RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL PADA KOMPRESOR TEKANAN UDARA SEBAGAI PENGISI UDARA UNTUK BAN KENDARAAN

Transkripsi

1 RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL PADA KOMPRESOR TEKANAN UDARA SEBAGAI PENGISI UDARA UNTUK BAN KENDARAAN Kukuh Wahyu Budi Kusumawardana, Irianto, Mohammad Zaenal Efi Teknik Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Institut Teknologi Seuluh Noember (ITS) Surabaya Tel : ; Fax ABSTRAK Perkembangan teknologi membuat masyarakat membutuhkan alat yang beroerasi secara otomatis dan efisien. Oleh karena itu enulis memanfaatkan fungsi dari inverter satu fase untuk mengontrol keceatan utaran motor. Tujuan royek akhir ini antara lain membuat sistem kontrol ada komresor yang sia digunakan setia waktu, membuat hardware dan software sistem kontrol ada komresor tekanan udara sebagai engisi udara ban karaan serta membuat sistem kontrol ada komresor tekanan udara sebagai engisi udara ada karaan sehingga menjadi lebih efisien. Metode yang diakai yaitu inverter single hase full bridge inverter dengan menggunakan metode switching SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation). Inut tegangan inverter berasal dari rectifier (tegangan jala-jala yang disearahkan). Frekuensi tegangan outut inverter daat diatur ( variabel) melalui rogram dari mikrokontroler berdasarkan embacaan sensor. Pulsa keluaran dari mikrokontroler sebagai drive IGBT tidak langsung dihubungkan dengan IGBT tetai melalui rangkaian otocouler. Rangkaian tersebut berfungsi sebagai rangkaian emisah elektrik antara tegangan rah dengan tegangan tinggi. Sistem kontrol ada komresor yang dibuat belum daat mengontrol keceatan motor ada komresor. Dikarenakan inverter yang telah dibuat memiliki gelombang tegangan outut yang tidak sinusoida, maka hanya mamu untuk beban linier yaitu lamu ijar 60 Watt, 100 Watt dan beban motor 15 watt. Proses engisian tekanan ban karaan menjadi lebih efisien disebabkan ada saat roses engisian tekanan ban karaan hanya dilakukan satu kali dan tidak membutuhkan ulangan. Aabila setting tekanan 30 si maka tekanan ada ban adalah 31, 5 si. Dieroleh selisih tekanan setting oint dengan tekanan ada ban adalah 1,5 si Kata kunci: inverter satu fase, komresor, motor induksi 1 fase, sistem kontrol, SPWM ABSTRACT Technology develoment make the society need \tool that oerated automatically and efficient. Because of that the author is trying to make method with utilize the function of single hase inverter to control the seed of motor circle. The urose of this roject are make control system in comressor that ready to used every time, make control system hardware and software in air ressure comressor to fill air in vehicle tire, and make control system in air ressure comressor to fill air in vehicle tire more efficient. The method in this roject is using single hase full bridge inverter with SPWM switching method. Inverter inut voltage emanating from rectifier. Inverter outut voltage frequency can arrange by rogram from microcontroller based on sensor measuring. Outut ulse from microcontroller as IGBT drive not immediately interlinked with IGBT but by otocouler series. That series function is as electricity series arbiter between low voltages with high voltages. Control system in comressor has not been control the motor seed in comressor. That caused by inverter that has been made had outut voltage not sinusoidal wave so