Terbit online pada laman web jurnal: http://journal.
id/index.
php/JASENS JOURNAL OF APPLIED SMART ELECTRICAL
NETWORK AND SYSTEMS (JASENS)
Vol.
2 No.
30 Ae 35 ISSN Media Elektronik: 2723-5467 Implementasi Kontrol Proportional - Integral Pada Konverter Bidirectional Untuk Sistem Pengisian Baterai Turbin Angin Hamlah Nadela Ilif B.
J1.
Herman Hariyadi2 Teknik Elektronika.
Teknik Elektro.
Politeknik Negeri Malang nadelahamlah8@gmail.
Abstract The level of demand for electrical energy in Indonesia is currently getting higher and will continue with the increase in population, so that it is required to conduct research in the field of renewable energy.
To be able to support renewable energy research, a switching circuit is needed for the battery charging system.
The switching circuit used is aKonverter bidirectional circuit controlled by an Arduino Uno microcontroller based on PI (Proportional-Integra.
PI control functions to regulate the voltage so that it has a stable output voltage value.
From the research results of theKonverter bidirectional circuit, using trial and error control constants Kp: 2,6 and Ki: 5,6, it was found that the battery charging time was obtained with an initial voltage of 22.
9 Volt to 24 Volt battery without using PI control, which was 6 hours 57 minutes, whereas if using the PI control with Kp: 2,6 and Ki: 5,6 with the initial battery voltage of 22.
9 Volt to 24 Volt, the battery charging becomes faster, which is 2 hours 45 minutes.
Keywords: Control PI,Konverter bidirectional.
Microcontroller.
Battery Charging System.
Abstrak Tingkat kebutuhan energi listrik di Indonesia saat ini semakin tinggi dan akan terus meningkat dengan bertambahnya jumlah populasi, sehingga dituntut untuk melakukan penelitian di bidang renewable energy.
Untuk dapat mendukung penelitian renewable energy dibutuhkan rangkaian switching untuk sistem pengisian baterai.
Rangkaian switching yang digunakan yaitu rangkaianKonverter bidirectional yang dikontrol oleh mikrokontroler Arduino Uno berbasis kontrol PI (Proportional-Integra.
Kontrol PI berfungsi untuk mengatur tegangan agar memiliki nilai tegangan output yang stabil.
Dari hasil penelitian rangkaianKonverter bidirectional, dengan menggunakan cara trial dan error konstantan kendali yang didapat adalah Kp: 2,6 dan Ki: 5,6, didapatkan waktu pengisian baterai dengan tegangan awal baterai 22,9 Volt hingga 24 Volt tanpa menggunakan kontrol PI yaitu 6 jam 57 menit, sedangkan jika menggunakan kontrol PI dengan Kp : 2,6 dan Ki : 5,6 dengan tegangan awal baterai 22,9 Volt hingga 24 Volt maka pengisian baterai menjadi lebih cepat yaitu 2 jam 45 menit.
Kata kunci: Kontrol PI.
Konverter Bidirectional.
Mikrokontroler.
Sistem Pengisian Baterai.
Diterima Redaksi : 24-05-2021 | Selesai Revisi : 21-06-2021 | Diterbitkan Online : 30-06-2021 Pendahuluan Pada Era ini, penelitian dalam bidang renewable energy sudah banyak dilakukan.
Di Indonesia sendiri mulai Tingkat kebutuhan energi listrik di Indonesia saat ini mengembangkan energi angin sebagai sumber energi semakin tinggi dan akan terus bertambah dengan listrik.
Namun, terdapat beberapa kendala dalam perkembangan jumlah populasinya.
Peningkatan pengembangannya, salah satunya adalah kondisi angin kebutuhan tersebut akan berpengaruh pada konsumsi di Indonesia yang tidak stabil.
Dalam hal ini dibutuhkan energi fosil sebagai bahan utama dalam menghasilkan sebuah rangkaian elektronika daya berupa konverter energi listrik di Indonesia.
