13.2 cicilia analisaperancangansimulasi hal 17 28

JETri, Volume 7, Nomor 1, Agustus 2007, Halaman 17 - 28, ISSN 1412-0372

ANALISA, PERANCANGAN DAN SIMULASI

RANGKAIAN PEREDAM RC PASIF PADA

PENYALURAN SEDERHANA SISTEM

TENAGA DC DENGAN

MENGGUNAKAN PSPICE

Cecilia Susilawati

Dosen Jurusan Teknik Elektro – FTI, Universitas Trisakti

Abstract

The sub-system interaction and instability phenomena are a common problem in the

Distributesd Power System (DPS). In order to regulate the output voltage or the speed, the

internal control function of a converter known as constant power load (CPL), results in the

converter tends to draw a constant power. This phenomena cause the input impedance of

CPL has negative incremental input impedance, which tends to create instability as it is

connected to a system. This paper concerns about the compensation method used to improve

the stability ot two or more connected subsystems, consisting of and L-C filter and a CPL. A

compensation method known as passive damping network containing only RC components is

examined purposedly to eliminate and reduce the instability of the subsystem. The passive

damping network was designed and simulated using PSpice. The results show that the

designed passive damping network suitbale for small-scale power distribution system that

contains constant power load with power level of 1kW.

Keywords: Constant Power Load, DC – DC Converter, Passive Damping Circuit

1. Pendahuluan

Pada Distributed Power System (DPS), fenomena ketidakstabilan

adalah masalah yang umum. DPS adalah sebuah sistem, dimana fungsi

pemrosesan daya disalurkan melalui unit–unit pemroses daya atau pembalik

DC/DC bila dibutuhkan.

Hal ini digunakan pada aplikasi seperti pesawat terbang, pesawat

luar angkasa, kendaraan listrik, kendaraan hybrid, kapal laut, sistem

pertahanan, komunikasi dan komputer.

Keuntungan dalam hal berat, ukuran, isolasi, regulasi tegangan,

fleksibilitas, kemampuan berintegrasi dengan berbagai macam beban dan

juga kemudahan dalam mengendalikan kualitas daya yang dicapai bagian –

bagian terpisah (Gua, 1994: 763–763) adalah alasan digunakannya sistem

ini


18

Tetapi DPS memiliki beberapa kelemahan seperti interaksi antar

pembalik dan ketidakstabilan jaringan, begitu juga pada ketidakseimbangan

distribusi daya pada pembalik paralel, yang membuat distribusi arus

keluaran tidak sama dan dapat membuat stress pada beberapa modul dan

meningkatkan kemungkinan kegagalan.

Interaksi ini timbul karena setiap pembalik memiliki fungsi

pengendali internal, seperti regulasi dari pembalik tegangan keluaran dan

kecepatan motor (Alfayyoumi, 1999: 926–932).

Sebagai hasilnya, pembalik cenderung mengeluarkan daya yang

konstan dan memiliki hambatan input yang negatif di dalam bandwidth

pengendali pembalik loop. Karakteristik impendansi input negatif adalah

karakteristik utama dari constant power load (CPL).

Ketika sumber tegangan jatuh, lalu operasi dari pengendali internal

mengakibatkan pembalik mengeluarkan arus yang lebih. Hal ini dapat

mengakibatkan tegangan sumber jatuh lebih banyak lagi.

Impedansi negatif dari CPL berarti hal ini memiliki karakteristik

hiperbola dari tegangan terhadap arus. CPL dapat dibuat sebagai sumber

arus, yaitu i=P/v dimana v adalah tegangan masukkan dan P adalah daya

keluaran.

CPL dapat dibuat dengan menggunakan Analogue Behavior Model

(ABM) menggunakan blok GVALUE pada simulasi Orcard PSpice.

Untuk memastikan daya konstan, GVALUE digunakan sebagai

Voltage Control Current Source (VCCS), yang akan menjaga arus konstan

dengan mengatur tegangan pada jaringan tegangan DC.

Model sederhana CPL ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar ini

menunjukkan bahwa arus konstan didapat dari tegangan (v) dibagi oleh

daya (P). Gambar 2. menunjukkan karakteristik CPL dengan tegangan input

berbeda – beda dengan daya tetap 1 kW.

Dengan meningkatnya tegangan input, arus turun seperti yang

diduga, simbol dari impedansi dilambangkan dengan - RL.