just able for linier load that is 60 Watt bulb,100 Watt bulb and motor 15 Watt. Whereas for the rocess of fill air in vehicle tire be more efficient because the rocess just doing in one time and didn t need reeating. If ressure setting is 30 si so tire ressure is 31,5 si. The difference of setting oint ressure with tire ressure is 1,5 si. Keyword: comressor, control system, single hase inverter single hase induction motor, SPWM 1. Pahuluan Dengan semakin berkembangnya teknologi, maka masyarakat akan mencari segala sesuatu yang otomatis dan sederhana untuk menunjang erkembangan teknologi tersebut. Namun dalam kenyataannya dalam masyarakat masih banyak menggunakan sistem manual dalam kehiduan sehari-harinya. Contohnya adalah engisian tekanan udara ban, enggunaan komresor yang tidak didukung oleh sistem yang otomatis maka tia dilakukan engisian tekanan ban akan membuat ekerjaan tidak efisien. Berbeda contoh yang sudah dijelaskan enulis berusaha mengangkat metode lain yang memanfaatkan fungsi dari inverter satu hasa untuk mengontrol keceatan utaran dari motor. Motor akan memberikan tekanan yang bertaha ada komresor. Keceatan motor ini akan diumanbalikkan menuju inverter melalui sensor tekanan yang akan memberi sinyal ke

2 mikrokontroler/o-am untuk mengontrol sistem enyulutan sudut ada inverter satu hasa. Dalam enentuan setting oint tekanan udara ada ban maka digunakan sensor tekanan. Sinyal dari sensor tekanan akan dikirim ke mikrokontroler untuk diroses. Aabila dalam sistem ini terjadi tekanan melebihi setting oint yang telah ditentukan maka akan dibuang melalui solenoid valve/katu solenoid.. Metode Penyulutan Inverter satu hase Dalam banyak emakaian industri sering dibutuhkan engontrolan tegangan outut inverter : (1) Untuk mengatasi variasi tegangan inut DC, () Untuk engaturan tegangan dari inverter dan (3) Untuk ermintaan kontrol tegangan atau frekuensi yang teta Terdaat banyak teknik atau metode switching yang digunakan sebagai enyulutan komonen switch ada inverter. Teknik yang sering digunakan ialah : 1) Pembangkitan gelombang ersegi. ) Multile Pulse Width Modulation. 3) Sinusoidal Pulse Width Modulation ( Uniolar dan Biolar ).1 Pembangkitan Gelombang Persegi Pada kontrol gelombang ersegi, hanya terdaat satu eriode ositif dan negatif ersetengah siklus dan besar frekuensi bergantung dari besar frekuensi dari sinyal embawa, untuk mengontrol tegangan outut inverter. Pengelomokan sinyal dikerjakan dengan membandingkan sebuah sinyal referensi sumber DC amlitudo A r, dengan amlitudo gelombang embawa segitiga, A c. Frekuensi sinyal embawa menunjukkan frekuensi dasar tegangan outut. Metode embangkitan gelombang ersegi ini daat dilihat ada Gambar.0. embawa segitiga. Frekuensi sinyal referensi mengatur frekuensi outut, f o, dan frekuensi embawa, f c. Gambar.1 Pembangkitan gelombang Multile PWM 1.3 Sinusoidal PWM Uniolar Disaming mengatur lebar semua ulsa sama seerti ada multile PWM, lebar masingmasing ulsa bermacam-macam dalam roorsi amitudo gelombang sinus yang dievaluasi ada ulsa-ulsa yang sama. Faktor distorsi dan harmonisa orde rah dikurangi secara drastis. Pengelomokan sinyal seerti dierlihatkan ada Gambar.4 dikerjakan dengan membandingkan sinyal referensi sinusoida dengan frekuensi gelombang embawa segitiga, fc. Tie modulasi ini biasanya digunakan ada alikasi industri dan disingkat SPWM. Frekuensi sinyal referensi, f r menunjukkan frekuensi outut