rancang bangun buck converter berbasis...

1

Abstrak— Energi yang dihasilkan dari turbin angin tanpa adanya sistem pengendali dapat menyebabkan daya listrik yang dihasilkan kurang optimal, hal ini karena daya listrik yang dihasilkan sangat bergantung pada naik turunnya kecepatan angin dan perlu adanya pengendali tegangan agar tegangan yang dihasilkan tidak berfluktuatif sebelum disimpan di dalam baterai atau digunakan secara langsung. Dalam tugas akhir ini dirancang dan dibuat sebuah buck converter sebagai sistem pengendali tegangan pada turbin angin dengan metode logika fuzzy yang diterapkan pada mikrokontroller. Buck converter merupakan tipe converter tipe peralihan tanpa adanya daya hilang yang relatif besar daripada converter tipe linear meskipun dilakukan proses penstabilan tegangan, sedangkan jenis logika fuzzy yang digunakan adalah fuzzy sugeno dengan masukan berupa error dan delta error, keluaran fuzzy berupa nilai crips untuk pembangkitan sinyal pulse width modulation (PWM) . Performansi logika fuzzy yang telah dirancang dapat berfungsi dengan baik, hal ini dapat dilihat berdasarkan pengujian yang telah dilakukan yaitu dengan Vin dari generator turbin angin pada nilai setpoint 2 volt hanya menghasilkan error rata-rata tegangan sebesar 0,8 % dan pada pengujian tambahan dengan supply DC buatan menghasilkan error tegangan sebesar 2,8 % pada setpoint 2 volt; 2,9 % setpoint 4 volt; 1,3 % setpoint 6 volt; dan 0,5 % pada setpoint 8 volt.

Kata kunci — Turbin angin, PWM, logika fuzzy, buck converter.

I. PENDAHULUAN

Letak geografis Indonesia sebagai negara tropis yang berada di garis khatulistiwa menyebabkan karakteristik angin di Indonesia sangat berbeda dengan karakteristik angin di negara-negara maju yang sudah banyak memanfaatkan tenaga angin sebagai pemasok energi listrik alternatifnya. Beberapa karakteristik angin di Indonesia antara lain yaitu kecepatan angin yang relatif rendah dan cenderung berfluktuatif. Perbedaan karakteristik angin tersebut menyebabkan energi listrik yang dihasilkan turbin angin dalam Sistem Konversi Energi Angin (SKEA) di daerah tropis khususnya di Indonesia sangat tidak optimal dan berfluaktif [1]. Beberapa parameter yang menimbulkan ketidak optimalnya energi listrik yang dihasilkan dari turbin angin adalah tegangan keluaran yang cenderung kecil dan berubah-ubah mengikuti angin yang terkonversi di turbin angin.

Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan atau dikenal juga dengan sebutan DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya, penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara

pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO [2]. Buck converter adalah salah satu jenis DC chopper yang memiliki fungsi menstabilkan tegangan dengan menurunkan tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan tanpa harus menghilangkan daya yang relatif besar daripada converter tipe linear [2].

Sistem pengendalian menggunakan logika fuzzy digunakan karena merupakan alternatif sistem kendali modern yang mudah karena tidak perlu dicari model matematis dari suatu sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki respon sistem yang stabil. Dalam tugas akhir ini duty cycle diatur untuk proses switch berdasarkan jumlah PWM yang dikeluarkan oleh mikrokontroler yang diprogram berdasarkan prinsip pengendali loika fuzzy. Perubahan tegangan keluaran generator turbin angin dapat dengan mudah diatur dengan cara mengubah-ubah besarnya PWM untuk proses switch di buck converter. Adapun range operasi tegangan dalam hal ini diwakili oleh nilai set point tertentu yang akan dipertahankan oleh sistem pengendali logika fuzzy.

.

II. TEORI PENUNJANG

A. Sistem Konversi Energi Angin (SKEA)[4]

Pembangkitan energi angin terjadi berdasarkan prinsip perubahan energi kinetik angin sebelum dan setelah melewati turbin angin. Ketika melewati turbin angin, angin mengalami pengurangan energi kinetik (yang ditandai dengan berkurangnya kecepatan angin). Energi kinetik yang “hilang” ini dikonversikan menjadi energi mekanik yang memutar turbin angin, turbin angin ini terhubung dengan rotor dari generator. Generator mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Besar daya mekanik yang dihasilkan oleh turbin angin didefinisikan dalam persamaan di bawah ini,

….(1)

dimana ρ adalah massa jenis angin (kg/m3), Cp koefisien performansi turbin angin, A luas daerah sapuan turbin angin (m2), dan v1 adalah kecepatan angin sebelum melewati turbin angin (m/s). Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa daya yang dapat dikonversikan oleh SKEA sangat bergantung pada kecepatan angin (kubik dari kecepatan). Misalkan untuk suatu SKEA tertentu yang memiliki daya nominal atau sering juga

RANCANG BANGUN BUCK CONVERTER BERBASIS PENGENDALI LOGIKA FUZZY PADA PROTOTYPE

TURBIN ANGIN M. Ibrohim, Bambang L.W, Ali Musyafa’

Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri ITS Surabaya Indonesia 60111, email: [email protected]

2

disebut daya rating (Prated) 1000 watt pada kecepatan angin nominal atau rating (Vrated) 10 m/s ketika angin yang berada di daerah SKEA memiliki kecepatan (V) 9 m/s, maka daya yang dihasilkan oleh SKEA tersebut dapat didefinisikan sebagai berikut,

…(2)

Sehingga untuk V= 9 m/s, maka daya yang dihasilkan oleh turbin angin adalah 0.729 kali Prated yang dalam kasus ini bernilai 729 W. Dari kasus ini dapat disimpulkan bahwa besar kecepatan angin memiliki peran yang sangat besar dalam pembangkitan energi oleh SKEA. secara umum, skema SKEA yang umum diaplikasikan dalam gambar berikut ini,

Gambar 1 Skema sistem konversi energy angin (SKEA)[4]

B. Prinsip Dasar Pengubah DC-DC Tipe Peralihan[4]

Untuk lebih memahami keuntungan dari tipe peralihan, berikut prinsip pengubahan daya DC-DC tipe linier seperti terlihat pada gambar 2.4 di bawah ini,

Gambar 2 Pengubah tipe peralihan[4]

Pada tipe peralihan, terlihat fungsi transistor sebagai electronic switch yang dapat dibuka (off) dan ditutup (on). Dengan asumsi bahwa switch tersebut ideal, jika switch ditutup maka tegangan keluaran akan sama dengan tegangan masukan, sedangkan jika switch dibuka maka tegangan keluaran akan menjadi nol. Dengan demikian tegangan keluaran akan berbentuk pulsa seperti pulsa seperti pada gambar berikut,

Gambar 3 Tegangan keluaran[4]

besaran rata-rata atau komponen DC dari tegangan keluaran dapat diturunkan dari persamaan berikut,

….(3)

dari persamaan diatas terlihat bahwa tegangan keluaran DC dapat diatur besarannya dengan menyesuaikan parameter D. Parameter D dikenal sebagai duty ratio yaitu rasio antara

lamanya waktu switch ditutup (ton) dengan perioda T dari pulsa tegangan keluaran,

…(4)

dengan 0 ≤ D ≥ 1. Parameter f adalah frekuensi peralihan (switching frequency) yang digunakan dalam mengoperasikan switch. Berbeda dengan tipe linier, pada tipe peralihan tidak ada daya yang diserap pada transistor sebagai switch. Ini dimungkinkan karena pada waktu switch ditutup tidak ada tegangan yang jatuh pada transistor, sedangkan pada waktu switch dibuka, tidak ada arus listrik mengalir. Ini berarti semua daya terserap pada beban, sehingga efisiensi daya menjadi 100%. Namun perlu diingat pada prakteknya, tidak ada switch yang ideal, sehingga akan tetap ada daya yang hilang sekecil apapun pada komponen switch dan efisiensinya walaupun sangat tinggi, tidak akan pernah mencapai 100%.

C. Pengubah Buck[5]

Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian dasar dalam metoda buck. Dalam metoda ini, tegangan keluaran akan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan. Disamping itu, jika pada pengoperasiannya arus yang mengalir melalui induktor selalu lebih besar dari nol (CCM - Continuous Conduction Mode), maka hubungan antara tegangan keluaran dengan tegangan masukan adalah sebagai berikut,

...(5)

Gambar 4 Pengubah Buck[5]

Keuntungan pada konfigurasi buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil. Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Metoda buck sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sistem yang berukuran kecil.

D. Logika Fuzzy

� Fuzzyfikasi Fuzzifikasi merupakan suatu proses merubah variabel non-fuzzy (crisp) kedalam variabel fuzzy, variable input (crisp) dipetakan ke bentuk himpunan fuzzy sesuai dengan variasi semesta pembicaraan input. Pemetaan titik-titik numerik ( crisp points) x = (x1, x2, ………, xn)T є U ke himpunan fuzzy A pada semesta pembicaraan U. Data yang telah dipetakan

3

selanjutnya dikonversikan ke dalam bentuk linguistik yang sesuai dengan label dari himpunan fuzzy yang telah terdefinisi untuk variabel input sistem[2]. Keanggotaan dalam himpunan fuzzy mempunyai bentuk yang berbeda-beda terdiri dari bentuk seperti di bawah ini,

Gambar 5 Bentuk fungsi keanggotaan Gaussian [2]

Gambar 6 Bentuk Fungsi keanggotaan Segitiga [2]

Gambar 7 Bentuk Fungsi keanggotaan Trapesium[2]

Didalam Fuzzy set tentunya memiliki beberapa fungsi keanggotaan, jumlah dari keanggotaan inipun disesuaikan dengan banyaknya kebutuhan. Setiap fungsi keanggotaan dapat didefinisikan dengan label atau nama. Dapat dinyatakan dengan besar, sedang, kecil atau sesuai dengan keinginan[8].

