PENGENDALI BEBAN GENERATOR INDUKSI DENGAN...
Transcript of PENGENDALI BEBAN GENERATOR INDUKSI DENGAN...
PENGENDALI BEBAN GENERATOR INDUKSI DENGAN METODA
LOGIKA FUZZY BERBASIS PLC
Sarjono Wahyu Jadmiko 1)
, Sofian Yahya 2)
, Kartono Wijayanto 3)
1,2,3)
Teknik Otomasi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bandung, Bandung
Geger Kalong Hilir.Ds Ciwaruga – Bandung
email: [email protected], [email protected], [email protected] 1,2,3)
Abstrak
Generator induksi eksitasi sendiri (Self Excited Induction Generator) banyak digunakan sebagai sumber
energi listrik di daerah pedesaan. Pengoperasian generator induksi satu fasa dari motor induksi tiga fasa
membutuhkan arus eksitasi dari kapasitor. Generator induksi memiliki keunggulan seperti relatif murah,
pemeliharannya mudah (easy maintenance), kokoh, konstruksi sederhana, dan tahan terhadap over speed.
Akan tetapi generator induksi mempunyai kelemahan dalam hal regulasi tegangan, ketika generator induksi
dibebani maka tegangan generator induksi akan turun drastis. Penelitian ini bertujuan, pertama mengubah
motor induksi 0,25 HP menjadi sebuah generator induksi eksitasi sendiri dan kedua mengendalikan
tegangan generator induksi saat berbeban dengan metode logika fuzzy berbasis PLC sehingga generator
dapat mensuplai beban 100 watt dengan tegangan dapat dijaga 220 volt dengan toleransi error ± 5% dan
frekuensi 50 Hz dengan toleransi error ± 1%. Pengendali beban generator terdiri dari PLC Omron CJ1G
CPU23, MAD 42 sebagai input/output analog, penyearah, MOSFET, sensor tegangan, optocoupler, dan
beban resistif sebagai dummy load. Berdasarkan hasil pengujian generator dapat dibebani sampai 100 watt,
tegangan 220 volt dengan error ± 2,8 % dan frekuensi 50 Hz dengan error ± 0,3 %, saat pengujian putaran
generator induksi dijaga konstan 1615 rpm.
Kata kunci : Fuzzy Logic, PLC, Generator Induksi Eksitasi Sendiri, Pengendali Beban.
1. Pendahuluan
Semakin meningkatnya kebutuhan energi listrik ramah lingkungan, maka dibutuhkan sumber energi baru
terbarukan. Salah satu sumber energi yang dapat dikembangkan adalah Pembangkit Listrik Tenaga
Mikrohidro (PLTM) diantaranya adalah generator induksi penguatan sendiri. Generator induksi penguatan
sendiri (SEIG) merupakan generator yang tidak memerlukan catu daya eksternal untuk menghasilkan medan
magnet eksitasi, sehingga generator induksi banyak digunakan di PLTM [9].
Generator induksi eksitasi sendiri bekerja dengan mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Untuk
dapat membangkitkan tegangan pada terminalnya, generator induksi membutuhkan suplai daya reaktif yang
cukup sehingga kebutuhaan daya reaktif generator terpenuhi. Daya reaktif yang dibutuhkan generator untuk
eksitasi biasanya lebih besar daripada daya reaktif beban, sehingga total daya reaktif yang dihasilkan akan
bersifat kapasitif. Untuk dapat memenuhi kebutuhan daya reaktif maka dapat dipasang kapasitor pada
terminal generator yang memiliki nilai [1].
Generator induksi memiliki keunggulan antara lain: relatif murah, pemeliharannya mudah (easy
maintenance), kokoh, konstruksi sederhana, dan tahan terhadap over speed. Akan tetapi, Palwalia, dkk [5],
dalam penelitiannya mengemukakan bahwa generator induksi memiliki kelemahan, yaitu: pengaturan
tegangan dan frekuensi yang kurang. Hal ini terjadi karena perbedaan daya reaktif yang dihasilkan kapasitor
eksitasi dan yang dibutuhkan oleh beban dan mesin.
Untuk menjaga tegangan dan frekuensi SEIG walaupun terjadi perubahan beban adalah dengan cara
menentukan nilai kapasitansi atau mengendalikan kecepatan dari penggerak utama. Pengendali beban
elektronik (ELC- Electronic Load Controller) dapat digunakan untuk mempertahankan keluaran SEIG tetap
konstan. Maka, dummy load harus terhubung secara pararel dengan beban konsumen sehingga beban daya
total yang dihasilkan adalah konstan [10].
