DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION (SVM) PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN dspic LAPORAN TUGAS AKHIR

Transkripsi

1 DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION (SVM) PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN dspic LAPORAN TUGAS AKHIR Oleh : ARIFIN WIBISONO PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2014

2 PENGESAHAN Laporan Tugas Akhir dengan judul : Desain dan Implementasi Pola Switching Berbasis Space Vector Modulation pada Inverter Tiga Fasa Menggunakan dspic diajukan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro pada Program Studi Teknik Elektro di Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disetujui pada tanggal.2014 dan siap untuk diajukan ke ujian tugas akhir. Semarang,.April 2014 Menyetujui Koordinator Tugas Akhir Pembimbing (Dr. Ir. Slamet Riyadi, MT.) (Dr. Ir. Slamet Riyadi, MT.) Dekan Fakultas Teknik Ketua Program Studi Teknik Elektro (Ir. Budi Setiyadi, MT.) (Dr. Florentinus Budi Setiawan,ST., MT.) ii

3 PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir yang berjudul Desain dan Implementasi Pola Switching Berbasis Space Vector Modulation pada Inverter Tiga Fasa Menggunakan dspic ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka. Apabila di kemudian hari ternyata terbukti bahwa tugas akhir ini sebagian atau seluruhnya merupakan hasil plagiasi, maka saya rela untuk dibatalkan, dengan segala akibat hukumannya sesuai peraturan yang berlaku pada Universitas Katolik Soegijapranata dan/atau perundang-undangan yang berlaku. Semarang,.April 2014 (Arifin Wibisono) NIM: iii

4 ABSTRAK Makalah tugas akhir ini menjelaskan konsep dari teknik modulasi vektor ruang (Space Vector Modulation) untuk menghasilkan pola tabel pensaklaran pada topologi inverter tiga fasa-tiga lengan. Metoda yang digunakan dalam teknik modulasi vektor ruang ini adalah mengambil tiga buah sinyal referensi dalam koordinat a,b,c kemudian dilakukan proses kalkulasi persamaan matematik kedalam koordinat ά-β (Transformasi Clarke). Setelah itu dilakukan proses transformasi ke Magnitude-Angle. Transformasi Magnitude-Angle ini menjadi dasar pada penentuan vektor ruang, duty cycle, dan proses pensaklaran saklar statik. Implementasi nyata perangkat keras dan perangkat lunak dari penelitian tugas akhir ini menggunakan kendali digital dengan pengolah sinyal dspic. Penggunaan dspic mampu memberikan keunggulan pada unjuk kerja yang tinggi (kecepatan eksekusi program, MIPS-Million Instruction Per Second, jumlah bit operasi dan proses sanpling). Selain itu memberikan kemudahan dan kesederhanaan dalam perancangan perangkat keras serta mempunyai fleksibelitas untuk dikembangkan pada sistem kendali yang lehih kompleks. Dalam perancangan algoritma program, menggunakan metode Lookup Table sehingga memberikan efisiensi dan penyederhanaan dalam hal proses komputasi yang ada dan alokasi penggunaan memori. Dari hasil perancangan dan implementasi alat yang telah dilakukan, sistem ini mampu beroperasi dengan unjuk kerja yang cukup baik, pada sisi kontrol maupun sisi daya. Inverter Tiga Fasa dengan Metode Modulasi Vektor Ruang dengan nilai DC Link yang sama mampu menghasilkan amplituda tegangan keluaran yang lebih tinggi dengan tingkat distorsi sinyal yang lebih rendah jika dibandingkan dengan metode Sinusoidal Pulse Width Modulation biasa. Kata Kunci: Space Vector Modulation, dspic, Lookup Table, Transformasi Clarke,Inverter Tiga Fasa. iv