Gambar 8 Contoh Input fuzzy dengan 3 fungsi keanggotaan

[2]

� Rule Base Basis pengetahuan terdiri dari fakta (Data Base), dan

kaidah atur (Rule Base). Fakta merupakan bagian pengetahuan yang memuat informasi tentang objek, peristiwa, atau situasi. Fakta umumnya menyatakan kondisi statik dari suatu objek. Sedangkan kaidah (Rule base) berisi informasi tentang cara membangkitkan fakta baru atau hipotesa fakta yang sudah ada[2]. � Basis Data (Data Base).

Basis data berfungsi untuk mendefinisikan himpunan-himpunan fuzzy dari sinyal masukan dan sinyal keluaran agar dapat digunakan oleh variabel linguistik dalam basis aturan. Dalam pendefinisian tersebut biasanya dilakukan secara subjektif dengan menggunakan pendekatan heuristik dan didasarkan pada pengalaman dan

pertimbangan yang menyangkut kerekayasaan, sehingga bergantung penuh pada perancang.

� Kaidah Atur (Rule Base). Kaidah atur dalam fuzzy ini biasanya tersusun dengan pernyataan : IF (antecedent) THEN (consequent) atau dapat juga IF x is A THEN y is B. Antecedent : berisi himpunan fakta input (sebab). Consequent : berisi himpunan fakta output (akibat). IF … THEN … dalam logika fuzzy akan melakukan pemetaan dari himpunan fuzzy input kehimpunan fuzzy output[2].

� Defuzzifikasi

Defuzzifikasi merupakan proses merubah output fuzzy dari FIS (fuzzy inference system) menjadi output crips. Bentuk umum proses defuzzifikasi diyatakan dengan: Z0 = defuzzier (z) …(6) dimana z adalah aksi pengendalian fuzzy, Z0 adalah aksi pengendali crisp, dan defuzzifier adalah operator defuzzifikasi. Terdapat beberapa macam metode defuzzifikasi, yaitu, � Metode Titik Pusat (Center Of Area, COA).

Metode ini membagi dua momen pertama fungsi keanggotaan, dan harga v0 yang menandai garis pembagi adalah harga V yang ter-defuzzifikasi. Secara algoritmik dinyatakan [2]:

∫

∫=

v

v

v

v

dvv

dvvv

v)(

)(

0 µ

µ …(7)

Sedangkan dalam semesta diskrit dapat dinyatakan :

∑

∑

=

== m

kkv

m

kkvk

v

vvv

1

10

)(

)(

µ

µ …(8)

� Metode Rata-rata Maksimum (Midle Of Maximum,

MOM). Merupakan metode defuzzifikasi yang merepresentasikan nilai tengah dari keluaran yang fungsi anggotanya maximum. Fungsinya ditunjukkan sebagai:

∑=

=n

i lizz

10 …(9)

Dimana zi adalah nilai pendukung dengan fungsi keanggotaan bernilai maximum dan l adalah banyaknya nilai pendukung[2].

E. Pulse Width Modullation (PWM)

Pulse Width Modulation (PWM) adalah sebuah cara memanipulasi lebar dari pulsa dalam perioda yang konstan untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda.

4

Gambar 9 Sinyal PWM dengan Berbagai Duty Cycle[13]

Pada gambar di atas menunjukkan tiga sinyal PWM yang berbeda. Sinyal yang paling atas menunjukkan sinyal PWM dengan duty cycle 10%. Artinya sinyal on selama 20% dari perioda sinyal dan off selama 80 % sisanya. Gambar yang lainnya menunjukkan sinyal dengan duty cycle 50% dan 90%. Ketiga sinyal PWM tersebut akan menghasilkan sinyal analog yang berbeda. Sebagai contoh jika supply tegangan sebesar 9V dan duty cycle 20%, maka menghasilkan 1,8V.

Gambar 10 sinyal PWM[10]

……………….(10)

: Tegangan Output (Volt) : Tegangan Pulsa PWM (Volt)

: Perioda pulsa high (detik) T : Periode pulsa (detik).

F. Generator DC[3]

Generator DC merupakan sebuah perangkat mesin listrik dinamis yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu: 1. Generator penguat terpisah 2. Generator shunt 3. Generator kompon

Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau casis, serta bagian rotor. Gambar berikut menunjukkan gambar potongan melintang konstruksi generator DC.

Gambar 11 konstruksi generator DC[3]

Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri dari rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari komutator, belitan rotor, kipas rotor dan poros rotor. Prinsip kerja suatu generator arus searah berdasarkan hukum Faraday,

……….(11)

dengan N = Jumlah Lilitan = Fluksi Magnet e = Tegangan Imbas, GGL (Gaya Gerak Listrik)

G. AVR Atmega 16 [11]

AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI. ATMega16.

ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa

Gambar 12 Pin-pin ATMega16 kemasan 40-pin[11]

Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual in-line package) ditunjukkan oleh gambar 1. Guna memaksimalkan performa, AVR menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori dan bus terpisah untuk program dan data). III. RANCANG BANGUN PROTOTYPE TURBIN ANGIN

DAN BUCK CONVERTER BERBASIS LOGIKA FUZZY A. Alur Penelitian

Pada sub bab ini akan dibahas tentang prosedur penelitian, perancangan, dan pembuatan buck converter berdasarkan algoritma logika fuzzy yang dibangun di mikrokontroller atmega 16. Adapun alur penelitian yang digunakan sebagai dasar

5

pelaksanaan penelitian tugas akhir ini adalah sebagai berikut,

Mulai

Pembuatan Prototype Turbin Angin

Pembuatan Buck Converter

Pengujian Buck Converter

Perancangan Kontroller Logika Fuzzy

Berhasil?