362
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
2. Tinjauan Pustaka
Berbagai macam alat pengendali tegangan SEIG juga telah banyak ditulis pada literatur–literatur: Shekar, dkk
[8] mengusulkan pengendali beban elektronik secara dinamis untuk mengatur tegangan SEIG. Berbeda halnya
dengan Palwalia, dkk [5] menggunakan kompensator statis. Sofian dan Iyas [10] mengembangkan pengendali
beban elektronik menggunakan metode logika fuzzy dan berbasis mikrokontroller.
Beberapa literatur telah merancang pengaplikasian logika fuzzy tidak hanya berbasis ATMega32 saja akan
tetapi menggunakan PLC (programmable logic controller). Peng Xiaohong, dkk [6] mengembangkan logika
fuzzy menggunakan PLC, peneliti mengemukakan penggunaan PLC sebagai pengendali sangat mudah dan
murah. Yanxiang,dkk [11], dkk juga mengembangkan logika fuzzy menggunakan PLC dalam mengatur
kecepatan dan frekuensi untuk sebuah sistem pertambangan. PLC digunakan karena handal, fleksibel, sesuai
dan telah banyak sukses dikembangkan di berbagai sistem yang berbeda. Berbeda halnya dengan Jiri Kocian,
dkk [3] yang mengemukakan cara pengontrolan logika fuzzy berbasis PLC dengan mendesain function block
agar mampu mencakup seluruh fungsi yang dibutuhkan dalam dunia industri.
Berbagai jenis PLC dapat digunakan dalam mengimplementasikan logika fuzzy [4][7]. Ferdinando [2], dalam
penelitiannya mengembangkan kontrol logika fuzzy pada PLC TSX 37-21 dan peneliti memilih pemrograman
dengan menggunakan struktur teks, mengimplementasikan logika fuzzy dengan struktur teks lebih mudah.
Berdasarkan rujukan-rujakan dari para peneliti diatas, penulis ingin merancang dan mengimplementasikan
logika fuzzy pada PLC untuk pengendalian tegangan generator induksi eksitasi sendiri. Alasan utama
menggunakan pengenali logika fuzzy adalah untuk mengendalikan generator dengan respon yang cepat tanpa
adanya overshoot walaupun beban berubah-ubah.
3. Metode Penelitian
Pengendali generator induksi dengan metode logika fuzzy berbasis PLC ditunjukkan pada gambar 1.
Pengendali terdiri dari MOSFET, penyearah, PLC CJ1G, Modul Analog-Digital MAD42, sensor tegangan,
optocoupler, dan dummy load. MOSFET berfungsi sebagai saklar chopper. Penyearah digunakan sebagai
konversi daya ac (generator) menjadi daya dc sebagai suplai tegangan dummy load. Pengendali logika fuzzy
digunakan untuk mengendalikan lebar pulsa dari MOSFET yang ditentukan dari perbedaan yang dibangkitkan
ke beban konsumen. PLC CJ1G digunakan untuk mengeksekusi lebar pulsa MOSFET sesuai kebutuhan
konsumen.
Gambar 1. SEIG tiga fasa dengan ELC untuk suplai beban satu fasa Gambar 2. ELC dengan penyerah tidak terkendali
Implementasi motor induksi sebagai generator induksi dengan cara memasang kapasitor pada terminal
kapasitor secara pararel yang berfungsi sebagai eksitasi. Daya keluaran generator induksi dijaga konstan
walaupun beban konsumen yang berubah- ubah dengan menghubungkan dummy load dan beban konsumen
secara pararel sehingga daya total yang dihasilkan tetap konstan, yaitu:
Pkeluaran = Pdummy + Pkonsumen
Adapun aspek perancangan dari pengendali beban generator induksi eksitasi sendiri dijelaskan dalam bagian
berikut ini:
PrimeMover
C1
C2
a
c b
ia
ibic
Self Exited Induction Generator
(SEIG)
Electronic Load
Controller (ELC)
Consumer Load
Dump Load
ADC PWM
Electronic Load Controller (ELC)
MOSFET
RD
Opto-
coupler
Cr
Lr
Voltage
Sensor
Power
Supply
CJ1G
CPU23
MAD
42
363
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
A. Rangkaian Daya
Rangkaian daya terdiri menjadi beberapa bagian, yaitu : filter LC, penyearah, kapasitor dan MOSFET.
Filter LC berfungsi untuk memperkecil harmonisa. Setelah itu tegangan AC akan masuk ke penyearah
untuk disearahkan menjadi tegangan DC. Filter kapasitor dipasang untuk memperkecil riak.