Sedangkan jumlah energi DC-DC untuk menyesuaikan tegangan keluaran.
fosil di Indonesia sudah semakin berkurang akibat Konverter yang digunakan ialahKonverter bidirectional penggunaan secara terus menerus serta energi fosil atau konverter DC-DC dua arah.
Dalam pemanfaatan merupakan energi yang tidak dapat diperbaharui rangkaianKonverter bidirectional, maka diperlukan .
nrenewable resource.
Maka dari itu diperlukan switching otomatis menggunakan mikrokontroler.
energi alternatif yang dapat diperbaharui dan tidak Dimana sebagai pembangkit sinyal Pulse Width menyebabkan polusi seperti energi fosil.
Modulation (PWM) serta pengolah error dengan set point tegangan dan arus.
Beberapa metode telah Hamlah Nadela1.
Herman Hariyadi2 Journal of Applied Smart Electrical Network and System (JASENS ) Vol .
2 No.
30 Ae 35 dikembangkan untuk dapat mengisi daya pada baterai tegangan pada prototype sistem turbin angin yang menggunakan kemudian masuk ke ADC mikrokontroler.
metodeKonverter bidirectional berbasis Kontrol PI .
sebagai pengatur daya pada turbin angin Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) yang dapat bekerja dalam dua mode yaitu mode pengisian dan mode pengosongan, sehingga tegangan keluaran stabil .
Penggunaan kontrol PI dapat menghasilkan nilai output yang stabil sesuai dengan set point yang telah ditentukan .
Metode Penelitian Diagram Blok Gambar 2.
Rangkaian Sensor Tegangan Untuk mengetahui besaran komponen yang digunakan R14 dan R15 pada rangkaian sensor tegangan maka dapat menggunakan persamaan yaitu :
Perhitungan Arus Maksimal Pada Beban Resistor ya!"# = %!"# &,() ya!"# = *& ya!"# = 8 ycoya Gambar 1.
Diagram Blok Perhitungan Nilai Resistansi Total Kedua Resistor Gambar 1 merupakan diagram blok, prinsip kerja dariKonverter bidirectional yaitu untuk mengatur proses charging dan discharging baterai yang bersumber dari generator.
RangkaianKonverter bidirectional menggunakan input PWM dengan tujuan untuk mengatur duty cycle sehingga mendapatkan hasil yang maksimal dalam proses pengisian baterai.
Untuk dapat menentukan nilai PWM yang akan digunakan, maka diperlukan sensor arus dan tegangan sebagai feedback ke mikrokontroler.
Selama proses charging maupun discharging, sensor arus dan tegangan akan terus bekerja untuk memonitoring input dan output rangkaianKonverter bidirectional.
Arduino Uno digunakan untuk membaca output dari sensor arus dan sensor tegangan yang direpresentasikan dengan duty cycle untuk kontrolerKonverter bidirectional melalui Penggerak.
Penggerak berfungsi untuk menyesuaikan tegangan output dari mikrokontroler menujuKonverter Input dari sensor arus dan sensor tegangan akan diproses oleh Arduino Uno menggunakan metode Proportional Integral (PI) yang menghasilkan output tegangan yang stabil.
%!"#
ycIycycuycycayco! , = -!"# ycIycycuycycayco! , = &,&&.
Perhitungan Nilai Resistansi R1 dan R2 ycOycuycyc = /.
/1 x Vin 5 = /.
/1 x 30 5ycI1 5ycI2 = 30ycI2 yaycnycoyca ycI1 = 12yco, ycI2 = .
Perancangan Modul Sensor Arus Gambar 3 menunjukkan perancangan sensor arus, fungsi dari sensor arus ACS712 adalah untuk mendeteksi besarnya arus yang mengalir dan mendeteksi besarnya arus pada beban.
Modul sensor arus ACS712 dapat mendeteksi arus hingga 5A dan sinyal arus ini dapat dibaca melalui IO port Arduino.
