DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA

Transkripsi

1 DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA LAPORAN TUGAS AKHIR Oleh : F. DIAN FAJAR WALUYO PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2016

2 LEMBAR PENGESAHAN Laporan Tugas Akhir dengan judul DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA 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... November Semarang,... November 2016 Pembimbing Menyetujui, Koordinator Tugas Akhir Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT Dekan Fakultas Teknik Mengetahui, Ketua Progdi Teknik Elektro Ir. Drs. Djoko Setijowarno, MT., IPM Dr. Ir. Florentius Budi Setiawan, MT., IPM ii

3 PERNYATAAN KEASLIAN LAPORAN TUGAS AKHIR (SKRIPSI) Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir yang berjudul DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA 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,... November 2016 ( F. Dian Fajar Waluyo ) NIM : iii

4 ABSTRAK Indonesia merupakan negara agraris di mana sebagian besar penduduknya bermata pencaharian di bidang pertanian. Oleh karena itu pertanian merupakan salah satu sektor perekonomian Indonesia. Akan tetapi pekerjaan ini sudah banyak ditinggalkan karena terkendala sistem perairan yang kurang mendukung. Ini disebabkan oleh sumber air yang terbatas, ataupun sistem irigrasi yang letaknya lebih rendah dari daerah persawahan. Untuk mengalirkan air dari sumber air atau sistem irigrasi menuju persawahan yang letaknya lebih tinggi, petani biasanya menggunakan pompa air. Di mana pompa air yang sering digunakan adalah pompa air diesel karena di persawahan belum terjangkau listrik PLN. Padahal pompa air diesel menggunakan bahan bakar minyak yang harganya sangat mahal dan juga jumlahnya terbatas. Oleh karena itu pada laporan tugas akhir ini mengkaji tentang Pompa Air Brushless DC (BLDC) Tenaga Surya. Tugas akhir yang dibuat menggunakan pompa air rumah tangga yang dimodifikasi dari motor kapasitor menjadi motor BLDC. Driver yang digunakan untuk memutar motor BLDC berupa inverter tiga fasa. Di mana driver ini juga berperan sekaligus sebagai Maximum Power Point Tracker (MPPT). Suatu model analisis dan simulasi dilakukan menggunakan software Power Simulator. Dan Implementasi menggunakan mikrokontrol dspic30f4012. Dan sebagai tahap akhir dilakukan uji coba menggunakan 3 panel surya untuk menggerakan pompa air BLDC. Kata Kunci: Pompa Air, motor BLDC, Tenaga Surya, MPPT, Panel Surya. iv

5 KATA PENGANTAR Puji dan Syukur penulis haturkan kepada Allah Bapa yang ada di Surga, Tuhan Yesus dan Ibu Maria, karena atas berkat, rahmat dan mukjizat-nya yang senantiasa menyertai penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta Laporan Tugas Akhir yang berjudul DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA. Tugas akhir beserta laporan ini sebagai tugas penulis untuk menyelesaikan perkuliahan di Program Studi S1 Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata. Dalam proses pembuatan tugas akhir dan penyusunan laporan, penulis mendapat bimbingan dan support dari berbagai pihak baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Pada kesempatan kali ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang kepada : 1. Tuhan Yesus Kristus yang senantiasa memberi rahmat, berkat, kemudahan dan kelancaran pelaksanaan Tugas Akhir dan penyusunan laporan. 2. Orang tua, kakak dan adik penulis yang selalu memberi semangat dan dukungan baik secara moril maupun materiil kepada penulis. 3. Bapak Dr. Ign. Slamet Riyadi, MT. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir, yang telah membimbing dalam pelaksanaan Tugas Akhir ini dan yang memberikan saran, kritik, dan semangat serta subsidi komponen kepada penulis. 4. Bapak Dr. Ir. Djoko Setijowarno, MT., IPM. selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. v