inverter, f o, dan amlitudo uncaknya, A r, mengatur indeks modulasi, m, dan menentukan tegangan outut rms, Vo. Besar ulsa ersetengah siklus bergantung ada frekuensi embawa. Dengan emaksaan dua transistor dengan lengan yang sama (Q1 & Q4) tidak terbias bekerja ada waktu bersamaan, tegangan outut. Pengelomokan sinyal yang sama daat dijalankan dengan menggunakan gelombang embawa segitiga sama kaki seerti ditunjukkan Gambar. Gambar.0 Proses embangkitan gelombang ersegi. Multile Pulse Width Modulation Pembangkitan multi PWM daat dilihat ada Gambar.1. Harmonisa yang ditimbulkan oleh inverter daat dikurangi dengan menggunakan beberaa ulsa ada masing-masing setengah eriode tegangan outut. Dengan membandingkan sinyal referensi dengan sebuah gelombang Gambar. Pembangkitan Uniolar SPWM 1 Muhammad H. Rashid, Power Electronics Circuits, Devices, and Alication nd,hal. Ibid., hal.3

3 Tegangan outut rms daat diubah dengan mengubah indeks modulasi, m. Hal ini daat diamati bahwa daerah masing-masing ulsa berhubungan mekati daerah dibawah gelombang sinus diantara mekati titik tengah eriode off ada engelomokan sinyal. Jika δ m ialah lebar ulsa m th, ersamaan (.6) daat digunakan untuk mencari tegangan rms outut :.....(.6) Untuk harmonisa dari bentuk gelombang SPWM di atas, besar harmonisa orde tertentu daat dieliminasi atau direduksi. Dengan melihat bentuk gelombang dari SPWM seerti Gambar.3 di bawah : Proses terjadinya bentuk gelombang sinusoida PWM biolar ini daat dilihat ada Gambar.4 berikut : Gambar.3 Gelombang SPWM 3.4 Sinusoida PWM Biolar Bentuk gelombang dari ada Sinusoida PWM biolar sebenarnya hamir sama dengan bentuk gelombang dari tegangan ersegi (square wave). Bedanya, ada gelombang sinusoida PWM biolar terdaat erbedaan lebar ulsa ada fase ositif dan fase negatifnya, dan akan eriodik sesuai dengan frekuensi dari tegangan referensinya. Bentuk gelombang sinusoida PWM biolar ini dieroleh dengan mengkomarasi antara gelombang segitiga (triangle wave) dengan gelombang sinusoida murni. Lebar dari ada fase ositif dan fase negatifnya daat diatur dengan mengontrol besarnya indeks modulasi, yaitu erbandingan amlitudo dari tegangan carrier (gelombang segitiga) terhada amlitudo tegangan referensi (gelombang sinusoida murni). Gambar.4 Pembentukan Gelombang SPWM Biolar 4 Dari bentuk gelombang sinusoida PWM biolar ini, besar harmonisa orde tertentu daat direduksi dengan menetukan derajat dan lebar dari masing-masing fasa ositif dan negatifnya. Dengan melihat bentuk gelombang dari sinusoida PWM biolar seerti Gambar.5: Gambar.5 Tegangan Outut SPWM Biolar Per Setengah Siklus 5 3 Baharuddin Bin Ismail, Design and Develoment Of Uniolar SPWM Switching Pulses For Single Phase Full Bridge Inverter Alication, University Sains Malaysia, 008, hal.4 4 Ibid, hal.1 5 Ibid, hal.5

4 Metode embangkitan gelombang Sinusoidal PWM daat dilihat ada Gambar.6 di bawah ini : Gambar.6. Pembangkitan Gelombang Sinusoidal PWM.4 Otocouler Otocouler atau ototransistor meruakan salah satu jenis komonen yang memanfaatkan sinar sebagai emicu on-off. Oto berarti otic dan couler berarti emicu. Sehingga bisa diartikan bahwa otocouler meruakan suatu komonen yang bekerja berdasarkan emicu cahaya otic. Otocouler termasuk dalam sensor, yang terdiri dari dua bagian yaitu transmiter dan receiver. Dasar rangkaian otocouler ditunjukkan ada Gambar.7 gangguan ada inverter, tidak samai merusak rangkaian enyulut atau mikrokontroller. 