Sensor ACS712 5A membutuhkan tegangan supply 5v untuk bekerja.
Perancangan Sensor Tegangan Gambar 2 menunjukkan perancangan sensor tegangan, dalam pembacaan tegangan output generator diperlukan sebuah sensor yang dapat menurunkan tegangan menjadi tegangan yang dibutuhkan oleh ADC mikrokontroler, namun tetap dapat mewakili nilai tegangan asli.
Maka digunakanlah prinsip dasar rangkaian listrik voltage divider.
untuk menurunkan .
ycIycycuycycayco! , = 3,7 ycoE Gambar 3.
Rangkaian Modul Sensor Arus Journal of Applied Smart Electrical Network and Systems (JASENS) Hamlah Nadela1.
Herman Hariyadi2 Journal of Applied Smart Electrical Network and System (JASENS ) Vol .
2 No.
30 Ae 35 Perancangan Penggerak Mosfet Gambar 4 menunjukkan perancangan penggerak mosfet, penggerak mosfet berfungsi untuk mengendalikan kinerjaKonverter bidirectional yang input-nya berupa sinyal PWM.
Sinyal PWM tersebut dikontrol melalui Arduino dengan pengendalian nilai duty cycle yang dihasilkan oleh kontrol PI.
turbin angin kurang dari 24V maka rangkaian akan bekerja sebagai mode discharge sehingga baterai tidak cepat rusak akibat terus-menerus di-charger.
Gambar 5.
Rangkaian Konverter bidirectional Untuk dapat mengetahui besaran komponen yang digunakan seperti tahanan pull up mosfet, duty cycle, induktor dan kapasitor maka dapat menggunakan persamaan yaitu :
Gambar 4.
Rangkaian Penggerak Mosfet Untuk mengetahui besaran komponen yang digunakan Perhitungan Mencari Nilai Hambatan R4 R1.
R2 dan R3 pada rangkaian penggerak mosfet maka "3$(A":) ycI4 = dapat menggunakan persamaan yaitu :
(=3&.
= 1.
= 16 E
Perhitungan Mencari Nilai Hambatan R1 ycI1 = ycI1 = "3$ )3&,5 789:
1,) .
ycI1 = 2.
Pada rangkaianKonverter bidirectional menggunakan resistor 470 Ohm karena terdapat dipasaran.
Perhitungan Nilai Duty Cycle Minimal dan Maksimal Pada rangkaianKonverter bidirectional menggunakan U:
0K Ohm karena terdapat dipasaran.
yaycoycaycu = U:3% ,(DEF) = .
(=)3*& Perhitungan Mencari Nilai Hambatan R2 ycI2 = "3%-< (=3=,) &,) .
= 39
= 0,40
yaycoycnycu = U:3% ,(DEF) .
= .
(=)3(G = 0,48 Pada rangkaianKonverter bidirectional menggunakan Perhitungan Nilai Minimal dan Maksimal Induktor resistor 470 Ohm karena terdapat dipasaran.
yaycoycnycu = Perhitungan Mencari Nilai Hambatan R3 ycI3 = = &.
= 180
Pada rangkaianKonverter bidirectional menggunakan resistor 330 Ohm karena terdapat dipasaran.
Perancangan Konverter bidirectional (IA .
&,=.
)1&
= (#*1.
*5(,))
%8<3%>
H! ,)/
= 0,00008287
= 828 AAH
H! ,)/
yaycoycaycu = .
(IA .
&,=&)1& (#*1.
*5(,))
= 0,00009562
= 956 AAH
Didapat nilai minimum induktor sebesar 828 AAH dan Bidirectional converter memiliki fungsi sebagai nilai maksimum sebesar 956 AAH, maka inductor yang regulator daya pada saat proses charging dan digunakan pada rangkaian sebesar 900 AAH.
discharging baterai.