6 5. Bapak Ir. Dr. Florentinus Budi Setiawan, MT., IPM. selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro, yang telah memfasilitasi laboratoruim dan perlengkapannya. 6. Seluruh Dosen dan Karyawan Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, terutama Bapak Juang. 7. Bapak Alfon yang telah mengurus KRS saya dengan sepenuh hati. 8. Mas Enggar yang telah membantu terutama pada mekanik pompa air. 9. Teman-teman seperjuangan yaitu teman-teman elektro angkatan 2012 terimakasih sudah menemani dan saling berdinamika bersama selama kuliah. 10. Teman-teman Elektro angkatan 2009, 2010, 2011 dan 2013 terima kasih atas doa dan dukungannya. 11. Teman-teman Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata. 12. Teman-teman fakultas yang lain yang turut mendukung saya. 13. Gisela Evanti Andriani yang senantiasa telah mendampingi, mendukung dan menghibur penulis dalam proses pelaksanaan maupun penyusunan Tugas Akhir. 14. Teman-teman Tutor di Rumah Belajar GoBook yang selalu memberi saran dan kritikan dan dukungan dalam proses pembuatan laporan skripsi ini. 15. Semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir beserta laporannya yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih banyak kekurangan, maka penulis dengan rendah hati mengharapkan saran maupun kritik dari berbagai pihak untuk perbaikan dan perkembangan kedepannya. Penulis juga ingin menyampaikan vi

7 permohonan maaf apabila terdapat hal-hal yang kurang berkenan dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini. Besar harapan penulis semoga laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan Iptek di lingkungan kampus, masyarakat dan negara. Semarang,... November 2016 F. Dian Fajar Waluyo vii

8 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN PERNYATAAN KEASLIAN LAPORAN TUGAS AKHIR ABSTRAK KATA PENGANTAR DAFTAR ISI DAFTAR GAMBAR DAFTAR TABEL i ii iii iv v viii xii xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Perumusan Masalah Pembatasan Masalah Tujuan dan Manfaat Metodologi Penelitian Sistematika Penulisan 5 BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1. Pendahuluan Motor BLDC Konstruksi Motor BLDC Prinsip Kerja Motor BLDC 13 viii

9 Sensor Hall Effect Inverter Tiga Fasa IGBT Model CPV364M4F Photovoltaic Mikrokontroler dspic30f Driver IC Opotocoupler HCPL IC Three Phase Bridge Driver IR Catu Daya Switching Push Pull 28 BAB III RANCANGAN DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA Pendahuluan Pompa Air BLDC Stator Pompa Air BLDC Rotor Pompa Air BLDC Sensor Hall Effect MPPT Perturb and Observe ( PO ) Sensor Sensor Tegangan Sensor Arus Rangkaian Driver Blok Kontrol 45 ix

10 Alogaritma Pemrograman dspic30f BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA 4.1. Pendahuluan Hasil Simulasi Pada Software PSIM Hasil Pengujian Labolatorium Pengujian Pompa Air BLDC dengan 59 Magnet Permanen Sedang Sumber Menggunakan Catu Daya Hasil Pengujian Ketika Tanpa 59 PWM Hasil Pengujian Ketika PWM 63 Jenis Hasil Pengujian Ketika PWM 67 Jenis Hasil Pengujian Pompa Air BLDC Magnet 71 Permanen Sedang Sumber dari Panel Surya Hasil Pengujian Menggunakan 72 Mode Potensio Hasil Pengujian Menggunakan 75 Mode MPPT Pengujian Pompa Air BLDC dengan 77 Magnet Permanen Kuat Sumber dari Panel Surya x

11 4.4. Pembahasan 80 BAB V PENUTUP 5.1. Kesimpulan Saran 83 DAFTAR PUSTAKA 84 LAMPIRAN 85 xi

12 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Motor BLDC 9 Gambar 2.2. Stator Motor BLDC 10 Gambar 2.3. Rangkaian ekuivalen stator motor BLDC 10 Gambar 2.4. Kurva karakteristik torka motor BLDC 12 Gambar 2.5. Rotor Motor BLDC 13 Gambar 2.6. Magnet permanen pada rotor dan elektromagnet pada stator (a) untuk menghasilkan putaran berlawanan arah jarum jam (b) untuk menghasilkan putaran searah jarum jam 14 Gambar 2.7. Sensor Hall Effect 14 Gambar 2.8. Gambar 2.9. Sinyal keluaran hall effect sensor terhadap kutub magnet Sinyal keluaran hall effect sensor terhadap posisi rotor Gambar Inverter tiga fasa 17 Gambar Gambar 2.12 (a) IGBT model CPV364M4F (b) Konfigurasi CPV364M4F Proses konversi energi matahari pada photovoltaic Gambar Rangkaian ekuivalen photovoltaic 21 xii