Trouble Shooting

Sinkronisasi Hardware dan Software

Berhasil?

Trouble Shooting

Pengujian Performansi Sistem

Sesuai

Performansi?

Analisa Data dan Pembahasan

Penyusunan Laporan

Selesai

Analisa Kegagalan

Ya

Ya

Tidak

Tidak

Ya

Tidak

Berhasil?

Ya

tidak

Pengambilan Data

Gambar 13 Alur Penelitian

B. Pembuatan Prototype Turbin Angin

Bahan blade secara keseluruhan terbuat dari fiber glass dengan panjang 100 cm, pembuatan blade dilakukan di laboratorium non-logam di PPNS-ITS. Berikut gambar blade dari prototype turbin angin yang telah dibuat,

Gambar 14 blade prototype turbin angin

Untuk keperluan tempat blade dan penyangga, dibuat tiang penyangga dengan bahan dasar dari besi, tinggi tiang 128 cmdengan piringan di atasnya berdiameter 40 cm sebagai keperluan tempat minimum system mikrokontroller, generator dan buck converter.

Gambar 15 tiang penyangga protorype turbin angin

Selanjutnya dibuat juga penghubung pijakan blade dan tiang agar turbin angin bias berputar, pijakan ini terbuat dari pipa besi berongga sebagai AS disambungkan dengan bearing sebagai tempat untuk berputar.

Gambar 3.4 pijakan blade sebagai tempat berputar

Langkah selanjutnya dalam pembuatan prototype turbin angin adalah penggabungan blade, tiang, dan pijakan putaran menjadi satu. Proses penggabungan dilakukan dengan mur dan baut, serta dengan proses pengelasan. Berikut turbin angin yang telah dibuat seperti terlihat di bawah ini,

Gambar 17 Prototype turbin angin

prototype turbin gambar di atas dapat berputar sampai 147 rpm dengan kecepatan angin sebesar 7,5 m/s. Keperluan generator motor DC dengan diameter 3,8 cm seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini,

Gambar 18 Generator motor DC

Penggabungan generator dengan turbin angin menggunakan gearbox bekas dari roda sepeda bantu anak kecil dengan karet solid sebagai pengait antara turbin angin dengan generator seperti terlihat pada gambar di bawah ini

Gambar 19 gearbox dan pengait generator

Rasio gearbox dengan generator adalah 5 : 1 sebagai contoh jika turbin angin berputar 30 rpm maka generator dapat berputar 30 x 5 yaitu sebesar 150 rpm.

6

C. Perancangan dan Pembuatan Buck Converter Berbasis Pengendali Logika Fuzzy � Buck Converter Sebelum pembuatan buck converter secara real, untuk

meminimalkan kerugian jika ada ketidaksesuaian dengan hasil yang diinginkan maka dilakukan perancangan dan pembuatan simulasi di software ISIS 7.4. Berikut hasil perancangan dan pembuatan simulasi buck converter menggunakan software ISIS 7.4,

Gambar 20 Simulasi buck converter pada ISIS 7.4

Setelah dirancang dan dibuat di simulasi dalam software ISIS 7.4 dengan menghasilkan keluaran terbaik, selanjutnya dilakukan pembuatan sesuai dengan perancangan dalam keadaan sebenarnya. Berikut hasil pembutan buck converter seperti terlihat di bawah ini,

Gambar 21 buck converter Rangkaian divider berfungsi sebagai sensor tegangan dengan range maksimal keluaran sesuai dengan tegangan maksimal yang diperlukan yaitu sebesar 5 volt, tegangan keluaran dari divider ini mewakili tiap tegangan yang masuk pada buck converter yang kemudian akan diubah ke sinyal digital oleh fitur mikrokontroler melalui ADC. Dari sinyal ADC yang terbaca, mikrokontroller akan memberikan perintah switch menurut duty cycle dengan sinyal PWM. � Perancangan dan Pembuatan Pengendali Logika Fuzzy

Posisi pengendali buck converter dalam penelitian tugas akhir ini seperti diperlihatkan pada diagram blok berikut,

Gambar 22 diagram blok sistem pengendali buck converter

logika fuzzy pada turbin

Dalam pemodelan sistem logika fuzzy tugas akhir ini digunakan perancangan sistem fuzzy menggunakan metode Sugeno, penalaran dengan metode Sugeno hampir sama dengan penalaran Mamdani hanya saja output (konsekuen) sistem tidak berupa himpunan fuzzy, melainkan berupa konstanta atau persamaan linear. Metode ini diperkenalkan oleh Takagi-Sugeno Kang pada tahun 1985. Sistem fuzzy yang dibangun terdiri dari dua fariabel input yaitu error (e) dan delta error (de) serta menghasilkan satu keluran nilai crips untuk membangkitkan sinyal PWM. Berikut gambaran umum dari sistem logika fuzzy yang dibangun,