Konverter bidirectional digunakan pada saat tegangan output dari prototype turbin angin Perhitungan Nilai Minimal dan Maksimal Kapasitor lebih dari 24V maka rangkaian akan bekerja sebagai mode charge.
Pada saat tegangan output dari prototipe Journal of Applied Smart Electrical Network and Systems (JASENS) Hamlah Nadela1.
Herman Hariyadi2 Journal of Applied Smart Electrical Network and System (JASENS ) Vol .
2 No.
30 Ae 35 %8.
H!"#)
Pengujian Sensor Arus (=.
&,=.
Pengujian sensor arus bertujuan untuk mengukur arus pada sistem charging baterai serta untuk mengetahui perbandingan error antara pengukuran dengan perhitungan seperti pada tabel 2.
yaycoycnycu = .
yK&&L<y&,*(*1,)y1&!)( = .
yK&&L<y&,*(*1,)y1&!)( = 0,0000066636 = 6,6 AAya %8.
H!"#)
yaycoycaycu = .
yK&&L<y&,*(*1,)y1&! )( (=.
&,=&) Tabel 2.
Tabel Pengujian Sensor Arus = .
yK&&L<y&,*(*1,)y1&!)( Iout
Praktek
(A)
= 0,000006718
= 6,718 AAya Didapat nilai minimum kapasitor sebesar 6.
6 AAya dan nilai maksimum kapasitor sebesar 6.
718 AAya.
Maka kapasitor yang digunakan 1000 AAya sesuai dengan yang ada di pasaran.
Perancangan Kontrol PI
Iout
Teori (A) Error
Praktek
(%)
Error Teori (%) Rata - rata 2,32% Gambar 6 menunjukkan diagram blok kontrol PI, perancangan dilakukan dengan mengatur duty cycle Berdasarkan pengujian sensor arus, pengujian sensor pada penggerak mosfetKonverter bidirectional dengan arus dengan praktek didapatkan nilai rata Ae rata error nilai maksimal sebesar 95% dan tegangan masukan 0,01% sedangkan pada pengujian sensor tegangan teori sebesar 24V untuk mendapatkan respon lalu respon didapatkan nilai rata Ae rata error 2,32%.
tersebut sebagai parameter penentuan nilai Kp dan Ki.
Pengujian PWMKonverter bidirectional Dengan Kontrol PI Gambar 6.
Diagram Blok Kontrol PI Tabel 3.
Tabel Pengujian PWM Bidirectional Dengan Kontrol PI Hasil dan Pembahasan Pengujian Sensor Tegangan Tujuan pengujian sensor tegangan untuk mengetahui nilai Vout maksimum yang dihasilkan sebesar 5V, karena ADC mikrokontroler hanya dapat mengolah nilai tegangan maksimum sebesar 5V serta untuk mengetahui perbandingan error antara pengukuran dengan perhitungan seperti pada tabel 1.
Tabel 1.
Tabel Pengujian Sensor Tegangan Vin (Vol.
Vout Vout Praktek Teori (Vol.
(Vol.
0,62 1,21 1,23 1,82 1,84 2,46 2,46 3,08 3,63 Rata - rata Pengujian sinyal PWM pada rangkaianKonverter bidirectional dengan kontrol PI dilakukan dengan cara mengganti lebar duty cycle dari 1 Ae 90% dengan input tetap yaitu 26 Volt, lalu amati tegangan keluaran rangkaian Bidirectioal Konverter menggunakan multimeter seperti pada tabel 3.
Error
Praktek
(%)
0,02%
0,02%
0,02%
0,02%
0,07%
0,02%
Error Teori (%) 3,3% 1,65% 1,09% 0,65% 1,92% 1,23% Frekuensi (H.
ADC
(Arduin.
PWM
(%)
Vin
(V)
Vout
(V)
Pada pengujian Sinyal PWM rangkaian Bidirectional didapatkan jika duty cycle bertambah besar maka resolusi dan tegangan output rangkaianKonverter bidirectional akan bertambah besar, sedangkan jika duty cycle bertambah kecil maka resolusi dan tegangan rangkaianKonverter bertambah kecil.