3. PERANCANGAN & ANALISA SISTEM 3.1 Single Phase Full Bridge Inverter Dalam hal ini, single hase full bridge inverter digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Gambar erencanaan inverter secara lengka ditunjukan ada Gambar 3.1. Pada single hase full bridge inverter menggunakan metode switching SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) yang dibangkitkan dengan menggunkan mikrokontroller ATMEGA16 ( secara digital ). Drive switching dari mikrokontroller tidak langsung disambungkan ke IGBT (inverter) tetai melalui otocouler dan totemole. Otocouler digunakan sebagai emisah antara Mikrokontroller dengan IGBT Single Phase Full Bridge Inverter. Dengan rangkaian otorcouler Mikrokontroller sebagai embangkit SPWM utama terhindar dari kerusakan, aabila terdaat arus balik dari rangkaian Single Phase Full Bridge Inverter. Rangkaian totemole digunakan untuk melakukan switching atau erubahan kondisi dari low ke high dengan ceat. Inverter ini di desain dengan frekuensi 50 Hz dan tegangan outut inverter 0 Vac. Gambar.7. Rangkaian Dasar Otocouler 6 Bagian emancar atau transmiter dibangun dari sebuah infra led merah untuk maatkan ketahanan yang lebih baik terhada sinar tamak dariada menggunakan led biasa. Sensor ini bisa digunakan sebagai isolator dari rangkaian tegangan rah ke rangkaian bertegangan tinggi. Rangkaian ini digunakan sebagai emisah antara rangkaian enyulut atau mikrokontroller dengan rangkaian inverter. Inverter tegangan DC ke AC bekerja ada tegangan tinggi, sedangkan rangkaian mikrokontroller yang digunakan sebagai enyulut hanya menggunakan tegangan rah sebagai sinyal embentuk triger. Oleh karena itu erlu rangkaian untuk memisahkan kedua rangkaian tersebut. Sehingga aabila terjadi Gambar 3.1 Rangkaian Single Phase Full Bridge Inverter dengan Penyulut SPWM Keluaran tegangan inverter daat dieroleh dari erhitungan : Vrms = Vrms = 1 T T V dt V (3.1) V dt. t V. V.0 6 Otocouler,google.com, forum.hackedgadgets.com

5 V. Vrms = V = V 0 V Di bawah ini meruakan hasil simulasi single hase full bridge inverter ada Gambar 3.3 Dalam membangkitkan teknik Switching Sinusoidal Pulse Width Modulation secara digital, harus diketahui dahulu kondisi ON dan OFF ( kondisi switching) sinyal drive IGBT tersebut. Untuk eriode ON dan OFF adalah sama lamanya yaitu setengah dari eriode untuk masing masing frekuensi. Dalam hal ini, untuk membangkitkan metode switching SPWM untuk mengetahui kondisi hight dan low switching ada IGBT. Kondisi enyulutan emat IGBT tersebut terlihat ada Tabel 3.1. Tabel 3.1 Kondisi Penyulutan State Voutut Van Vbn Gambar 3. Rangkaian Inverter Single Phase Full Bridge dengan Penyulut SPWM IGBT 1,4 ON dan IGBT,3 OFF IGBT 1,4 OFF dan IGBT,3 ON IGBT 1,3 ON dan IGBT,4 OFF IGBT 1,3 OFF dan IGBT,4 ON Vs Vs 0 - Vs 0 Vs 0 Vs Vs Gambar 3.3 Hasil Simulasi Inverter Single Phase Full Bridge dengan Penyulut SPWM Pada rangkaian simulasi di atas untuk embangkit metode switching SPWM digantikan dengan rangkaian analog ada simulasi yang ada kenyataannya nanti dibangkitkan secara digital dengan mikrokontroller ATMEGA 16. Pada embuatan inverter, ada realitanya erlu dierhatikan untuk ower suly drive enyulut IGBT harus disirikan. Komonen switching (IGBT) ada inverter harus maat ground siri. Hal ini dimaksudkan untuk menghindarkan hubung singkat antara IGBT 1, IGBT, dan IGBT 3/ IGBT 4 3. Perencanaan Switching SPWM ( Sinusoidal Pulse Width