TEKNIK PEMBANGKITAN GELOMBANG SINUS PWM UNTUK INVERTER DAYA TIGA FASE

Transkripsi

1 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 TEKNIK PEMBANGKITAN GELOMBANG SINUS PWM UNTUK INVERTER DAYA TIGA FASE Francisca H.C Hari Sutiksno Setya Ardhi Dosen Sekolah Tinggi Teknik Surabaya (STTS Abstrak: Paper ini membahas teknik baru dalam pembangkitan gelombang sinus pada inverter daya tiga fase Pulse Width Modulation (PWM. Teknik ini didasarkan atas bentuk gelombang yang dihasilkan dari respon impuls tak hingga (Infinite Impulse Response dalam sistem orde dua. Gelombang sinus tiga-fase ini merupakan keluaran dari penyelesaian persamaan beda dengan metode rekursif. Algoritma yang sederhana dan singkat ini memungkinkan untuk meningkatkan frekuensi sampling untuk memperkecil harmonisa. Kata kunci: inverter daya tiga fase, PWM, infinite impulse response PENDAHULUAN Inverter daya tiga-fase sinus Pulse-Width Modulation (PWM banyak diaplikasikan sebagai peralatan daya listrik untuk menggerakkan motor-motor tiga fase dengan sumber DC. Metode perpotongan sinus-segitiga diusulkan pertama oleh Schὂnung dan Stimmler pada tahun 964 masih banyak digunakan pada pembangkitan gelombang sinus PWM dengan proses analog yang sangat sederhana. Pembangkitan teknik digital menjadi sangat populer sejak teknologi mikrokontroler menjadi berkembang dalam berbagai aplikasi di segala bidang. Sekalipun teknik Space Vector Modulation (SVM banyak dikembangkan dan diaplikasikan, namun demikian proses pembangkitannya membutuhkan algoritma yang sangat panjang dan kompleks (G. Pfaff, A. Weschta, and A Wick, 984. Pada inverter daya tiga fase yang tunggal, dimana inverter tidak bekerja paralel atau sinkron dengan pembangkit listrik yang lain, dibutuhkan pembangkit gelombang dengan pola sinus tiga fase. Gelombang ini dapat dibentuk dengan menggunakan osilator gelombang analog yang dikonversi melalui ADC(Analog to Digital Converter ke dalam proses digital atau sebuah sebuah matriks data digital yang mewakili gelombang sinus tiga fase Namun demikian metode-metode tersebut membutuhkan ruang penyimpan data (memori yang relatif besar, sedangkan memori yang tersedia untuk periode sampling yang sempit menuntut proses yang singkat dan memori yang sekecil mungkin (H. W. Van der Broeck, H. CH. Skudelny, and G. Stanke, 988. Paper ini mengusulkan sebuah metode untuk pembangkitan gelombang sinus PWM metode sinus-segitiga melalui dengan menggunakan proses digital. Metode ini merupakan sebuah algoritma dengan metode infinite impulse recursive (IIR dan membutuhkan memori yang kecil untuk pembangkitan gelombang sinus. 75

2 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 INVERTER DAYA TIGA FASE SINUS PWM Topologi inverter daya tiga-fase (S. Ogasawara, H. Agaki, and A. Nabae, 989, J W Kolar, H Ertl, F C Zach, 99, dan A M Trzynadlowski and S Legowski, Jan 994 yang dibahas dalam makalah ini adalah inverter dengan tiga lengan seperti terlihat pada gambar. Rangkaian ini terdiri atas 6 transistor yang berfungsi sebagai saklar elektronik. Setiap pasang transistor terdiri dari buah, dimana jika salah satu transistor dalam posisi ON, maka pasangannya dalam posisi OFF atau sebaliknya. Gambar. Topologi Inverter Daya Tiga Fase berlengan tiga Posisi ON dan OFF transistor-transistor tersebut dikontrol oleh pembangkit gelombang sinus PWM melalui rangkaian driver transistor. Keluaran mikrokontroler tidak mampu men-drive transistor-transistor tersebut. Untuk itu diperlukan rangkaian driver agar dihasilkan sinyal yang mampu men-drive transistor. MICROCONTROLL ER Gambar. Pembangkit Sinyal Sinus PWM Prinsip pembangkitan gelombang sinus PWM dengan teknik perpotongan gelombang sinus dan segitiga adalah sebagaimana terlihat pada gambar 3, yang terdiri atas pembangkit gelombang sinus dengan frekuensi 50Hz dan gelombang segitiga dengan frekuensi yang jauh lebih besar daripada frekuensi gelombang sinus., dan sebuah komparator. Jika sinyal sesaat S(t lebuh besar daripada X(t, maka keluarannya adalah 76

3 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 (high, dan jika sebaliknya (S(t lebih kecil X(t, maka keluaran komparator adalah 0 (low. Pada inverter daya dengan rangkaian kontrol analog, gelombang sinus maupun gelombang segitiga dapat dibangkitkan dari rangkaian opamp yang disebut osilator. Pada inverter daya dengan rangkaian kontrol menggunakan mikrokontroler, gelombang sinus dibangkitkan dengan menggunakan sederetan data yang membentuk pola gelombang sinus yang tersedia di dalam memori. Gelombang segitiga dibangkitkan di dalam mikrokontroler yang berupa sebuah counter yang tersedia didalamnya. Gelombang acuan untuk pembangkitan tegangan sinusoidal PWM 3 fase adalah sebagai berikut: v ( t V sin( t a v ( t V b v ( t V c m m m sin( t 0 sin( t Gambar 3. Pembangkitan Gelombang Sinus PWM PEMBANGKITAN GELOMBANG SINUS TIGA FASE Algoritma metode pembangkitan gelombang sinus yang diusulkan dalam paper ini didasarkan pada hubungan transformasi-z dari fungsi cosinus dan sinus dalam sistem waktu diskrit (K. Ogata, 995 berikut: z( z Z[cos kt] ( z z z sin T Z[sin kt] ( z z dimana ω adalah kecepatan sudut (rad/sec, T adalah periode sampling (sec Gelombang cos ωkt dapat diperoleh dari persamaan ( sebagai berikut: Y ( z( z z z( z X ( z Jika Y ( z( z z ( z Y( z y ( k y (( y (( k x( k x(( K dan K sin T, maka : y k K y (( y (( k x( k K x(( (3 ( T 77