4 Pengujian Konverter bidirectional Dengan Kontrol Berdasarkan pengujian sensor tegangan, pengujian sensor tegangan dengan praktek didapatkan nilai rata Ae Pengujian Konverter rata error 0,02% sedangkan pada pengujian sensor menggunakan beban baterai 24 Volt, dimana output tegangan teori didapatkan nilai rata Ae rata error 1,23%.
tegangan dariKonverter bidirectional yang diinginkan konstan sesuai dengan input tegangan.
Nilai Kp dan nilai Journal of Applied Smart Electrical Network and Systems (JASENS) Hamlah Nadela1.
Herman Hariyadi2 Journal of Applied Smart Electrical Network and System (JASENS ) Vol .
2 No.
30 Ae 35 50 Ae 29.
14 jam 45 menit Ki ditentukan diawal dengan nilai Kp: 2,6 dan Ki: 5.
Penentuan nilai Kp dan nilai Ki berdasarkan trial and Berdasarkan pengujian charging baterai dengan error seperti pada tabel 4.
menggunakan kontrol PI dapat disimpulkan bahwa jika Tabel 4.
Tabel Pengujian Bidirectional Dengan Kontrol PI rangkaianKonverter bidirectional cenderung terkontrol Vin Output serta lebih cepat meng-charger baterai.
Vref .
et poin.
(V) (V) Kesimpulan Dari hasil pengujian yang telah dilakukan dapat diambil RangkaianKonverter menggunakan optocoupler sebagai penggerak mosfet.
Transistor PNP BD139 yang terhubung ke Mosfet IRF9530 sebagai switching.
Untuk mengaktifkan Berdasarkan rangkaianKonverter switching mosfet diperlukan frekuensi 32 kHz yang bidirectional dengan Vref tetap yaitu 22 Volt dan dikontrol oleh Arduino Uno dan dikirim oleh penggerak tegangan input 25 Volt sehingga didapatkan tegangan mosfet.
Sehingga dapat menstabilkan tegangan sesuai output cenderung berubah-ubah persamaan Vout = Vin x D pada range tegangan input 15 -30 Volt dengan duty cyle 1-95%.
Kontrol PI dengan 5 Pengujian Charging Baterai Tanpa Kontrol PI nilai Kp = 2.
Ki = 5.
6 digunakan untuk mengontrol Pengujian dilakukan tanpa menggunakan kontrol PI teganganKonverter bidirectional agar sesuai dengan dengan menggunakan keluaran dari rectifier yang tidak nilai setpoint sebesar 24 Volt dan respon setting time pengujian charging baterai tanpa kontrol PI menjadi lebih cepat serta tidak mengalami osilasi yang menghubungkan berlebihan.
Pada saat proses pengisian baterai rangkaianKonverter bidirectional ke turbin angin diperlukan tegangan lebih dari 27 Volt untuk menjaga sebagai tegangan input lalu untuk dapat memonitor agar baterai tidak rusak.
tegangan input dan output rangkaianKonverter Rancangan yang dibuat ini masih perlu adanya bidirectional maka digunakanlah LCD, serta untuk perbaikan agar bekerja optimal.
Ada beberapa hal yang mengetahui lama pengisian baterai menggunakan timer direkomendasikan untuk pengembangan lebih lanjut seperti pada tabel 5.
yaitu, menggunakan kontrol PID untuk sistem pengisian baterai yang lebih maksimal karena dengan Tabel 5.
Tabel Pengujian Charging Baterai Tanpa Kontrol PI menggunakan kontrol PID dapat memberikan respon Tegangan Tegangan yang lebih baik.
Selain itu, menyempurnakan Tegangan Awal Akhir Waktu rangkaianKonverter bidirectional, agar tegangan output Masukan (V) Baterai Baterai Pengisian (Ja.
yang dihasilkan bias lebih stabil.