13 Gambar Kurva Karakteristik Photovoltaic (a) Daya terhadap tegangan (b) Arus terhadap tegangan 22 Gambar 2.15 Konfigurasi pin dspic30f Gambar Konfigurasi pin HCPL Gambar Konfigurasi pin IR Gambar Rangkaian Push Pull (a) Full Bridge (b) Half Bridge 29 Gambar 3.1. Diagram blok system 31 Gambar 3.2. Stator pada motor BLDC 33 Gambar 3.3. Bentuk lilitan pada stator 33 Gambar 3.4. (a) Hubungan Lilitan antar kutub (b) Rangkaian ekuivalen 34 Gambar 3.5. Hubungan bintang antar fasa 35 Gambar 3.6. Rotor motor BLDC 36 Gambar 3.7. Posisi sensor Hall Effect 37 Gambar 3.8. Kurva Kendali Perturb and Observe 38 Gambar 3.9. Sensor tegangan 40 Gambar Skema blok sensor tegangan 41 Gambar Skema blok sensor arus 42 Gambar Blok driver 43 Gambar Fungsi pin IR Gambar Gelombang hasil pesaklaran pada inverter 45 xiii

14 Gambar Skema sistem minimum dspic30f4012 dan buffer 46 Gambar Flowchart Pemrograman 50 Gambar 4.1. Skema simulasi menggunakan Power Simulator 52 Gambar 4.2. Sinyal hall effect 55 Gambar 4.3. PWM keluaran C Block 55 Gambar 4.4 Arus Motor BLDC 56 Gambar 4.5. Pmax dan PPV 57 Gambar 4.6. Rangkaian Implementasi Alat 58 Gambar 4.7 Gelombang arus dari catu daya (d = 1, 59 Gambar 4.8. Gambar 4.9. Gambar Gambar Gambar skala 5ms/div, 5A/div) Output Mikrokontrol (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5 Gelombang tegangan dan arus per fasa skala (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic Gelombang Van,Vbn,Vcn dalam satu screen (skala 5ms/div, 20V/div) Gelombang tegangan antar fasa (skala 5ms/div, 50V/div) Kecepatan pompa air Bldc sumber catu daya (d=1) xiv

15 Gambar Gambar Gambar Output Mikrokontrol PWM jenis 1 (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5 (skala 5ms/div, 5V/div) Gelombang tegangan dan arus per fasa PWM jenis 1 (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic Gelombang Van,Vbn,Vcn dalam satu screen PWM jenis 1 (skala 5ms/div, 50V/div) Gambar Tegangan antar fasa PWM1 PWM jenis 1 66 Gambar Gambar Gambar Gambar (skala 5ms/div, 50V/div) Kecepatan Pompa Air Bldc Sumber Catu Daya duty1 Output Mikrokontrol PWM jenis 2 (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5 (skala 5ms/div, 5V/div) Gelombang tegangan dan arus per fasa PWM jenis 2 (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic Gelombang tegangan dan arus PWM jenis 2 (skala 5ms/div, 50V/div (a) xv

16 Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Van,Vbn,Vcn dalam satu screen (b) Tegangan antar fasa Kecepatan pompa air Bldc sumber catu daya duty2 Gelombang Ia dan RE0 mode potensio (skala 5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Gelombang Ia dan RE0 mode potensio (skala 500us/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) (a) Gelombang Ipv dan RE0 (skala 5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) (b) Gelombang Ipv dan RE0 diperbesar (skala 500us/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Hasil pengukuran tegangan dan arus PV (mode potensio) Kecepatan pompa air BLDC dan debit airnya (mode potensio) Ia dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Ia dan RE0 (skala 1ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Gelombang Ipv dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) xvi

17 Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Gambar Hasil Pengukuran tegangan dan arus PV (mode MPPT) Kecepatan pompa air BLDC dan debit airnya (mode MPPT) (a) Gelombang Ia dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) (b) Gelombang Ia dan RE0 diperbesar (skala 1ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Gelombang Ipv dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) Hasil pengukuran tegangan dan arus PV (magnet kuat) Kecepatan pompa air BLDC 2 dan debit airnya xvii

18 DAFTAR TABEL Tabel 2.1. Konfigurasi pensaklaran inverter tiga fasa 17 Tabel 2.2. Spesifikasi dspic30f Tabel 3.1. Pembacaan Hall Effect dan pensaklaran 44 Tabel 4.1. Parameter komponen pada simulasi 53 Tabel 4.2 Parameter Komponen Pada Implementasi 58 xviii