BAB III METODE PENELITIAN

Transkripsi

1 2 BAB III METODE PENELITIAN Pada skripsi ini metode penelitian yang digunakan adalah eksperimen (uji coba). Tujuan yang ingin dicapai adalah membuat suatu alat yang dapat mengkonversi tegangan DC ke AC. Penelitian eksperimen ini dimulai dengan perancangan sistem perangkat keras (hardware) pada alat ini. 3.1 Diagram Blok Alat Inverter memerlukan sumber tegangan DC sebagai suplai tegangannya. Karena inverter merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi tegangan DC ke tegangan AC. Berdasarkan hasil studi pustaka, pola penyaklaran yang digunakan pada alat ini adalah rangkaian Sinusoidal PWM. Hal ini dipilih karena pola penyaklaran sinusoidal PWM dapat mengatur besarnya tegangan dan frekuensi output yang dihasilkan oleh inverter. Pada rangkaian sinusoidal PWM terdapat pembangkit gelombang segitiga dan pembangkit gelombang sinusoidal. Untuk menghasilkan gelombang output kotak maka perlu adanya perbandingan oleh komparator. Sehingga rangkaian sinusoidal PWM menghasilkan gelombang kotak yang selanjutnya digunakan sebagai pengatur pensaklaran MOSFET pada inverter ini. Rangkaian inverter yang akan dirancang menggunakan topologi VSI. Pada topologi ini terdapat enam buah MOSFET yang pada masing-masing leg terdapat dua buah MOSFET. MOSFET pada rangkaian inverter ini berfungsi sebagai saklar. Pada rangkaian inverter, gelombang output yang dihasilkan berbentuk quasi-sinusoidal yang didalamnya masih terdapat kandungan harmonisa yang cukup tinggi sehingga memerlukan filter pasif low-pass untuk mengurangi kandungan harmonisanya. dampak dari pemasangan filter pasif low-pass pada sisi output adalah gelombang output berbentuk sinusoidal murni yang artinya kandungan harmonisa dari gelombang output inverter sudah berkurang. Untuk mengetahui kinerja inverter apakah sudah baik atau belum maka dipasang beban berupa motor induksi tiga fasa. Pemasangan beban ini bertujuan untuk mengetahui regulasi tegangan yang dihasilkan oleh inverter yang telah dirancang.

2 3 Sumber DC Inverter 3 Fasa Filter Pasif Low - Pass Beban Rangkaian SPWM Gambar 3.1 Diagram blok sistem 3.2 Spesifikasi Inverter Tiga Fasa Spesifikasi inverter yang akan dirancang dapat dijadikan sebagai acuan untuk membuat inverter kedalam bentuk hardware. Sumber tegangan yang digunakan untuk mencatu inverter berasal dari sumber tegangan DC. Inverter yang akan dirancang memiliki spesifikasi daya output dan tegangan output sebesar 1000 VA dan 380 Volt line to line. Bentuk gelombang yang dihasilkan oleh inverter ini berupa sinusoidal murni (pure sine wave). Diharapkan efisiensi yang dihasilkan oleh inverter yang dirancang mencapai 90% dan THD yang timbul sebesar < 5%. Dengan pertimbangan bahwa beban yang digunakan adalah motor induksi tiga fasa. Tabel 3.1 Spesifikasi Perancangan Inverter Tiga Fasa Nama Tegangan Daya Semu Bentuk Gelombang Keterangan 380 Volt line to line 1000 VA Sinuoidal Murni (pure sine wave) THD <5% Efisiensi 90% Ukuran (187,96 x 107,95) mm

3 3.3 Diagram Alir (flowchart) Perancangan Sistem Pembuatan alat ini diawali dengan melakukan perancangan rangkaian. Perancangan rangkaian yang dimaksud adalah merancang sistem hardware. Setelah proses perancangan selesai, maka langkah selanjutnya adalah pembelian komponen yang diperlukan untuk membuat sistem hardware. Setelah semua komponen yang dibutuhkan dibeli, kemudian rangkai komponen-komponen tersebut sesuai dengan rangkaian yang telah dirancang. Apabila rangkaian telah berjalan dengan baik dan sudah sesuai dengan yang diharapkan maka tahap selanjutnya yang dilakukan adalah pembuatan layout PCB. Layout PCB dibuat dengan menggunakan software Eagle Setelah PCB selesai dibuat, maka langkah yang ditempuh adalah melakukan pengecekan jalur terlebih dahulu agar tidak terjadi hubung singkat atau antar jalur pada PCB tidak terhubung. Apabila pengecekan jalur sudah selesai dilakukan dan sudah dipastikan bahwa jalur yang telah dibuat sudah sesuai dengan perancangan, maka langkah selanjutnya adalah pemasangan komponen pada PCB. Tahap selanjutnya pengetesan kinerja alat. Setelah pengetesan selesai, tahap selanjutnya yang dilakukan adalah analisis. Tujuan dari analisis adalah untuk mengetahui spesifikasi dan kekurangan dari alat yang sudah dibuat.