Cicilia Susilawati. Analisa Perancangan dan Simulasi Rangkaian Peredam RC Pasif Pada

19

Gambar 1. Blok Diagram CPL

Gambar 2. Karakteristik CPL

Fenomena ketidakstabilan yang diakibatkan oleh interaksi filter LC

dan CPL ditunjukkan pada sirkuit sederhana Gambar 3. pada berikut ini.

Filter LC dan CPL dihubungkan ke sumber arus 270 Vdc. Nilai ini dipilih

berdasarkan nilai yang umum digunakan. Tegangan input pengganggu V3

dengan besar 50 V diberikan.

Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 4. pada halaman berikut

menunjukkan bahwa sebelum adanya pengganggu, tegangan V2 stabil pada

270 V. Saat tegangan pengganggu diberikan pada waktu simulasi 4 ms,

+

-

P IN+ Out+

IN- Out- V

V1

W1 G1

GVALUE

(V(W1)/V(V1))

I(G1) (A)

V1 (V)

0 50 100 150 200

I(G1)(A)

V1(V)

200

150

100

50

0


20

tegangan mengalami osilasi dan hal ini mengindikasikan ketidakstabilan

sistem karena adanya interaksi dari impedansi negatif masukkan dari CPL

dengan filter masukan.

Gambar 3. Filter LC dengan CPL

Gambar 4. Tegangan ketika tegangan input 50 V diberikan

0s 10ms 10ms 30ms 40ms 50ms 60ms 70ms 80ms 90ms 100ms

V(V2) Time

400

300

200

100

V1

W1 G2

GVALUE

(V(W1)/V(V1))

1000 IN+ Out+

IN- Out- C1 300µF

+

-

270

+

-

V3

1 2

|

L1

150 µH

V+

V-

V2


21

2. Analisa

Walaupun selalu ada peredam pada filter LC karena adanya

komponen parasit seperti hambatan seri yang sama pada induktor,

normalnya hal ini tidak akan cukup mempengaruhi ketidakstabilan.

Diagram dengan memasukkan rangkaian peredam RC pasif

ditunjukkan pada Gambar 5. Kapasitor peredam seri yang digunakan untuk

menghalangi DC akan menghambat arus DC masuk ke hambatan peredam.

Selain itu hambatan peredam akan membuat fungsi peredam pada frekuensi

resonansi filter.

Gambar 5. Filter LC dengan CPL dan jaringan peredam pasif

Beban daya yang konstan (-RL) dihubungkan pada filter LC, dengan

RC2 sebagai rangkaian peredam pasif. Hambatan total efektif dari rangkaian

ini adalah:

Reff = L

L

RR

RR

Untuk membuat sistem stabil maka perlu R << RL, hambatan peredam pasif

R harus lebih kecil dari RL, sehingga hambatan total akan positif. Keluaran

fungsi alih tegangan input pada Gambar 5. diberikan pada persamaan (1).

RCLCRRCLC

LRRCs

RRCC

RCRCRCss

RCLC

RsC

V

V

L

L

L

LLs

c

2121

2

21

22123

1

2

1

2

1

(1)

Dengan menghitung bagian penyebut bagi persamaan (1) sama

dengan nol, maka didapat persamaan (2).


22

-R = K

1 =

22

2

21

3

21

2

CsRLCsRCLCs

RsLRLCRLCs

LL

LLL

(2)

Persamaan (2) adalah plot root locus dimana nilai R dapat diatur

sehingga dapat dicapai kestabilan. Hambatan R dengan nilai berbeda – beda

ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Pergerakan kutub sistem dengan nilai RL yang berbeda.

Parameter yang digunakan L=150μH, C1 = 300μF, C2 = 1,2mF dan

5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3Ω, 0,6Ω, 1Ω, 5Ω, 30Ω.

Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243kW, 122kW,73kW, 14,6kW,

2,4kW, ( ). Tegangan sumber adalah 270 V.

Parameter yang digunakan L = 150 μH, C1 = 300 μF, C2 = 1,2 mF

dan 5 nilai hambatan CPL (RL) yang berbeda yaitu 0,3 Ω, 0,6 Ω, 1 Ω, 5 Ω,

30 Ω. Nilai ini setara dengan daya CPL pada 243 kW, 122 kW, 73 kW, 14,6

kW, 2,4 kW, ( ). Tegangan sumber adalah 270 V.

