai dengan rumus pada teori Ziegler-Nichols 2. Sehingga konstanta PID
nya ialah sebagai berikut.
Kp = 0,6 x Kcr = 0,6 x 117 = 70,02 ≅ 70
Ki = 0,5 x Pcr = 0,5 x 70 = 35
Kd = 0,125 x Pcr = 8,75 ≅ 9
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
48
Gambar 6 Grafik Hasil Tuning Ziegler-Nichols 2
3.2 Hasil Pengujian Terhadap Kenaikan Beban
Tanpa Menggunakan AVR
Pada tahap uji coba ini generator diberikan rpm mula-mula sebesar 2.600 dengan setpoint 220
Volt. Selanjutnya generator diberikan kenaikan beban secara bertahap sehingga menghasilkan grafik
gambar 7 seperti berikut ini.
Gambar 7 Tanpa Menggunakan AVR Set Point 220 Volt
Ketika generator dioperasikan tanpa AVR dan diberikan kenaikan beban secara bertahap mulai
dari 35 watt sampai dengan 2.205 watt dengan setpoint 220 volt dan rpm 2.600 maka mula-mula ketika
beban dibawah 155 watt tegangan output masih mendekati setpoint namun terdapat fluktuasi + 9 volt.
Ketika beban sudah di atas 155 watt dan sudah mencapai 2.205 watt maka tegangan output mulai
mengalami penurunan yang signifikan hingga mencapai -30 volt dari setpoint dan rpm juga mengalami
penurunan hingga -200. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat tabel 1.
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
49
Tabel 1 Tanpa Menggunakan AVR Set Point 220 Volt
Beban (watt) Voutput SetPoint Vrotor RPM
0 220,63 219,89 176,56 2606
35 219,14 219,89 178,46 2557
155 218,77 220,26 176,02 2504
505 215,04 220,26 176,83 2501
1055 211,31 219,51 185,78 2548
1605 196,03 219,89 185,24 2450
2205 190,44 220,26 184,43 2406
Selanjutnya generator diberikan rpm mula-mula sebesar 2.850 dengan setpoint 240 Volt dan
diberikan kenaikan beban secara bertahap sehingga menghasilkan grafik gambar 8.
Gambar 8 Tanpa Menggunakan AVR Setpoint 240 Volt
Ketika generator dioperasikan tanpa AVR dan diberikan kenaikan beban secara bertahap mulai
dari 35 watt sampai dengan 2.205 watt dengan setpoint 240 volt dan rpm 2.850 maka mula-mula ketika
beban sama dengan atau lebih kecil dari 155 watt tegangan output masih mendekati setpoint namun
terdapat fluktuasi + 5 volt. Ketika beban sudah di atas 155 watt dan sudah mencapai 2.205 watt maka
tegangan output mulai mengalami penurunan yang signifikan hingga mencapai -30 volt dari setpoint
dan rpm juga mengalami penurunan hingga -120. [10] Untuk lebih jelasnya dapat dilihat tabel 2 berikut
ini.
Tabel 2 Tanpa Menggunakan AVR Set Point 240 Volt
Beban (watt) Voutput SetPoint Vrotor RPM
0 240,01 240,76 191,75 2849
35 238,15 240,76 195,55 2797
155 236,66 240,38 193,65 2797
505 232,93 240,38 195,28 2845
1055 222,12 240,76 204,5 2791
1605 215,04 240,38 206,13 2784
2205 210,57 240,38 209,65 2727
Dengan Menggunakan AVR
Pada tahap uji coba ini generator diberikan rpm mula-mula sebesar 2.900 dengan setpoint 220
Volt. Selanjutnya generator diberikan kenaikan beban secara bertahap sehingga menghasilkan grafik
gambar 9.
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
50
Gambar 9 Dengan Menggunakan AVR Setpoint 220 Volt
Selanjutnya generator diberikan rpm mula-mula sebesar 3.200 dengan setpoint 240 Volt dan
diberikan kenaikan beban secara bertahap sehingga menghasilkan grafik seperti pada gambar 10.