4 5 Start Studi Literatur Berdasarkan implementasi lapangan Perencangan Rangkaian Pengecekan Rangkaian Analisis Pensaklaran A Pembuatan Layout PCB Pencetakan PCB Pengecekan jalur PCB Simulasi Rangkaian (PSIM 9.0) Tidak Apakah sudah dapat digunakan? Tidak Tidak Apakah sudah berfungsi? Perancangan Alat Apakah sudah sesuai? A Ya Ya Ya Pengujian Alat Hasil pengujian Analisis Alat Kesimpulan Selesai Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan inverter 3. Deskripsi Kerja Alat Deskripsi alat digunakan sebagai acuan dari perancangan alat yang dibuat agar dalam perencanaan terarah dan sesuai dengan tujuan penelitian. Secara umum prinsip kerja dari inverter adalah untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Pada inverter yang dibuat, pola penyaklaran yang digunakan menggunakan rangkaian Sisnusoidal PWM. Rangkaian Sinusoidal PWM terdiri dari dua sinyal masukan yaitu sinyal referensi berupa sinyal sinusoidal dan sinyal carrier berupa sinyal segitiga serta output yang dihasilkan oleh rangkaian Sinusoidal PWM berupa sinyal kotak. Sinyal kotak diperoleh dari perbandingan antara sinyal sinusoidal dan sinyal segitiga. Rangkaian Sinusoidal PWM berfungsi sebagai pengatur pola penyaklaran agar ketika saklar ON tidak memerlukan

5 6 pengaturan secara manual. Pada alat yang dirancang ini, saklar yang digunakan adalah MOSFET. Pemilihan MOSFET sebagai saklar didasarkan pada frekuensi penyaklaran yang cukup tinggi. Semakin tinggi frekuensi penyaklaran maka tegangan yang dihasilkan oleh inverter akan semakin mendekati sinusoidal. Gambar 3.3 Rangkaian inverter dengan pola penyaklaran Sinusoidal PWM Tabel 3.2 Keterangan gambar rangkaian inverter No Komponen Keterangan 1 Sumber DC 2 MOSFET 3 Sumber AC

6 7 Sumber Segitiga 5 On off controller 6 Gerbang NOT 7 Volt meter 8 Resistor 9 Komparator Dari gambar 3.3 diatas dapat dijelaskan bahwa tahapan kerja dari inverter sebagai berikut: 1. Ketika power supply DC on maka arus akan mengalir ke komponen MOSFET. 2. Ketika power supply DC on, power supply pada rangkaian Sinusoidal PWM juga akan on. Sehingga osilator segitiga dan osilator sinusoidal akan bekerja menghasilkan sinyal referensi dan sinyal carrier. Kedua sinyal yang dihasilkan dari osilator akan dibandingkan dan menghasikan sinyal kotak yang berfungsi sebagai pola penyaklaran MOSFET. 3. Dalam waktu yang telah ditentukan sesuai dengan sinyal kotak yang dihasilkan dari perbandingan dua buah osilator, MOSFET akan bekerja untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.. Pada masing masing leg inverter terdapat dua buah MOSFET, yang mana ketika setiap keadaan positif, negatif atau nol terdapat satu buah MOSFET yang on. Sehingga gelombang output inverter berbentuk quasi sinusoidal.