(V)
(V)
50 Ae 29.
50 Ae 29.
50 Ae 29.
6 jam 57 menit 20 jam 51 menit 34 jam 45 menit Berdasarkan pengujian charging baterai tanpa kontrol PI dapat disimpulkan bahwa jika tanpa kontrol PI maka tegangan output rangkaianKonverter bidirectional cenderung tidak terkontrol serta lebih lambat saat mencharger baterai.
6 Pengujian Charging Baterai Dengan Kontrol PI Pengujian rangkaianKonverter bidirectional dengan menggunakan Kontrol PI dengan meggunakan output tegangan dari rectifier yang stabil.
Kemudian mengatur nilai duty cycle, untuk dapat memaksimalkan pengisian baterai seperti pada tabel 6.
Tabel 6.
Tabel Pengujian Charging Baterai Dengan Kontrol PI Tegangan Masukan (V) 50 Ae 29.
50 Ae 29.
Tegangan Awal Baterai (V) Tegangan Akhir Baterai (V) Waktu Pengisian (Ja.
2 jam 45 menit 8 jam 15 menit Daftar Rujukan .
Rudiyanto.
, 2016.
Aplikasi Kontrol PI (Proportional Integra.
pada Katup Ekspansi Mesin Pendingin.
Jurnal Roya Teknik Pertanian, 9 .
, pp.
Anto.
, 2014.
Portable Battery Charger Berbasis Sel Surya.
Jurnal Rekayasa Elektrika, 11 .
, pp.
Hermansyah.
, 2015.
Simulasi Double Buck Boost Konverter DCDC Bidirectional Menggunakan PID Controller.
Prosiding SENTIA, 7 .
, pp.
Linggasari.
, 2016.
Rancang BangunKonverter bidirectional Menggunakan Kontrol Proportional Integral Untuk Sistem Pengereman Regeneratif, e-Proceeding of Engineering, 3 .
, .
Pratiwi.
, 2020.
Desain dan Simulasi Bidirectional DC-DC Konverter Untuk Penyimpanan Energi pada Sistem Fotovoltaik.
Jurnal Nasional Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, 9 .
, .
Lucky.
, 2019.
Perancangan dan Implementasi DCDCKonverter bidirectional Dengan Sumber Energi Listrik Dari Panel Surya dan Baterai Untuk Pemenuhan Kebutuhan Daya Listrik Beban.
Jurnal Teknologi Terpadu, 7 .
, pp.
Sulistomo.
, 2018.
Implementasi Pengendalian Sistem Pengisian/Pengosongan Baterai Pada Sistem Photovoltaic StandAlone MenggunakanKonverter bidirectional Dengan Metode Proportional-Integral Berbasis Mikrokontroler DSPIC30F4011Ay.
TRANSIENT, 7 .
, pp.
Prasetiyo.
, 2018.
Optimalisasi Daya Pembangkit Listrik Tenaga Angin Menggunakan Maximum Power Point Tracker Journal of Applied Smart Electrical Network and Systems (JASENS) Hamlah Nadela1.
Herman Hariyadi2 Journal of Applied Smart Electrical Network and System (JASENS ) Vol .
2 No.
30 Ae 35 (MPPT) Dengan Metode Perturb And Observe (P&O).
TRANSIENT, 7 .
, pp.
Hafiz.
, 2017.
Kontrol Proportional-Derivatif Pada Sistem Dinamik Pesawat Terbang Tipe Airbus A380-800.
Jurnal Ilmiah Matematika, 3 .
, pp.
Rahayu.
, 2020.
Desain dan Implementasi Bidirectional DC-DC Konverter Untuk Penerangan Darurat.
Jurnal ECOTIPE, 7 .
, .
Sheren.
, 2020.
Rancang Bangun Buck Boost Konverter Menggunakan Kendali PID.
Jurnal Teknik Elektro dan Vokasional, 6 .
, pp.
Journal of Applied Smart Electrical Network and Systems (JASENS)