Modulation ) Sinusoidal Pulse Width Modulation dibangkitkan dengan cara membandingkan antara sinyal segitiga dengan sinyal sinus. Pengelomokan sinyal dikerjakan dengan membandingkan sebuah sinyal referensi sinyal sinus, dengan amlitudo gelombang embawa segitiga. Frekuensi sinyal referensi menunjukkan frekuensi dasar tegangan outut. Pada royek akhir ini, gelombang SPWM dibangkitkan melalui mikrokontroller ATMEGA 16. Pada skema switching uniolar tegangan keluaran berubah antara tegangan ositif dan nol, atau antara nol dan tegangan negatif. Untuk menghasilkan suatu bentuk gelombang tegangan keluaran sinusoidal dari frekuensi dan amlitudo variabel, sinyal referensi sinusoidal (Aref) dibandingkan dengan bentuk gelombang segitiga (Atri). Indeks modulasi meruakan erbandingan antara amlitudo maksimum sinus (A r ) dan amlitudo maksimum segitiga (A c ). Indeks modulasi amlitudo (Ma), yang kalikan nilai rms dari tegangan keluaran, ditetakan sebagai M a =A r /A c....(3.) dengan M a = Indeks modulasi Amlitudo A r = Amlitudo maksimum sinus A c = Amlitudo maskimum Segitiga Indeks modulasi yang nilainya antara 0 samai 1 akan menentukan lebar ulsa tegangan rata-rata dalam satu eriode. Prinsi kerja embangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa (Gambar.15) adalah mengatur lebar ulsa mengikuti ola gelombang sinusoida. Frekuensi sinyal referensi menentukan frekuensi keluaran inverter. Untuk mengetahui rasio modulasi frek uensi dari embangkitan SPWM daat dihitung dengan ersamaan 3.3 berikut :...(3.3)

6 Dengan M f = rasio modulasi f c = frekuensi gelombang segitiga f m = frekuensi gelombang sinus Dalam rojek akhir ini dirancang frekuensi gelombang segitiga adalah 1 khz dan frekuensi gelombang sinus antara Hz. Dengan demikian rasio modulasi daat dihitung sebagai beri kut : Unt uk f m = 10 Hz 100 Unt uk f m = 50 Hz 0 Berikut ini embangkitan SPWM dengan rogram matlab untuk frekuensi 50 Hz. Frekuensi sinyal sinusoidal 50 Hz Frekuensi sinyal segitiga 1000 Hz ( 1KHz ) Program : Untuk switching igbt fs=00; t=0:1/fs:1; f1=1; f=0; s1=sin(*i*f1*t); s0=sawtooth(*i*f*t,0.5); s=-sin(*i*f1*t); sublot(4,1,1) lot(t,s1,t,s0,t,s); a=zeros(1,length(t)); for i=1:length(t) if s1(i)>s0(i) a(i)=1 else a(i)=0 sublot(4,1,) lot(t,a); gtext('comare sinus ositif') b=zeros(1,length(t)); for i=1:length(t) if s(i)>s0(i) b(i)=1 else b(i)=0 sublot(4,1,3) lot(t,b); gtext('comare sinus nigatif') c=zeros(1,length(t)); for i=1:length(t) c(i)=a(i)-b(i); sublot(4,1,4) lot(t,c); gtext('hasil SPWM' Dari rogram di atas menghasilkan sinyal komarator antara gelombang sinus dengan gelombang segitiga. Gambar 3.11 menunjukkan sinyal komarator beserta hasilnya. Gambar 3.11 Gambar Hasil Gelombang Perbandingan Antara Sinyal Sinus dan Sinyal Segitiga (SPWM) 4. SENSOR. Sensor Tekanan Udara Pada gambar meruakan bentuk fisik dari sensor tekanan udara. Gambar 3.17 Bentuk fisik sensor tekanan 7 Sensor tekanan udara ini memberikan sinyal ke mikrokontroler untuk membuka atau menutu relay agar katu solenoid (solenoid valve) membuka atau menutu. Berikut meruakan gambar dari rangkaian dari sensor tekanan. Gambar 3.18 Rangkaian dari sensor tekanan udara 8 7 Freescale Semiconductor MPX5500, hal 1 8 Freescale Semiconductor MPX5500, hal 4