7 8 3.5 Pembuatan Perangkat Keras (Hardware) Pembuatan layout perangkat keras pada alat ini menggunakan bantuan software Eagle 7.. Hardware terdiri dari dua buah rangkaian, diantaranya rangkaian inverter dan rangkaian sinusoidal PWM Rangkaian Sinusoidal PWM Rangkaian sinusoidal PWM terdiri dari dua buah osilator. Osilatorosilator tersebut adalah osilator segitiga dan osilator sinusoidal. Osilator segitiga berfungsi untuk menghasilkan sinyal carrier berupa sinyal segitiga dan osilator sinusoidal yang berfungsi untuk menghasilkan sinyal referensi berupa sinyal sinusoidal. C1 1nF XSC1 5 U1B 7 R 10 U1C Ext Trig R1 6 LM38N R Ω 150 Ω 9 LM38N 8 3 U1A A B R5 R7 R3 150 Ω LM38N U1D 1 R MΩ U2A 1 LM38N R8 330 Ω C2 5 6 U2B 7 LM38N R9 330 Ω LM38N R C5 330 Ω 1 U2D 13 R10 12 C LM38N 330 Ω 8 U2C 9 10 C3 LM38N Gambar 3. Rangkaian Sinusoidal PWM Rangkaian Osilator Segitiga Rangkaian osilator segitiga tersusun atas komponen resistor, kapasitor dan op amp. Untuk membangkitkan sinyal segitiga diperlukan dua buah op amp serta komponen resistor dan kapasitor. Osilator segitiga digunakan sebagai pembangkit sinyal carrier yang berfungsi untuk mengatur frekuensi penyalaan MOSFET pada inverter.

8 9 Rangkaian ini menggunakan IC LM38 yang memiliki 1 pin dengan supply tegangan V cc sebesar 9 V dan V cc- sebesar 0 V. Tegangan referensi untuk op amp sebesar.5 V. Pada IC LM38 didalamnya terdapat empat buah op amp. Osilator segitiga menggunakan dua buah op amp yang terdapat pada IC LM38. Pin yang digunakan untuk membuat osilator segitiga dari IC LM38 diantaranya, pin 5 yang merupakan input positif, pin 6 untuk input negatif dan pin 7 sebagai output pada op amp pertama osilator segitiga. Op amp kedua menggunakan pin 10 yang merupakan input positif, pin 9 untuk input negatif dan pin 8 sebagai output. Dengan menggunakan persamaan (2.6), jika nilai R f, R 1 dan C sebesar 100KΩ, 7KΩ dan 100 nf dengan rentang frekuensi dari Hz sampai Hz maka nilai R yang diperlukan sebesar 1.063Ω. (2.6) Karena nilai R yang diperoleh dari perhitungan sebesar 1.063Ω, maka penulis memilih nilai R sebesar 1.000Ω. Resistor yang digunakan adalah potensiometer karena nilai R dapat diatur sedemikian rupa sehingga nilai frekuensi pada osilator segitiga dapat berubah sesuai dengan nilai R pada potensiometer.

9 50 C1 R5 R R2 U1 6 R1 150 Ω LM71CH 3 2 1nF U2 6 LM71CH A XSC1 Ext Trig B R Ω 150 Ω Gambar 3.5 Rangkaian osilator segitiga Rangkaian Osilator Sinusoidal Rangkaian osilator sinusoidal terdiri dari empat buah op amp, resistor dan kapasitor. Agar sinyal sinusoidal yang dihasilkan memiliki amplitudo yang besar dengan nilai harmonisa yang kecil maka diperlukan empat buah op amp untuk membangkitkannya. Rangkaian osilator sinusoidal ini menggunakan IC LM38 sebagai pembangkit sinyal referensi pada PWM. IC LM38 memiliki 1 pin dengan supply tegangan V cc sebesar 9 V dan V cc- sebesar 0 V. Tegangan referensi yang digunakan op amp sebesar.5 V. Pada tegangan referensi diperoleh dari rangkaian pembagi tegangan 9 V. XSC1 R1 R2 R6 3 2 R7 1.5MΩ U2A 1 LM38N R8 330 Ω 5 C2 6 U2B R Ω LM38N A B Ext Trig R C5 330 Ω 1 U2D 13 R10 12 C LM38N 330 Ω 8 U2C 9 10 C3 LM38N Gambar 3.6 Rangkaian osilator sinusoidal Pada IC LM38, pin bagian input positif terdiri dari pin 3, 5, 10 dan 12 sedangkan untuk input negatif terdiri dari pin 2, 6, 9 dan 13 serta pin untuk output terdiri dari pin 1, 7, 8 dan 1.