Rangkaian daya dirancang memiliki spesifikasi sebagai berikut: E = 220 Vrms, Frekuensi = 50 Hz, P=
500 watt, Ripple = 5%. Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh nilai-nilai C=165µF/400 Volt.
Gambar 3. Rangkaian daya Gambar 4. Rangkaian optocoupler TLP 250
B. Spesifikasi MOSFET dan Dummy Load
Nilai tegangan penyearah tak terkendali dan MOSFET dihitung berdasarkan nilai rms tegangan. Nilai rata-
rata keluaran dc dihitung berdasarkan persamaan berikut[4]:
Vdc = 2 VL = 0,9 VL = 0,9 220 = 198 Volt
Dengan perkiraan tegangan lebih besar 10% dari rating tegangan saat transien, tegangan rms adalah
242 V = (220+22)V dan tegangan puncak dapat dihitung: Vdc = 2 242 = 342,2 Volt
Untuk rating arus pada penyearah dan MOSFET ditentukan oleh input arus ac sebagai berikut:
Iac = = 2,27 A
Dari hasil perhitungan di atas, tegangan maksimum adalah 342,2 V dan arus maksimum 2,27 A. Maka,
rating resistansi dummy load adalah sebagai berikut:
R = (Vdc)2 / Pdc = (198)
2 / 500 = 78,4 Ω
C. Rangkaian optocoupler
Rangkaian optocoupler berfungsi pemisah antara rangkaian daya dengan rangkain control dengan
konfigurasi diperlihatkan gambar 4.
D. Pengendali Logika Fuzzy
D.1 Fuzzifikasi
Blok diagram di dalam perancangan sistem fuzzy pada penelitian ini diperlihatkan pada gambar 5.
Gambar 5. Blok diagram perancangan sistem logika fuzzy Gambar 6. Fungsi keanggotaan error dan derror
Berdasarkan gambar 5, pemrograman pada PLC terdiri dari pemrograman set point, masukan error dan
derror, pengendali fuzzy dan pemrograman process value (PV) hasil pemrosesan sensor tegangan. Nilai error
dan derror sistem diperoleh melalui persamaan dibawah ini:
error = SP – PV
364
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
dengan:
SP (Set Point) = Nilai tegangan yang diinginkan
PV (Process Value) = Tegangan aktual generator yang diperoleh dari pembacaan sensor tegangan.
Sedangkan, nilai untuk DError diperoleh melalui persamaan berikut ini:
DError = Error(n) – Error(n-1)
dimana:
error(n) = error saat ini; error (n-1) = error sebelumnya
Fungsi keanggotaan masukan error/ derror memiliki model yang sama dibagi kedalam 3 fungsi, yaitu: Small,
Negative, dan Big seperti diperlihatkan pada gambar 6.
Gambar 7. Ladder diagram himpunan fuzzy pada variabel Gambar 8. Structure text pemograman
error dan derror input variabel error & derror
Berdasarkan fungsi keanggotaan seperti diperlihatkan pada gambar 6, maka pemograman pada PLC dengan
ladder diagram dan structure text seperti diperlihatkan pada gambar 7 dan 8.
D.2 Basis Aturan
Basis aturan adalah untuk memberikan kondisi ketika terjadi Error dan dError, aturan tersebut dibuat untuk
mendapatkan nilai tegas seperti tabel 1.
Tabel 1. Basis Aturan
Gambar 9. Fungsi keanggotaan output
Berdasarkan basis aturan tabel 1, maka dibuat program dengan perangkat lunak CX-Programmer dengan
FBD dan structure text seperti diperlihatkan pada gambar 10 dan gambar 11 dibawah ini.
Gambar 10. Ladder diagram basis aturan Gambar 11. Structure text basis aturan 365
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
D.3 Defuzzifikasi
Metode yang digunakan adalah mengambil nilai rata-rata terbobot yang bersifat tegas, nilai anggota himpunan
fuzzy akan dirata-ratakan sesuai dengan nilai yang masuk dan dikalikan dengan nilai basis aturan yang terjadi
ketika nilai error dan derror yang terbaca, setelah nilai tegas diperoleh maka dilakukan pemrograman di PLC
dengan FBD dan structure text seperti diperlihatkan pada gambar 12 dan gambar 13.