Gambar 23 gambaran umum sistem fuzzy yang dibangun

Fuzzyfikasi dalam perancangan pengendali ini adalah

merubah nilai dari ADC menjadi nilai masukan fuzzy. Pembentukan himpunan fuzzy dilakukan dengan membagi anggota input yang akan menjadi masukan di sistem fuzzy, masukan untuk sistem fuzzy ini terdiri dari dua variabel yaitu error (e) dan delta error (de), error disini didefinisikan sebagai hasil pengurangan dari nilai setpoint dengan tegangan aktual yang terbaca sensor yang kemudian dikonversi menjadi besaran digital oleh analog digital converter (ADC). Membership function input error dibagi menjadi tujuh bagian dengan fungsi keanggotaan berbentuk segitiga dengan nilai range sebesar nilai ADC yang akan diprogram pada mikrokontroller sebesar 10 bit dengan nilai 0 – 1023. Pembentukan himpunan fuzzy input error seperti berikut,

Gambar 24 membership function error Sedangkan input kedua untuk masukan sistem fuzzy adalah delta error (de), delta error didefinisikan sebagai selisih error aktual (error ke-n) dengan error pada kondisi sebelumnya (error ke n-1), range yang digunakan fungsi keanggotaan de pada batas atas adalah 1023 (1023 dikurangi dengan 0) dan pada batas bawah adalah -1023 (0 dikurangi 1023). Membership function de dibagi menjadi tiga bagian seperti diperlihatkan pada gambar berikut,

Gambar 25 membership function delta error

7

Sedangkan Aturan-aturan yang dibentuk dalam perancangan ini memiliki 21 rule base,

Tabel 1 Rule base sistem Fuzzy

tabel rule base diatas menunjukkan pembacaan sebagai berikut, IF error IS VS AND delta error N THEN pwm1 IF error IS S AND delta error Z THEN pwm2 IF error IS MS AND delta error P THEN pwm4 IF error IS M AND delta error Z THEN pwm4 IF error IS MB AND delta error Z THEN pwm5 IF error IS B AND delta error P THEN pwm4 IF error IS VB AND delta error Z THEN pwm4 dan seterusnya. Dari proses rule base yang telah dilakukan didapatkan rule viewer sistem fuzzy di bawah ini

Gambar 26 Rule viewer sistem fuzzy

Nilai keluaran dari sistem fuzzy disini sudah dideklarasikan sebagai nilai crips untuk memanggil PWM sebesar nilai yang akan dikeluarkan pada pin (D.4) dengan nilai duty cycle sebesar pwm dibagi nilai top OCR1A. Sedangkan defuzzyfikasi dalam perancangan sistem fuzzy ini yaitu dilakukan dengan merubah nilai keluaran sistem fuzzy menjadi nilai crips atau nilai yang tegas dan sebenarnya. Keluaran dari nilai ini akan bergantung dengan perubahan nilai error dan delta error yang masuk pada pembacaan sensor tegangan. Digunakan metode untuk defuzzyfikasi adalah metode COA (Center of Area), digunakannya metode ini karena jenis sistem fuzzy yang digunakan dalam perancangan adalah jenis Sugeno dengan bentuk sugeno orde-1 adalah,

IF (x1 is A1)o…o(xN is AN) THEN z = p1*x1+…+pN*x N+q

Dengan mendeklarasikan perancangan pada fuzzyfikasi dan rule base didapatkan A adalah himpunan fuzzy yaitu error (e) dan delta error (de) sebagai anteseden, o adalah operator fuzzy AND, pi adalah suatu konstanta (tegas) ke-i dan q juga merupakan konstanta dalam konsekuen. Proses agregasi dan defuzzy untuk mendapatkan nilai tegas sebagai output untuk M aturan fuzzy juga dilakukan dengan menggunakan rata-rata terbobot seperti rumus berikut,

…(12)

D. Pembuatan Algoritma Pemrogaman Berbasis Logika Fuzzy

Pembutan algoritma pemrogaman dibuat di software AVR menggunakan bahasa C dengan inti pemrogaman dengan prinsip logika fuzzy yang telah dirancang sebelumnya, algoritma ini yang kemudian akan ditanam pada mikrokontroller ATMEGA 16 melalui downloader menggunakan software kazama. Berikut alur pemrogaman yang diterapkan pada mikrokontroller,

Start

Inisialisasi program, Input,

output pada

mikrokontroller

Baca Vin =

read_adc(1)

sp = {...}

e = sp – Vin

de = e (n) – e (n-1)

Proses rule fuzzy system

If e = VS (adc..) && de = N (adc..) then PWM1

If e = S (adc..) && de = Z (adc..) then PWM2

If e = MS (adc..) && de = P (adc..) then PWM3

dst

Output PWM

pwm = (sp/Vin) *2000

end

Yes

No

Vin = sp

Vin > spVin < sp Mosfet Off

Fuzzyfikasi e,de

Defuzzyfikasi

crips>>OCR1B

Gambar 27 flowchart pemrogaman

e/de N Z P

VS pwm1 pwm1 pwm2

S pwm1 pwm2 pwm3

MS pwm2 pwm3 pwm4

M pwm3 pwm4 pwm5

MB pwm4 pwm5 pwm6

B pwm5 pwm6 pwm7

VB pwm6 pwm7 pwm7

8

E. Perancangan Hardware untuk Pengujian

� Perancangan Pengujian Prototype Turbin angin Untuk pengujian prototype tubin dibuat wind tunnel dengan bahan utama dari triplek dengan penyangga dari besi siku lubang seperti diperlihatkan pada gambar berikut,