4 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 dimana untuk k 0 x ( k 0 untuk x 0 Dari persamaan (3, gelombang cosinus y dapat diwujudkan dengan menggunakan diagram gambar 4. Gambar 4. Gelombang y = cosωkt Gelombang sin ωkt dapat diperoleh dari persamaan ( sebagai berikut: Y ( z( z z z sin TX( z Y ( z( z z y ( k y z (( y sin TX( z (( k sin Tx(( Jika K dan K sin T, maka : y( k Ky(( y(( k Kx(( (4 Gambar 5 menunjukkan diagram proses pembentukan gelombang sinus y. Gambar 5. Gelombang y = sin(ωk 78

5 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 Algoritma pembangkitan gelombang sin(ωkt-0 0 dan cos(ωkt+0 0 dapat diturunkan sebagai berikut: dan 0 3 Z[sin( kt 0 ] Z[ sin( k cos( k] (5 0 3 Z[sin( kt 0 ] Z[ sin( k cos( k] (6 Gambar 6 merupakan diagram pembentukan gelombang sinus diskrit.3 fase. Gambar 6. Pembangkitan Gelombang Sinus 3 Fase Nilai cos(w dan sin(w merupakan konstanta yang dihitung melalui deret Maclaurin sebagai berikut: 4 6 x x x cos( x... ( x x sin( x x... (

6 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 Karena nilai x=ωt adalah nilai yang sangat kecil, maka deret cos(ω dan sin(ω dapat disederhanakan sebagai: ( T cos( T (9 sin( T T (0 Dengan demikian diperoleh bahwa nilai-nilai K f T ( K ft ( Diagram alir pembentukan gelombang sinus dinyatakan sebagaimana terlihat pada gambar 7. Dalam diagramn tersebut, beberapa variabel diturunkan sebagai berikut: X x( k dan X x(( Y y( k, V y((, dan W y(( k Y y ( k, V y((, dan W y(( k Proses ini dalam wujud yang nyata adalah proses yang berupa program yang bekerja dalam mikrokontroler. Gambar 7. Diagram Alir Proses Pembangkitan Gelombang 80

7 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 Selanjutnya gelombang sinus PWM 3 fase, diperoleh dengan menggunakan komparator sebagaimana terlihat pada gambar 8. Gambar 8. Pembangkitan Sinyal kontrol HASIL SIMULASI Berikut ini disimulasikan pembangkitan gelombang sinus untuk inverter 3 fase dengan frekuensi keluaran 50Hz dan frekuensi sampling 00kHz. Gelombang yang dihasilkan pada gambar 9 adalah gelombang: 0 0 va ( t Vm sin( t, vb ( t Vm sin( t 0, vc ( t Vm sin( t 0 yang ditampilkan satu periode (0 msec. - Gambar 9. Gelombang Sinus 3 Fase Hasil Simulasi 8

8 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 (a Gelombang segitiga (b Sinus PWM fase a (c Sinus PWM fase b (d Sinus PWM fase c Gambar 0. Bentuk Gelombang Segitiga dengan frekuensi 00kHz dengan simpangan - sd. KESIMPULAN Dari hasil simulasi terlihat bahwa gelombang sinus tiga-fase untuk pembangkitan tegangan pada rangkaian inverter daya dibangun dengan algoritma yang sederhana, yaitu hanya mengandung elemen-elemen penjumlahan dan pengurangan, perkalian dan elemen penunda (delay. Pembentukan gelombang dengan menggunakan metode rekursif, sehingga ruang (space digunakan untuk pembentukan menjadi lebih kecil Dengan demikian sisa ruang yang ada dapat digunakan untuk proses pengendalian yang lain, atau untuk meningkatkan frekuensi sampling. 8

9 SEMINAR NASIONAL PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO 03 DAFTAR PUSTAKA A. Schonung and H Stemmler, Sept Static frequency changers with subharmonic control in conjunction with reversible speed ac drives, Brown Boveri Rev., vol no 5, nos. 8/9, pp G. Pfaff, A. Weschta, and A Wick, 984, Design and experimental results of a brushless ac servo drive, IEEE Transactions on Industrial Applications, IA-0, pp H. W. Van der Broeck, H. Ch. Skudelny, and G. Stanke, 988, Analysis and realization of a pulse width modulator based on voltage source space vectors, IEEE Transactions on Industrial Applications, vol 4, pp S. Ogasawara, H. Agaki, and A. Nabae, 989 A novel PWM scheme of voltage source inverter based on space vector theory, Conference record European Power Electronics Conf., pp J.W. Kolar, H Ertl, F.C Zach, 99, Influence of modulation method on the conduction and switching losses of a PWM Converter system, IEEE Transactions on Industrial Applications, vol 7, pp ,. A.M. Trzynadlowski and S Legowski, Jan 994, Minimum- Loss Vector Strategy for Three Phase Inverters, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 9, pp K. Tanniguchi,Y Ogino and H Irie, July 988, PWM Technique for Power Mosfet Inverter, IEEE Transactions on Power Electronics, vol 3, pp ,. K. Ogata, 995. Discrete Time Control Systems, Prentice Hall, nd Edition, 83