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan segala rahmat dan hidayanya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta laporannya sebagai bagian dari tugas studi mahasiswa Program Sarjana Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan atas dasar kajian, data pengamatan, hasil penelitian implementasi alat secara nyata dan berbagai literatur yang diperoleh selama kuliah di Program Studi S1-Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Pada Kesempatan ini penulis tak lupa mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu selama pengerjaan Tugas Akhir beserta laporannya, yaitu: 1. Tuhan Yang Maha Esa yang selalu melindungi dan memberkati setiap hal yang dilakukan. 2. Bapak dan Ibu yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil. 3. Dr. Ir. Slamet Riyadi, MT. ; selaku dosen pembimbing dalam pelaksanaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini, yang telah banyak memberikan dukungan materil, saran, kritik, dan semangat hingga penyusunan laporan Tugas Akhir. 4. Dr. Florentinus Budi Setiawan, ST., MT. ; selaku dosen wali dan Ketua Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang yang telah memberikan ijin dan fasilitas pelaksanaan Tugas Akhir. 5. Seluruh Dosen, Laboran, dan Karyawan Program Studi Teknik Elektro, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. 6. Seluruh teman Program Studi Teknik Elektro, terutama angkatan 2010 lainnya. v

6 Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang telah membantu dalam pelaksanaan Tugas Akhir dan laporan ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih banyak kekurangannya, diharapkan saran maupun kritik dari berbagai pihak untuk perbaikan di masa yang akan datang. Akhirnya besar harapan penulis bahwa laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di lingkungan Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang dan Indonesia pada umumnya. Semarang, April 2014 Penulis vi

7 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... HALAMAN PENGESAHAN... ABSTRAK... KATA PENGANTAR... DAFTAR ISI... DAFTAR GAMBAR... DAFTAR TABEL... i ii iv v vii ix xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pembatasan Masalah Tujuan dan Manfaat Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan... 5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Studi Pendahuluan Topologi VSI Tiga Fasa-Tiga Lengan Modulasi Vektor Ruang Konsep Vektor Ruang Sintesis Vektor Tegangan Pola Pensaklaran Space Vector Modulation vii

8 BAB II METODOLOGI, DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN dspic 3.1 Proses Desain dan Simulasi Implementasi Perangkat Keras (Hardware) Sistem Kontrol/Kendali Sistem Daya Sistem Catu Daya Implementasi Perangkat Lunak (Software) dan Algoritma dspic Programmer/Debugger C Language Compiler Software/Program Algorithms Design BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Simulasi Power Simulator (PSIM) Pengujian Laboratorium Pengujian Pada Sisi Rangkaian Kontrol Sinyal SVPWM Pengujian Pada Sisi Rangkaian Daya Inverter SVPWM Pembahasan BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN viii

9 DAFTAR GAMBAR Gambar-2.1. Bagan sistem umum inverter mode switching 6 Gambar-2.2. Blok Diagram Hysterisis PWM 7 Gambar-2.3. (a) Proses Hysterisis PWM (b) Switching saklar statik 7 Gambar-2.4. Teknik Modulasi Tiga Fasa Sinusoidal Pulse Width 8 Modulation Gambar-2.5. (a) Sinusoidal Pulse Width Modulation satu fasa (b) Tiga Fasa 9 Gambar-2.6. Over Modulasi 10 Gambar-2.7. (a) Rangkaian 3 rd Harmonics Injection SPWM (b) Proses 11 Modulasi Gambar-2.8. Konfigurasi Inverter Tiga Fasa Tiga Lengan 13 Gambar-2.9. Kemungkinan konfigurasi switching inverter tiga fasa tiga 13 lengan Gambar Vektor tegangan three phase six step inverter pada trayektori 14 Gambar Sinyal gate dan tegangan keluaran three phase six step 15 inverter pada domain waktu (t) Gambar Komponen fundamental dan tegangan antar fasa 15 Gambar (a) Sin-Cos Signal pada domain waktu (b) Trayektori Sin-Cos 16 Gambar Perbandingan tegangan keluaran maksimum pada SVM dan 17 SPWM Gambar Transformasi sumbu-abc ke dalam vektor tegangan sumbu αβ 18 Gambar2.16. Pembentukan vektor dari tegangan fasa abc 19 Gambar Vref pada domain (t) yang digeser dari satu sektor ke sektor 20 Gambar Sintesis vektor tegangan referensi di sektor 1 20 Gambar Waktu sampling dan durasi waktu pensaklaran 21 Gambar Jenis pola pensaklaran SVM pada saat sector-1 23 Gambar-3.1. Diagram blok desain kendali SVM 24 Gambar-3.2. Software simulasi PSIM Ver Gambar-3.3. Pemodelan dan simulasi PSIM desain Digital SVM 26 Gambar-3.4. Realisasi hardware 3 Phase Inverter-SVM 27 ix

