ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper

5/12/2018 ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/its-undergraduate-16175-2407100076-paper 1/13

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 cripsuntuk 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 yangberada 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 yangrelatif 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 keluarangenerator 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 dipertahankanoleh 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), C p 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 suatuSKEA 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 (V rated ) 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 sebagaiberikut,

…(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 besarkecepatan 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 berartisemua 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 padaarus 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 Apada 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 yangberbeda-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 dinyatakandengan besar, sedang, kecil atau sesuai dengan keinginan

[8].

Gambar 8 Contoh Input fuzzy dengan 3 fungsi keanggotaan [2]

Rule BaseBasis 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 denganpernyataan :

IF ( antecedent) THEN ( consequent) atau dapat jugaIF 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]

:

∫

∫ =

vv

v

v

dvv

dvvv

v

)(

)(

0

µ

µ

…(7)

Sedangkan dalam semesta diskrit dapat dinyatakan :

∑

∑

=

=

=m

k

k v

m

k

k vk

v

vv

v

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 l

i z z

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 berdasarkandari 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 porosrotor.

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 fuzzyyang 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 turbinangin 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 147rpm dengan kecepatan angin sebesar 7,5 m/s.

Keperluan generator motor DC dengan diameter 3,8 cmseperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini,

Gambar 18 Generator motor DC

Penggabungan generator dengan turbin angin menggunakangearbox 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 danpembuatan 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 diperkenalkanoleh 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 dideklarasikansebagai 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*xN+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 padamikrokontroller ATMEGA 16 melalui downloader

menggunakan software kazama. Berikut alur pemrogaman

yang diterapkan pada mikrokontroller,

Start

Inisialisasi program, Input,

output padamikrokontroller

Baca Vin =

read_adc(1)

sp = {...}e = sp –Vin

de = e (n) –e (n-1)

Proses rule fuzzy systemIf e = VS (adc..) && de = N (adc..) then PWM1If e = S (adc..) && de = Z (adc..) then PWM2

If e = MS (adc..) && de = P (adc..) then PWM3dst

Output PWM

pwm = (sp/Vin) *2000

end

Yes

No

Vin = sp

Vin > spVin < sp Mosfet Off

Fuzzyfikasi e,de

Defuzzyfikasicrips>>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 kedalam 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 inimempresentasikan 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 ppsterbaca 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 datapembacaan 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; dan3,18 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 putarandalam range putaran turbin sebesar 132 - 147 rpm, pengujian

dilakukan pada range rpm ini dikarenakan tegangan listrik

yang dihasilkan pada rpm ini menghasilkan merupakantegangan 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 padarangkaian 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

Grafik 4 Respon tegangan dengan setpoint = 2 volt danVin=9,36 volt

Error respon tegangan rata-rata sebesar 5 % dengan error

minimal 5.5 % dan error maksimal 6.5%. loss atau


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


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


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


2. Setpoint = 4 volt



11

Vin = 14,07 volt


Vin=14.7 volt


error minimal 3 % dan error maksimal 4.5 %. loss atau


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


Vin=7,86 volt

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

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

Vin = 6,32 volt


Vin= 6,32 volt


error minimal 1,25 % dan error maksimal 1,75 %.


Vin = 4,87 volt


Vin= 4,87 volt

Error respon rata-rata sebesar 1,35 % dengan error





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 %.


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



Vin = 7,86 volt

Grafik 17 Respon tegangan dengan setpoint = 6 volt dan Vin

=7,86 volt


error minimal1,3 % dan

error maksimal 1,8 %.

lossataukehilangan 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 minimal 0,6 % dan error maksimal 1%. loss atau


2. Setpoint 8 volt

Vin = 14,7 volt


Vin= 6,32 volt




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




13

Vin = 9,36 volt


Vin= 9,36 volt




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-ratategangan 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. FuzzyController 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. IbrohimTTL : Tuban, 4 Juli 1988Alamat : Jalan Semarang no.703 Tubanemail : [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)

Documents

ITS Undergraduate 16175 2407100076 Paper