Rancang Bangun Pengatur Tegangan Otomatis pada Generator...

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).


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).


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


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


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.


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


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.


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


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.


51

Gambar 10 Dengan Menggunakan AVR Setpoint 240 Volt

Tabel 4 Dengan Menggunakan AVR Set Point 240 Volt


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


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


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.

Rancang Bangun Pengatur Tegangan Otomatis pada Generator...

Documents

Transcript of Rancang Bangun Pengatur Tegangan Otomatis pada Generator...