Tabel 3 Dengan Menggunakan AVR Set Point 220 Volt
Beban (watt) Voutput SetPoint Vrotor RPM
0 220,31 220,68 159,48 2909
35 219,19 220,31 158,93 2843
155 218,07 219,94 163,27 2846
505 217,33 220,31 168,16 2844
1055 216,21 218,82 180,09 2776
1605 213,97 219,94 178,46 2784
2205 210,99 218,07 190,4 2669
Ketika generator dioperasikan dengan menggunakan AVR dan diberikan kenaikan beban secara
bertahap mulai dari 35 watt sampai dengan 2.205 watt dengan setpoint 240 volt dan rpm 3.200 maka
mula-mula ketika beban sama dengan atau lebih kecil dari 1.055 watt tegangan output mendekati
setpoint dengan error -5 volt. Ketika beban sudah di atas 1.055 watt dan sudah mencapai 2.205 watt
maka tegangan output mulai mengalami penurunan namun tidak sebesar ketika generator dioperasikan
tanpa menggunakan AVR. Penurunan tegangan output generator hanya mencapai -10 volt. Berbeda
dengan ketika generator dioperasikan tanpa menggunakan AVR yang penurunannya hingga mencapai -
30 volt. Namun ketika generator dioperasikan dengan AVR penurunan rpm nya lebih besar hingga
mencapai -220 hal ini dikarenakan penguatan arus medan generator yang dilakukan oleh AVR agar
tegangan output tetap mendekati setpoint. Sehingga putaran generator menjadi lebih berat. Untuk lebih
jelasnya dapat dilihat tabel 4.
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
51
Gambar 10 Dengan Menggunakan AVR Setpoint 240 Volt
Tabel 4 Dengan Menggunakan AVR Set Point 240 Volt
Beban (watt) Voutput SetPoint Vrotor RPM
0 240,06 240,06 180,36 3206
35 238,57 238,57 184,43 3189
155 237,83 239,32 188,23 3152
505 236,71 239,32 192,29 3115
1055 235,59 238,57 206,94 3098
1605 233,73 238,94 208,02 2985
2205 230,37 238,57 211,55 2982
Sehingga berdasarkan grafik pada gambar 8 sampai dengan 11 dapat dilihat perbedaan antara
generator yang dioperasikan menggunakan AVR dengan yang dioperasikan tanpa AVR yakni apabila
generator dioperasikan tanpa AVR diberikan beban yang dinaikkan secara berkala mulai dari 35 watt
sampai dengan 2.205 watt maka tegangan output generator akan mengalami penurunan sampai dengan
-30 volt. Dengan perlakuan yang sama tapi generator dipasangkan AVR sebagai kontrolnya maka
penurunan tegangan outputnya hanya sampai pada -5 volt. Jadi penggunaan AVR membuat tegangan
output generator menjadi lebih stabil walaupun beban bertambah.
Penggunaan AVR pada generator AC 1 fasa membuat tegangan output dari generator menjadi
stabil selama belum over load dan tegangan suplay dari eksitasi yang masuk ke rotor masih mencukupi
untuk meningkatkan medan listrik generator pada saat generator mendapat beban yang besar. Agar
tegangan eksitasi bisa mencukupi kebutuhan generator saat generator menerima beban yang besar maka
dibutuhkan rpm yang cukup agar AVR tatap bisa mengontrol generator supaya tegangan output sesuai
dengan setpoint yang diinginkan. Jika tegangan eksitasi generator mencukupi maka walaupun generator
diberikan beban sampai 2.205 watt hasilnya tegangan output generator akan tetap stabil sesuai dengan
setpoint yang diinginkan seperti terlihat pada grafik gambar 11.
Apabila beban pada generator bertambah maka tegangan rotor (Vrotor) akan dinaikkan oleh AVR
agar tegangan output generator tidak turun. Begitu pula sebaliknya apabila beban pada generator
berkurang maka Vrotor akan dikurangin oleh AVR agar tegangan output generator tidak melebihi setpoint
yang diinginkan. Karena pada dasarnya prinsip kerja AVR ialah mengontrol tegangan rotor yang
disuplay dari eksitasi sehingga apabila input dari unit eksitasi kurang dari kebutuhan generator maka
tegangan output generator akan mengalami penurunan dikarenakan AVR tidak dilengkapi dengan
rangkaian inverter yang dapat menaikkan tegangan. Apabila tegangan eksitasi nilainya melebihi
kebutuhan generator maka AVR akan mengurangi tegangan eksitasi yang masuk ke rotor secara
otomatis agar tegangan output generator tidak melebihi setpoint yang telah ditentukan
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
52
Gambar 11 Menggunakan AVR dengan tegangan eksitasi atau rpm yang memadai
.
Dengan perlakuan yang sama jika dibandingkan antara AVR Digital (buatan penulis) dengan
AVR Analog (pasaran) maka AVR Digital lebih unggul seperti terlihat pada gambar 12.