Gambar 28 wind tunel untuk pengujian

Wind tunnel ini terdiri dari dua bentuk bagian, yang pertama yaitu dengan lorong bentuk balok berongga sepanjang 2 meter dengan ukuran tiap sisi persegi adalah 0,7 meter, sedangkan bagian kedua berbentuk trapesium dengan ukuran tiap sisi persegi 0,7 meter dan sisi belakang persegi 1,5 x 0,7 meter. Untuk keperluan menghasilkan angin yang disemburkan ke dalam wind tunnel,digunakan dua buah kipas angin seperti di bawah ini,

Gambar 29 kipas untuk pengujian prototype turbin angin

Kipas dengan diameter 18 ini memiliki tiga variabel kecepatan yaitu low, medium dan high. Satu kipas dapat menghasilkan hembusan angin maksimal dengan kecepatan 5 m/s.

� Perancangan Pengujian Tambahan Buck Converter Untuk dilakukan pengujian tambahan sebagai pengujian performansi buck converter berbasis pengendali logika fuzzy yang telah dibuat. Digunakan supply DC bekas dari supply bor PCB seperti terlihat di bawah ini,

Gambar 30 Supply DC buatan

Pengujian tambahan dengan supply DC ini dapat menghasilkan tegangan keluaran yang berbeda-beda dengan tujuh variabel tegangan sebesar 3,18; 4,87; 6,32; 7,86; 9,36; 10,97; dan 14,7 volt. Perubahan tegangan dari supply DC ini mempresentasikan tegangan keluaran dari generator yang berubah karena perubahan kecepatan angin.

IV. PENGUJIAN DAN ANALISA DATA

A. Pengujian Tegangan dan Arus Listrik Keluaran dari Genertor DC Prototype Turbin Angin

Pengujian daya keluaran dari generator DC dilakukan dengan pengambilan data pada putaran turbin maksimal menghasilkan daya yang tidak sesuai yang diharapkan yaitu hanya menghasilkan tegangan maksimal 3,19 volt dan arus sebesar 0,23 ampere. Hal ini dikarenakan putaran turbin angin tidak dapat mengangkat beban torsi dari generator DC sehingga turbin angin dan generator DC hanya dapat berputar maksimal di kisaran 132 – 147 rpm di kecepatan angin 7 m/s. Berikut hasil pengukuran daya keluaran dari generator prototype turbin angin, Tabel 2 Pengujian tegangan dan arus listrik keluaran generator

pps rpm V (volt) I (mA)

0 - 11 0 - 33 0 - 0,61 0 - 0,19

12 - 30 36 - 90 0,63 - 1,78 0,19 - 0,21

32 - 36 96 - 108 1,79 - 1,98 0,19 - 0,22

38 - 42 114 – 126 2 - 2,19 0,19 - 0,23

44 - 49 132 - 147 2,20 - 3,19 0,19 - 0,23 Pengambilan data seperti tabel di atas dilakukan dalam range dan tidak dilakukan tiap variabel karena keterbatasan jumlah alat ukur yang yang dapat mengukur secara bersamaan antara tegangan, arus listrik dan pulse per second (pps). Selain itu karena tidak dapatnya plant turbin angin untuk dapat berputar secara konstan sehingga tegangan, arus listrik maupun pps terbaca dalam keadaan berfluktuatif tetapi masih dalam range tertentu.

B. Pengujian Sensor Tegangan

Pengujian sensor tegangan dilakukan dengan mengambil data tiap sepuluh detik sekali untuk tiap range tegangan dan arus yang dikeluarkan supply DC buatan. Berikut data pembacaan sensor yang telah diambil, Tabel 3 Pengujian sensor tegangan

peng.ke Vin (volt) I in(mA) Vsensor (volt)