500

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

-500

-800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000

R = ∞Ω

R = 0Ω

RL = 30Ω

5Ω

1Ω

0,6Ω

0,3Ω

Increasing RL

Sumbu Imajiner

Sumbu Real Root Locus


23

Gambar 6. menunjukkan pada titik kutub berada pada bagian kanan

untuk hambatan peredam nol dan tak hingga. Pada saat hambatan peredam

bergerak antara nol dan tak hingga, kutub – kutub bergerak ke kiri dan

dapat lewat ke bagian kiri plot, yaitu pada RL = 0,6 Ω ke atas.

Dengan RL = 0,3 Ω sistem akan tetap stabil pada semua harga

hambatan peredam. Hal ini menunjukkan limit dari kondisi stabil seperti

yang telah disebut sebelumnya R<IRLI.

3. Perancangan

Prosedur perancangan untuk mendapatkan rangkaian peredam pasif

adalah berdasarkan persamaan 1. Karakteristik persamaan in difaktorisasi

seperti pada persamaan 3. Dengan mengalikan persamaan (3) didapat

persamaan (4).

12

2

2

111

LCRR

RR

Css

RCs

L

L = 0 (3)

RCLCRRCLC

RRR

LRRC

sRRCC

RRCRCss

L

LL

L

LL

2121

2

21

2123 1)(

= 0 (4)

Dengan membandingkan persamaan (1) dan (4), tambahan R

LRS L

muncul. Untuk membuat persamaan (1) memiliki nilai:

C2RRL >> R

LRL

maka

C2 >> 2R

L (5)

Oleh karena itu, prosedur perancangan adalah untuk memilih R

sehingga hambatan efektif pada bagian kuadrat persamaan (3)

menghasilkan redaman dari kutub yang kompleks.


24

Kemudian C2 harus dipilih untuk meyakinkan persamaan (5)

tercukupi sebagai contoh perancangan adalah menaruh kutup kompleks

pada 45o (θ) pada bidang s, lalu besarnya bagian riil dan imaginer dari

karakteristik persamaan kuadrat dari persamaan (3) harus sama. Nilai

hambatan peredam R diberikan sebagai berikut:

R =

L

L

RCLC

LCR

11

1

2 (6)

Dengan menggunakan persamaan orde 2, hambatan peredam dalam

sudut θ dapat dinyatakan oleh persamaan (7).

R =

11

1

cos2 LCRC

LCR

L

L

(7)

Tabel 1. menunjukkan nilai – nilai dari R dan C2 dengan variasi θ.

Hambatan beban RL yang digunakan adalah 72,9Ω (beban 1000 W yang

umum) dengan sumber 270 V dan C1 = 150 μF. C2 didapat dari persamaan:

C2 = 2

C

L

Table 1. Parameter peredam RC dengan peletakan kutub yang berbeda.

(o) R(Ω) C2(mF)

0o 0,351 1,211

10o 0,357 1,177

20o 0,374 1,073

30o 0,405 0,914

40o 0,458 0,715

50o 0,546 0,503

60o 0,700 0,306

70o 1,019 0,144

80o 1,981 Sangat kecil

90o 72,9 Sangat kecil


25

4. Hasil

Diagram rangkaian untuk simulasi PSpice dengan rangkaian

peredam RC pasif ditunjukkan Gambar 7. Semua nilai yang digunakan oleh

masing–masing komponen telah ditunjukkan.

Gambar 7. Diagram rangkaian peredam RC, filter LC, dan CPL

Rangkaian RC dinyatakan oleh R1 dan C2. Komponen sumber dan

filter LC sudah dibahas pada bagian sebelumnya. Rangkaian peredam

dipilih untuk membuat kutub kompleks sistem pada 60o terhadap sumbu

kompleks. Harga dari hambatan peredam adalah 0,7 Ω dan kapasitor

penghalang C2 adalah 1,2 mF.

Standar tegangan step masukkan ditunjukkan sebagai V3. Tegangan

transien +50V diberikan saat waktu simulasi 4ms dan pada saat waktu

simulasi 14ms, transien dipindahkan.