Berdasarkan pada gambar 12 dapat dilihat perbedaan antara AVR Analog dengan AVR Digital
yakni tegangan output AVR Digital lebih stabil dibandingkan dengan AVR Analog. Pada saat generator
diberikan kenaikan dan penurunan beban secara bertahap dan dioperasikan menggunakan AVR Analog,
maka tegangan output generator akan mengalami penurunan hingga -15 volt. Ketika generator
dioperasikan dengan AVR Digital, tegangan outputnya tetap stabil sesuai dengan setpoint.
Gambar 12 Grafik Perbandingan antara AVR Analog dengan Digital
Simposium Nasisonal Teknologi Terapan (SNTT) 5 2017 ISSN:2339-028X
53
4. Kesimpulan
Berdasarkan hasil perancangan, implementasi, dan pengujian hasil dari sistem yang telah dibuat
dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Pembuatan Automatic Voltage Regulator (AVR) berbasis mikrokontroler atmega 8 dengan metode
PID dapat diproduksi dan diimplementasikan dengan baik pada generator AC 1 fasa dengan biaya
pembuatan Rp 81.950. Harga ini jauh lebih murah dibandingkan dengan harga AVR pada
umumnya yang bisa mencapai Rp.600.000 atau bahkan jutaan ribu rupiah.
2. Automatic Voltage Regulator (AVR) yang dirancang dengan tuning PID yang tepat dapat
mengikuti setpoint yang diinginkan tanpa adanya osilasi pada tegangan output generator yakni
dengan nilai Kp = 70, Ki = 35, dan Kd = 4.
3. Pengaruh penggunaan AVR terhadap kenaikan beban pada generator dibandingkan dengan
generator yang tidak menggunakan AVR ialah generator yang dioperasikan menggunakan AVR
tegangan outputnya akan stabil sesuai dengan setpoint yang diinginkan selama tegangan eksitasi
dan rpm nya memadai serta generator belum over load.
4. AVR digital buatan lebih unggul disbanding AVR analog di pasaran.
5. Daftar Pustaka
Gunadin, C. 2008, Analisis Penerapan PID Controller Pada AVR (Automatic Voltage Regulator),
Media Elektrik, vol. III, no. 2, p. 1,
Ristantono, F. 2012, Desain dan Implementasi Kontroler PID Logika Fuzzy pada Sistem Automatic
Voltage Regulator (AVR) Gasoline Generator Set Kapasitas 1 KVA Mesin 4-Tak, JURNAL
TEKNIK POMITS, vol. I, no. 1, p. 1,
Putra, A. S. Blogs ITB, 28 April 2013 “Just another Blogs ITB Sites site,”. [Online]. Available:
http://blogs.itb.ac.id/el2244k0112211029ardinathasanjayaputra/2013/04/28/generator-ac-and-
dc-miscellaneous-subjects-preparing-equipments-specifications/.
Ristantono, F. 2012, Desain dan Implementasi Kontroler PID Logika Fuzzy pada Sistem Automatic
Voltage Regulator (AVR) Gasoline Generator Set Kapasitas 1 KVA Mesin 4-Tak, Jurnal Teknik
POMITS, vol. I, no. 1, p. 3
Ramezanian, H. 2013 Design of Optimal Fractional-Order PID Controllers Using Particle Swarm
Optimization Algorithm for Automatic Voltage Regulator (AVR) System, Journal of Control,
Automation and Electrical Systems, vol. XXIV, no. 5, pp. 601-611.
Puralachetty, M. M. 2016, Comparison of different optimization algorithms with two stage initialization
for PID controller tuning in automatic voltage regulator system, IEEE, vol. XXV, no. 4, pp. 152-
156,.
Gunadin, I. C. 2008, Analisis Penerapan PID Controller Pada AVR (Automatic Voltage Regulator),
Media Elektrik, vol. III, no. 2, pp. 4-5 Dai, Y. , 2015 ,The Design of Vehicle Antenna Servo Control System Based on Ziegler Nichols PID
Control, ICIMM, vol. II, no. 1, pp. 74-75 Khan, I. A. 2015, Design and manufacturing of digital MOSFET based-AVR for synchronous generator,
IEEE, vol. II, no. 12, pp. 217-222.
Supardi, A. 2016,Karakteristik Tegangan dan Frekuensi Generator Induksi Satu Fase Tereksitasi Diri
Berdaya Kecil, ISSN, vol. IV, no. 4, p. 18.