Gambar 12. Ladder diagram defuzzifikasi Gambar 13. Structure text pemograman defuzzifikasi
4. Hasil dan Pembahasan
Pengujian telah dilakukan pada generator induksi eksitasi sendiri dengan dengan kondisi tanpa alat kendali
dan dengan kendali menggunakan metode logika fuzzy berbasis PLC. Pengujian dilakukan saat tidak
menggunakan alat pengendali dan dengan pengendali. Mesin induksi tiga fasa rotor sangkar 0,25 Hp, 4 kutub,
50 Hz, 1415 rpm digunakan sebagai generator induksi eksitasi sendiri. Generator diputar oleh mesin DC 220
V, 1,5kW, 1500 rpm yang berfungsi sebagai penggerak utama.
4.1. Pengujian Generator Induksi Tanpa Pengendali
Tujuan pengujian ini adalah untuk mengetahui perubahan tegangan yang terjadi pada generator, ketika
generator diberi beban lampu pijar secara bertahap pada kecepatan tetap 1615 rpm tanpa alat pengendali,
hasilnya diperlihatkan pada tabel 2 dan gambar responnya diperlihatkan pada gambar 14.
Tabel 2. Hasil Pengujian Generator Tanpa Kendali
Gambar 14. Respon Generator saat tanpa pengendali
Dari hasil pengujian saat generator diberi beban secara bertahap tanpa alat pengendali, tegangan generator
akan turun seiring bertambahnya naiknya beban, error tegangan yang terjadi ketika beban sebesar 100 watt
adalah 54,09 %.
366
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
4.2. Pengujian Generator dengan Pengendali Logika Fuzzy
Pengujian dilakukan dengan sistem lup tertutup dengan pengendali logika fuzzy, langkah pengujian dengan
cara memberikan beban berupa lampu pijar secara bertahap, pada kondisi awal tegangan sebasar 220 volt
dengan kondisi 100% beban dummy load dan putaran generator 1615 rpm. Tabel 3 memperlihatkan data hasil
pengujian dan gambar 15 memperlihatkan respon sistem generator saat menggunakan kendali logika fuzzy.
Tabel 3 Hasil pengujian generator dengan pengendali
Gambar 15 . Respon generator saat menggunakan pengendali
Berdasarkan data hasil pengujian yang diperlihatkan pada tabel 3 diatas, saat generator induksi eksitasi
sendiri menggunakan alat pengendali beban dengan metode logika fuzzy yang berbasis PLC bisa dibebani
dengan lampu pijar sampai 100 Watt atau ± 53,7 % dari rating daya sebagai motor induksi (0,25 Hp) dengan
rata-rata error tegangan 2,8 % dan error frekuensi 0,3%.
5. Kesimpulan dan Saran
Berdasarkan hasil perancangan dan pengujian, pengendali beban elektronik untuk generator induksi eksitasi
sendiri menggunakan logika fuzzy berbasis PLC telah diperoleh kesimpulan beberapa kesimpulan. Ketika
generator diuji tanpa pengendali dengan beban lampu pijar (beban resistif), saat generator dibebani 100 watt
dengan tegangan terminal turun menjadi 109 volt. Dengan menggunakan menggunakan pengendali beban
elektronik (ELC) dengan metode logika fuzzy berbasis PLC, generator induksi dapat mensuplai beban resistif
satu fasa sampai 100 watt atau 53,7% dari rating daya sebagai motor, dengan rata-rata error tegangan 2,8 %
dan rata-rata error frekuensi 0,3 %.
Daftar Pustaka
[1] B. Singh, S.S.Murthy and Sushma Gupta, 2004, “Analysis and implementation of an electronic load
controller for a self excited induction generator” IEEE Proc. Gener. Transm. Distrib., vol. 151, no. 1,
pp. 5- 60, January 2004.
[2] Ferdinando, H., 2007, "The implementation of low cost Fuzzy Logic Controller for PLC TSX 37-21,
"Intelligent and Advanced Systems, 2007. ICIAS 2007. International Conference, pp.1081,1086, 25-28
Nov. 2007 doi: 10.1109/ICIAS.2007.465855.
[3] Kocian, J., Koziorek, J., Pokorny, M., 2011, "An approach to PLC-based fuzzy control," Intelligent
Data Acquisition and Advanced Computing Systems (IDAACS), 2011 IEEE 6th International
Conference on , vol.1, pp.322,327, 15-17 Sept. 2011, doi: 10.1109/IDAACS.2011.6072766.