10 Gambar-3.5. Blok hardware sistem 28 Gambar-3.6. Layout sistem minimum dspic33fj16gs502 dan buffer 28 dilengkapi regulator tegangan 3,3V Gambar-3.7. Realisasi rangkaian kontrol SVM 29 Gambar-3.8. Konfigurasi pin dspic33fj16gs502 ( Sumber: Microchip 29 Co.Ltd.) Gambar-3.9. Rangkaian daya pada SVM 32 Gambar Desain Target dan layout PCB driver 33 Gambar Driver Power IGBT 33 Gambar Konfigurasi HCPL2531 (Source: QT Electronics Co. Ltd.) 34 Gambar Konfigurasi pin dan desain sistim minimum IR (Source: International Rectifier Cp. Ltd.) Gambar Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D 36 Gambar Konfigurasi pin Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D 37 (Source: Semikron Co. Ltd.) Gambar Dummy load beban resistif-induktif 38 Gambar Multiwinding transformator 39 Gambar Desain linear regulator 40 Gambar dspic programmer/debugger 41 Gambar MikroC PRO for dspic 42 Gambar Flowchart teknik Space Vector Modulation 43 Gambar Flowchart penentuan sektor pada teknik SVM 44 Gambar Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis sektor#1 46 Gambar Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis sektor#1-47 sektor#6 Gambar-4.1. Sinyal referensi Va, Vb, Vc akuisisi Power Simulator 48 Gambar-4.2. Sinyal Vα, Vβ hasil Transformasi Clarke akuisisi Power 48 Simulator Gambar-4.3. Sinyal Magnitude (merah) dan Teta (biru) hasil Transformasi 49 akuisisi Power Simulator x

11 Gambar-4.4. Sinyal SVM (Space Vector Modulation) akuisisi Power 49 Simulator Gambar-4.5. Sinyal SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation) 49 akuisisi Power Simulator Gambar-4.6. Sinyal sinusoida keluaran inverter tiga fasa algoritma Space 50 Vector Modulation akuisisi Power Simulator Gambar-4.7. Sinyal SVM dan SVPWM masing-masing fasa pada sektor#1 51 Gambar-4.8. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#1 52 Gambar-4.9. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#2 52 Gambar Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#3 52 Gambar Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#4 52 Gambar Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#5 53 Gambar Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#6 53 Gambar Sinyal SV-PWM fasa A pada sektor#1 sampai dengan #6 53 Gambar Sinyal SV-PWM fasa B pada sektor#1 sampai dengan #6 54 Gambar Sinyal SV-PWM fasa C pada sektor#1 sampai dengan #6 54 Gambar Sinyal Space Vector tiga fasa pada sektor#1 sampai #6 54 Gambar Visualisasi proses modulasi sinyal Space Vector tiga fasa 55 dengan sinyal carrier gigi gergaji Gambar Pola pensaklaran lengkap SVPWM tiga fasa 55 Gambar Tegangan AC keluaran fasa-fasa inverter dengan beban 56 resistif Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban 56 resistif Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban R-L 57 Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 15 Hz 57 Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 23 Hz 58 Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 35 Hz 58 Gambar Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 50 Hz 58 Gambar Instrument dan proses pengukuran Space Vector Inverter 59 xi

12 DAFTAR TABEL Tabel-1.1. Konfigurasi Switching Three Leg Voltage Source Inverter (VSI) 14 Tabel-3.1. Fitur dan spesifikasi penting pada dspic33f16fj Tabel-3.2. Fitur dan spesifikasi penting pada HCPL Tabel-3.3. Fitur dan spesifikasi penting IR Tabel-3.3. Fitur Penting Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D 37 Tabel-3.4. Nilai sinyal modulasi untuk right aligned sequence 45 xii