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

mailto:[email protected]



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


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


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


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


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


http://dsp.vscht.cz/konference_matlab/

[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


pengendali beban generator induksi dengan...

Documents