[4] L.Korosi., D.Turcsek, “Fuzzy System For PLC,” Slovak University of Technology, Faculty of Electrical
Engineering and Infromation Technology. http://dsp.vscht.cz/konference_matlab/MATLAB12/
full_paper/040_Korosi.pdf [diakses pada 16 Juli 2016]
[5] Palwalia, D.K.; Singh, S.P, 2008, “Design and implementation of induction generator controller for
single phase self excited induction generator,” Industrial Electronics and Applications, 2008. ICIEA
2008. 3rd IEEE Conference on , vol., no., pp.400-404, 3-5 June 2008.
367
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x
[6] Peng Xiaohong, Xiao Laisheng, Mo Zhi, dan Liu Guodong, "The Variable Frequency and Speed
Regulation Constant Pressure Water Supply System Based on PLC and Fuzzy Control," Measuring
Technology and Mechatronics Automation, 2009. ICMTMA '09. International Conference on , vol.1,
pp.910,913, 11-12 April 2009.
[7] Renann G. Baldovino, dan Dr. Elmer P, 2014, “Design and Development of a Fuzzy-PLC for an
Earthquake Simulator/ Shake Table ”, 2014 International Conference on Humanoid, Nanotechnology,
Information Technology, Communication and Control, Environment and Management (HNICEM)
[8] Shekar, T. Chandra dan Bishnu P. Muni, 2004, “Voltage Regulators for Self Excited Induction
Generator,” IEEE Power Engineering Journal.
[9] Simoes, M.Godoy dan Farret, Felix.A., 2008, ”Alternative Energy System : design and Analysis with
Induction Generator,”, 2nd ed, CRC Press.
[10] Sofian Yahya dan Iyas Munawar, 2011, “Design of Electronic Load Controller for a Self Excited
Induction Generator Using Fuzzy Logic Method Based Microcontroller,” Internasional Conference on
Electrical Engineering and Informatics Proceedings, ITB Bandung.
[11] Yanxiang Wu, Zhanfei Tian, Minjie Xue, 2010, "Study and simulation on variable frequency speed-
regulating system of Mine Hoist based on PLC fuzzy control," Image and Signal Processing (CISP),
2010 3rd International Congress on , vol.8, pp.3703,3707, 16-18 Oct. 2010.
Ucapan Terima Kasih
Ucapan terima kasih, pertama kami sampaikan kepada Direktorat Jenderal Pendidikan Tinggi, Kemenristek
Dikti RI yang telah membiayai Penelitian pada tahun anggaran 2016, kepada UPPM Polban yang telah
memberikan bimbingan selama proses penelitian, dan terakhir kepada Nova Manihuruk dan Mochammad
Rifqi PG mahasiswa Program Studi Teknik Otomasi Industri yang telah membantu pengujian di
Laboratorium Pengendalian Daya dan Mesin Listrik (PDML)-Teknik Elektro Polban.
Biodata Penulis
Sarjono Wahyu Jadmiko, memperoleh gelar Sarjana Sains (ST), Program Studi Teknik Pengaturan [Iinstitut Teknologi
Surabaya], lulus tahun 1995. Tahun 2011 memperoleh gelar Magister Teknik (M.Eng) dari Program Studi Teknik Elektro
[Universitas Gadjah Mada]. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan Teknik Elektro/Prodi Teknik Otomasi Industri [Politeknik
Negeri Bandung].
Sofian Yahya, memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Teknik Elektro (Drs), Program Studi Pendidikan Teknik Listrik
FKT [IKIP Padang], lulus tahun 1983. Tahun 2002 memperoleh gelar Sarjana Sains Terapan (S.ST) dari Program Studi
Teknik Elektro [Institut Teknologi Bandung]. Memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) dari Program Studi Teknik
Elektro [Institut Teknologi Bandung], lulus tahun 2011. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan Teknik Elektro/Prodi Teknik
Otomasi Industri [Politeknik Negeri Bandung].
Kartono Wijayanto, memperoleh gelar Sarjana Pendidikan Teknik Elektro (Drs), Program Studi Pendidikan Teknik
Listrik FKT [IKIP NEGERI YOYAKARTA], lulus tahun 1983. Tahun 2002 memperoleh gelar Sarjana Teknik (ST) dari
Program Studi Teknik Elektro [Institut Teknologi Bandung]. Memperoleh gelar Magister Teknik (M.T) dari Program
Studi Teknik Elektro [Institut Teknologi Bandung], lulus tahun 2008. Saat ini sebagai Staf pada Jurusan Teknik
Elektro/Prodi Teknik Otomasi Industri [Politeknik Negeri Bandung].
368
National Conference of Applied Sciences, Engineering, Business and Information Technology. Politeknik Negeri Padang, 15 – 16 Oktober 2016 ISSN:2541-111x