Hasil simulasi untuk bus tegangan untuk CPL 1 kW dan 50 kW

ditunjukkan Gambar 8. pada berikut ini. Tegangan mengalami single

overshoot dan kemudian diam pada steady state yang baru yaitu 208 V, ini

menunjukkan keefektifan dari rangkaian peredam. Sistem ini diredam

dengan baik pada daya rendah 1 kW dan mengalami sedikit osilasi ketika

daya dinaikkan 50 kW.

V2

V1

+

-

270

+

-

V3

1 2

|

L1

150 µH

V+

V-

W

1

G2

GVALUE

(V(W1)/V(V2))

P IN+ Out+

IN- Out- C1 300µF

C2 1.2m

R1 0.7Ω

PARAMETERS:

P


26

Gambar 8. Tegangan V2 hasil simulasi

Keefektifan peredam pasif dapat dibuktikan lebih lanjut. Bila CPL

dihubungkan dengan bus DC melalui sistem kabel yang panjang. Nilai

komponen untuk perkabelan dapat digantikan oleh rangkaian seri RL.

Gambar 9. R3-L3 adalah parameter kabel. C5 adalah kapasitor dekopling

yang dihubungkan melewati CPL.

Gambar 9. Diagram Rangkaian dengan perkabelan R-L dihubungkan

V4

V6

1 2

|

L2

150 µH

1 2

L3

100 µH

R3

0.5Ω

+

-

270

C5

100µF

W3 5000 C3

300µF +

-

V7

G2

GVALUE

(V(W3)/V(V4))

IN+ Out+

IN- Out-

C4

1200µ

R2

0.7Ω

V+

V-

50

KW

1 KW

0s 2ms 4ms 6ms 8ms 10ms 12ms 14ms 16ms 18ms 20ms

V(V2) Time

360 V

320 V

280 V

240 V

200V


27

Hasil simulasi tegangan tanpa redaman pasif ditunjukkan Gambar

10. dengan daya CPL pada 5 kW dihubungkan. Waktu simulasi 200 ms,

tegangan transien 10V diberikan pada saat 40ms dari simulasi.

Ada beberapa respon osilasi pada tegangan. Fenomena yang sama

dapat dilihat saat tegangan diturunkan -10 V pada waktu simulasi 260ms.

Dengan adanya rangkaian peredam pasif, masalah pada interaksi

perkabelan dan fenomena ketidakstabilan dapat diatasi.

Gambar 10. Simulasi tegangan V2 tanpa peredam negatif

Gambar 11. Merupakan simulasi tegangan V2 dengan peredaman

negatif, tegangan transien 10 V diberikan saat waktu simulasi 200 ms

selama 40 ms dan pada saat waktu simulasi 260 ms, tegangan transien -10V

diberikan selama 50 ms.

Sistem secara baik diredam, tegangan mengalami single overshoot

dan kemudian stabil pada nilai steady state nya. Ini menunjukkan

keefektifan rangkaian peredam.

30ms 200ms 220ms 240ms 260ms 280ms 300ms 320ms

Time

300 V

280 V

260 V

240 V


28

Gambar 11. Simulasi tegangan V2 dengan peredam negatif

5. Kesimpulan

Analisa, perancangan, teoritis dan simulasi rangkaian peredam RC diperiksa

pada sistem sederhana yang terdiri dari filter LC dan daya beban yang

konstan. Detail analisa dan perancangan dari komponen peredam untuk

CPL pada 1 kW telah diberikan. Hasil simulasi PSpice menunjukkan

keefektifan dari perancangan rangkaian peredam pasif yang menjaga

jaringan DC dari osilasi karena interaksi dari impedansi negatif dan filter

LC. Hasil simulasi juga membuktikan bahwa perancangan rangkaian

peredam RC dapat diimplementasikan untuk daya CPL yang lebih tinggi

yaitu 5 kW.

Daftar Pustaka

1. Gua, G.C., Tabisz, W.A, Leu, C. S.1994. Development of A DC

Distributed Power System. IEEE Applied Power Electronics Conference.

2. Alfayyoumi, M., Nayfeh, A. H., Borojevic, D. 1999. Input Filter

Interactions in DC-DC Switching Regulator. IEEE Power Electronic

Specialists Conferences.

300 V

280 V

260 V

240 V

180ms 200ms 220ms 240ms 260ms 280ms 300ms 320ms

V(V4) Time

13.2 cicilia analisaperancangansimulasi hal 17 28

Documents