10 51 Untuk menentukan nilai R pada filter RC bisa dihitung dengan menggunakan persamaan (2.12). Jika nilai C yang digunakan sebesar 10 uf, maka nialai R yang diperlukan sebesar 318,30 Ω. (2.12) Karena nilai R yang diperoleh dari perhitungan sebesar 318,30 Ω, maka penulis memilih nilai R sebesar 330 Ω. Sinyal keluaran yang diperoleh dari osilator sinusoidal dapat berupa sinus murni dengan amplitudo yang besar. Semakin tinggi tahapan filter yang digunakan maka semakin bagus gelombang yang dihasilkan oleh osilator sinusoidal ini Rangkaian Komparator Rangkaian komparator berfungsi untuk membandingkan sinyal referensi dan sinyal carrier. Sinyal yang dihasilkan dari komparator adalah sinyal kotak. Sinyal kotak tersebut digunakan untuk men-drive MOSFET sehingga MOSFET menyala. Gambar 3.7 Rangkaian komparator

11 Rangkaian Driver MOSFET Rangkaian MOSFET driver ini digunakan untuk men-drive MOSFET agar dapat konduksi. Rangkaian ini menggunakan IC IR20 dengan suplai tegangan yang digunakan untuk V cc sebesar 10 Volt dan V cc- sebesar 0 Volt. Gambar 3.8 Rangkaian driver MOSFET Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh rangkaian driver MOSFET pada gambar 3.8 sebesar 9 Volt dan tegangan minimum sebesar 1.1 Volt. Berdasarkan datasheet MOSFET tipe IRFP60, tegangan threshold (V GS(TH) ) MOSFET berada diantara 2- Volt. Sehingga dapat disimpulkan bahwa arus akan mengalir pada MOSFET ketika tegangan drain ke source yang berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 9 Volt dan MOSFET tidak aktif ketika tegangan drain ke source yang berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 1.1 Volt Rangkaian MOSFET Rangkaian inverter ini tersusun atas enam buah saklar dengan SPWM sebagai pola penyaklaran inverter. Diantara enam buah MOSFET ini, masing-masing leg pada inveter terdapat dua buah MOSFET yang sefasa dan MOSFET lainnya memiliki beda fasa sebesar 120 o. Jenis saklar yang digunakan adalah MOSFET tipe IRFP60 dengan rating tegangan pengalir-sumber (V DS ) 500 Vdc dan rating arus 20 A. Pemilihan MOSFET tipe ini didasarkan pada tegangan yang digunakan pada inverter merupakan tegangan tinggi. Pemanfaatan MOSFET pada aplikasi lainnya yaitu untuk aplikasi saklar dengan kecepatan tinggi pada power supply, konverter, kontrol motor dan rangkaian bridge.

12 53 Gambar 3.9 Rangkaian MOSFET Rangkaian Phase Compensator Rangkaian phase compensator ini terdiri dari rangkaian filter all pass. Berfungsi untuk mengatur sudut fasa antar masing masing fasa pada rangkaian osilator sinusoidal. Setiap fasa memiliki perbedaan sudut fasa sebesar 120 o. Gambar 3.10 Rangkaian phase compensator Filter Pasif Low Pass Rangkaian filter pasif low-pass digunakan untuk mengurangi distorsi pada gelombang keluaran inverter. Pemasangan filter pasif lowpass bertujuan agar gelombang keluaran inverter adalah gelombang sinusoidal murni. Filter yang digunakan adalah jenis filter pasif low- pass dengan komponen pasif LC.

13 5 Dengan menentukan nilai frekuensi putus (cut-off frequency) sebesar 500 Hz dan nilai kapasitansi sebesar. Hal ini dikarenakan pada saat frekuensi 500 Hz, pada spektrum filter tidak timbul distorsi. Sehingga untuk menentukan nilai L dapat dihitung menggunakan persamaan (2.) seperti berikut: (2.) Gambar 3. Inverter dengan filter pasif low-pass Dari perhitungan diatas, diperoleh nilai frekuensi putus (cut-off frequency), kapasitansi, dan induktansi sebesar 500 Hz,, dan 10,13 mh. Dengan penggunaan desain filter seperti diatas, maka distorsi yang ditimbulkan oleh inverter dapat dikurangi. Sehingga gelombang keluaran inverter setelah dipasang filter menjadi gelombang sinusoidal murni.