1

14,7 1,01

5,01

2 5,00

3 5,01

4 5,00

5 5,00

1

10,97 0,73

3,83

2 3,85

3 3,83

4 3,84

5 3,83

1 9,36 0,60

3,25

2 3,25

3 3,23

9

4 3,25

5 3,24

1

7,86 0,48

2,73

2 2,72

3 2,73

4 2,73

5 2,72

1

6,32 0,35

2,20

2 2,18

3 2,19

4 2,20

5 2,20

1

4,87 0,24

1,65

2 1,65

3 1,65

4 1,64

5 1,65

1

3,18 0,24

1,09

2 1,10

3 1,10

4 1,09

5 1,10 Dari tabel 4.2 didapatkan nilai standart deviasi untuk pembacaan dengan Vin 14.7; 10,97; 9,36; 7,86; 6,32; 4,87; dan 3,18 adalah 0.00547 ; 0.008944; 0.00894; 0.00547; 0.008944; 0.004472; dan 0.005477. Sedangkan didapatkan Uncertainty type A adalah 0.002446; 0.004; 0.003998; 0.002446; 0.004; 0.002; dan 0.002449. C. Pengujian Buck Converter dengan daya masukan dari Generator DC prototype turbin angin Pengujian dilakukan dengan mengukur tegangan keluaran dari generator pada saat turbin angin mengalami putaran dalam range putaran turbin sebesar 132 - 147 rpm, pengujian dilakukan pada range rpm ini dikarenakan tegangan listrik yang dihasilkan pada rpm ini menghasilkan merupakan tegangan minimal yang dipersyaratkan pada buck converter yang telah dibuat yaitu sekitar 2 volt, dan jika dilakukan dengan variasi kecepatan di bawah nilai batas rpm ini maka tegangan dan arus dari generator akan habis sebelum dilakukan proses penurunan karena tegangan yang dihasilkan pada batas tersebut hanya menghasilkan tegangan di bawah tegangan minimal kemampuan buck converter. Pada pengujian ini dilakukan proses pengendalian tegangan dengan menurukan tegangan input dari generator agar mencapai nilai setpoint sebesar 2 volt. Pengambilan data respon ini ini dilakukan setiap 10 detik, berikut data pengukuran respon tegangan keluaran buck converter ,

Grafik 4.1 Respon pengujian buck converter pada prototype

turbin angin

dengan Vin berfluktuatif 2,20 sampai 3,19 volt diperoleh error rata-rata respon sistem pengendalian terhadap nilai setpoint yang dihasilkan adalah 0,8 % .

Grafik 1 arus masuk dan keluaran buck converter pada uji

dengan prototype turbin angin

Kehilangan atau loss arus listrik sebesar 0,15 sampai 0,17 mA dikarenakan faktor beban komponen elektronik pada rangkaian buck converter. D. Pengujian Tambahan Buck Converter dengan daya masukan dari Supply DC Buatan 1. Setpoint 2 volt

� Vin = 14,07 volt

Grafik 2 respon setpoint = 2 volt dengan Vin=14,07

Error tegangan respon rata-rata sebesar 3,8% dengan error maksimal sebesar 4 % dan error minimal adalah 3,5%. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,89 mA.

10

� Vin = 10,97 volt

Grafik 3 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt dan

Vin=10,97 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 4, 7 % dengan error minimal 4.5 % dan error maksimal 5%. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,61 mA. � Vin = 9,36 volt


Vin=9,36 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 5 % dengan error minimal 5.5 % dan error maksimal 6.5%. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,512 mA.

� Vin = 7,86 volt


Vin=7,86 volt Error respon tgangan rata-rata sebesar 3 % dengan error minimal 2.5 % dan error maksimal 3 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,65 mA.

� Vin = 6.32 volt


Vin=6.32 volt Error respon rata-rata sebesar 2,7 % dengan error minimal 2.5 % dan error maksimal 3 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,26 mA.

� Vin = 4,87 volt


Vin=4.87 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 4.1 % dengan error minimal 3.5 % dan error maksimal 4.5 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,20 mA.

� Vin = 3,18 volt


Vin=3,18 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,2 % dengan error minimal 0.5 % dan error maksimal 0 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,16 mA. 2. Setpoint = 4 volt

11

� Vin = 14,07 volt


Vin=14.7 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 3,8 % dengan error minimal 3 % dan error maksimal 4.5 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,64 mA.

� Vin = 10,97 volt


Vin=10.97 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 3,9 % dengan error minimal 3,75 % dan error maksimal 4.25 %.loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,46 mA

� Vin = 9,36 volt

Grafik 11 Iin dan Iout dengan setpoint =4 volt dan Vin

=9,36

Error respon rata-rata sebesar 2,85 % dengan error minimal 1,5 % dan error maksimal 5,5 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,39 mA.

� Vin = 7,86 volt

Grafik 12 Respon tegangan dengan setpoint = 4 volt dan Vin=7,86 volt

Error respon rata-rata sebesar 3,7 % dengan error minimal

3 % dan error maksimal 4,7 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,25 mA.

� Vin = 6,32 volt


Vin= 6,32 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 1,55 % dengan error minimal 1,25 % dan error maksimal 1,75 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,14 mA. � Vin = 4,87 volt


Vin= 4,87 volt

Error respon rata-rata sebesar 1,35 % dengan error minimal 1,25 % dan error maksimal 1,5 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,25 mA.

12

1. Setpoint 6 volt � Vin = 14,7 volt


Vin= 14,7 volt

Error respon teganagan rata-rata sebesar 1,55 % dengan error minimal 1% dan error maksimal 2,5 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,60 mA.

� Vin = 10,97 volt

Grafik Gambar 16 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan

Vin= 10,97 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 2,7 % dengan error minimal 2,1 % dan error maksimal 3,5 %.

loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,32 mA. � Vin = 7,86 volt

Grafik 17 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan Vin

=7,86 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 1,7 % dengan error minimal1,3 % dan error maksimal 1,8 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,09 mA.

� Vin = 6,32 volt

Grafik 4.9 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan

Vin= 6,32 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,8 % dengan error minimal 0,6 % dan error maksimal 1%. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,01 mA.