7 5. PENGUJIAN DAN ANALISA ALAT 5.1 Power Suly Pengujian ower suly yang terlihat ada Gambar 5.1 akan dierlihatkan hasil gelombang keluaran ower suly ada Gambar 5.. Gambar 5.5 Gelombang outut dari driver enyulutan inverter Gambar 5.1 Power Suly Gambar 5. Gelombang Tegangan Outut Power Suly Tegangan outut ower suly : Volt/div = Volt V eak =,5 div V dc = 5.78Volt Time/div = ms Gambar 5.3. Pengukuran Power Suly Driver Inverter 5. DRIVER INVERTER Pengujian rangkaian driver inverter menggunakan driver IR111 sebagai enyulutan IGBT. Gambar 5.4 meruakan rangkaian dari driver enyulutan inverter menggunakan IR PENGUJIAN INVERTER FULL BRIDGE SATU FASE Tabel 5.1 menunjukkan hasil engukuran tegangan outut inverter dengan beban lamu ijar 60 Watt. Tabel 5.1 Hasil Pengukuran Inverter dengan Beban Lamu Pijar 60 Watt V in_ac V out_ac V in_dc Efisi ensi (%) Ratarata efisie nsi (%) 87. Dro Tegan gan Berdasarkan hasil engukuran inverter dengan beban lamu ijar 60 Watt, diketahui bahwa efisiensi yang aling tinggi yaitu ada tegangan inut 83 Volt, dengan nilai efisiensi sebesar 89,4 % dan efisiensi yang aling rah ditunjukkan ada tegangan inut 4.8 Volt, dengan nilai efisiensi hanya sebesar 81 %. Sedangkan efisiensi rata-rata yaitu sebesar 87. %. Tabel 5. menunjukkan analisa erhitungan tegangan outut inverter satu fase secara teori dengan inut dari tegangan outut rectifier satu fase. Tabel 5. Analisis erhitungan tegangan outut teori dan raktek Gambar 5.4 Rangkaian driver enyulutan inverter Gambar 5.5 menunjukan gelombang keluaran sebagai enyulutan untuk inverter. V in DC hasil raktik V out Hasil raktik AC V out teori AC Persen error (%)

8 Berdasarkan analis di atas daat dibandingkan tegangan outut secara teori dan raktik. Jika dilihat dari ersen error, diketahui bahwa ersen error terbesar yaitu sebesar 7.8 % (V out AC Hasil raktik 0.1 Volt dan V out AC teori 1.8 Volt). Tabel 5.3 menunjukkan hasil engukuran outut inverter dengan beban lamu 100 Watt. Tabel 5.3. Hasil Pengukuran Inverter dengan Beban Lamu Pijar 100 Watt. V inac V outac V indc Arus beban (A) Berdasarkan hasil engukuran inverter dengan beban lamu ijar 100 Watt, daat diketahui bahwa eningkatan arus beban secara linier sebanding dengan eningkatan tegangan inut. Data hasil engisian tekanan udara ada ban karaan daat dilihat ada tabel 5.4 Tabel 5.4 Hasil engisian tekanan udara ada ban karaan Setting oint tekanan (si) Tekanan ada ban karaan (si) 8 9,6 9 30, 30 31,5 31 3,1 3 33, 6. KESIMPULAN Dari hasil analisa eneraan metode enyulutan inverter satu hase ini didaatkan beberaa kesimulan sebagai berikut : 1) Inverter yang telah dibuat memiliki gelombang tegangan outut yang tidak sinusoida sehingga hanya mamu untuk beban linier yaitu lamu ijar 60 Watt, 100 Watt dan Motor 15 Watt. ) Sedangkan untuk roses engisian tekanan ban karaan menjadi lebih efisien disebabkan ada saat roses engisian tekanan ban karaan hanya dilakukan satu kali dan tidak membutuhkan ulangan. 3) Aabila setting tekanan 30 si maka tekanan ada ban adalah 31,5 si. Dieroleh selisih tekanan setting oint dengan tekanan ada ban adalah 1,5 si. 7. DAFTAR PUSTAKA 1. Efi,Zaenal, Elektronika Daya. Materi kuliah, Imam Abadi, Aulia Siti Aisjah, Riftyanto N.S., Alikasi Metode Neuro-Fuzzy Pada Sistem Pengalian Antisurge Komresor. Jurnal Teknik Elektro Vol. 6, No., Setember Ismail, Baharuddin Bin Design and Develoment Of Uniolar SPWM Switching Pulses For Single Phase Full Bridge Inverter Alication. Thesis Master of Science University Sains Malaysia. 4. Rashid, Muhammad H Power Electronics Circuits, Devices, and Alication nd Edition. PT. Prenhallindo. Jakarta.