2. Setpoint 8 volt

� Vin = 14,7 volt


Vin= 6,32 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 0,22 % dengan error minimal 0,16 % dan error maksimal 0,66 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,53 mA.

� Vin = 10,97 volt


Vin= 10,97 volt

Error respon teganagan rata-rata sebesar 1,2 % dengan error minimal 0,8 % dan error maksimal 1,75 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,21 mA.

13

� Vin = 9,36 volt


Vin= 9,36 volt Error respon tegangan rata-rata sebesar 2,45 % dengan error minimal 2,37 % dan error maksimal 2,87 %. loss atau kehilangan arus listrik sebesar 0,3 mA.

V. KESIMPULAN DAN SARAN

A. Kesimpulan

Berdasarkan eksperimen yang telah telah dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut : 1. Telah berhasil dirancang dan dibangun prototype turbin

angin dengan putaran 132 – 147 rpm tegangan dalam range 2,20 - 3,19 volt dan arus listrik 0,19 - 0,23 mA.

2. Telah berhasil dirancang dan dibangun buck converter pada sebuah prototype turbin angin dengan nilai setpoint 2 volt pada kondisi rpm maksimal memiliki error rata-rata tegangan yang dihasilkan adalah 0,8 % dengan error maksimal 1 % serta error minimal sebesar 0 %.

3. Telah dilakukan pengujian buck converter dengan tegangan masukan (Vin) dari supply DC buatan sebesar 3,18; 4,87; 6,32; 7,86; 9,36; 10,97; dan 14,7 volt menghasilkan error tegangan respon rata-rata sistem pengendalian sebesar 2,8 % pada setpoint 2 volt; 2,9 % pada setpoint 4 volt; 1,3 % pada setpoint 6 volt; dan 0,5 % pada setpoint 8 volt.

4. Terdapat loss atau hilang arus listrik rata-rata pada tiap proses pengendalian atau penurunan tegangan pada buck converter sebesar 0.36 mA

5. Sistem logika fuzzy yang telah dirancang dan dibangun secara keseluruhan dapat menjalankan fungsinya sebagai pengendali tegangan dengan switch PWM di buck converter dengan baik (error respon < 5 %)

B. Saran

1. Dalam pengerjaan prototype turbin angin hendaknya dipilih generator DC yang baik dan dirancang gearbox terbaik agar putaran rpm meningkat sehingga dihasilkan daya listrik yang lebih besar. 2. Untuk penelitian selanjutnya bisa ditambahkan dengan

sensor atau device khusus untuk pengukuran arus listrik, selanjutnya bisa digunakan sebagai input ketiga pada sistem fuzzy.

VI. DAFTAR PUSTAKA

[1] Elmas, Celtis; Omer Deperlioglu; Hasan Huseyin Sayan. Adaptive fuzzy logic controller for DC–DC converters.

[2] Hartadi, Dwi. 2006. Perancangan Sistem Pengendalian Temperatur Menggunakan Metode Fuzzy Gain Schedulling PID Controller Pada Continous Tank Reaktor (CSTR). Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. Tugas Akhir.

[3] http://dunia-listrik.blogspot.com2009/01/generator- dc.html

[4] http://konversi.wordpress.com/2009/01/24/ optimalisasi-ekstraksi-energi-angin-kecepatan -rendah-di-indonesia- dengan- aplikasi-konverter-buck-boost

[5] http://www.elektroindonesia.com/elektro/elek25.html [6] Kovacic, Zdenko dan Stjepan Bogdan.2006. Fuzzy

Controller Design Theory and Applications.CRC Press. United States of America,

[7] Mahabir, C., F.E. Hicks and A. Robinson Fayek.

Application of Fuzzy Logic to Forecast Seasonal

Runoff. Willey Interscience. .2003

[8] Mohan, Ned, Tore M. Undeland, William P. Robbins. Power Electronics:Converters, Applications, and Design. John Wiley & Son, Inc.2003

[9] Poodeh, M. Bayati S & EshtehardihA, M. R. ZARE.Application of Fuzzy Logic to Control the DC-DC Converter. Islamic Azad University, Najafabad Branch Isfahan.2007

[10] Soebhakti, Hendawan ST. 2007.Basic AVR Microcontroller Tutorial.Politeknik Batam

[11] Sholihul, HadiMokh. Mengenal Mikrokontroler AVR Atmega16. Ilmu computer.com

[12] University of Afyon Kocatepe. Turkey.2009 Singh, S.R.2007. A Simple Method of Forecasting on Fuzzy Time Series.Elsevier.B.V

[13] ___. ___. PLCs and Fuzzy Logic Industrial—Text and Video Company (Journal). ___. ___.

BIODATA PENULIS

Nama : M. Ibrohim TTL : Tuban, 4 Juli 1988 Alamat : Jalan Semarang no.703 Tuban email : [email protected] Pendidikan : SD Islam Tuban (1994- 2000) SMP Mu’allimin Tuban (2000 - 2003) SMAN 3 Tuban (2003- 2006) S-1 Teknik Fisika ITS (2007-sekarang)

rancang bangun buck converter berbasis...

Documents