inverter satu fasa gelombang penuh sebagai penggerak pompa air
advertisement
INVERTER SATU FASA GELOMBANG PENUH SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DENGAN KENDALI DIGITAL TUGAS AKHIR Oleh : Nikolas Kristiawan Harsoyo 10.50.0015 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIKA SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2016 i PENGESAHAN Laporan Tugas Akhir dengan judul “ INVERTER SATU FASA GELOMBANG PENUH SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DENGAN KENDALI DIGITAL “ diajukan untuk memenuhi sebagian dari syarat-syarat dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro pada Program Studi Teknik Elektro di Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disetujui tanggal 28 Januari 2016. Semarang, 28 Januari 2016 Menyetujui, Dosen Pembimbing Dr.Ir.Ign.Slamet Riyadi, MT 058.1.1992.110 Mengetahui, Ketua Program Studi Teknik Elektro Dr.Fl.Budi Setiawan, MT 058.1.1.1994.150 ii ABSTRAK Inverter satu fasa gelombang penuh adalah suatu alat konversi energi dari tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik. Inverter sudah mulai banyak digunakan dan dikembangkan. Jenis inverter berdasarkan jumlah fasa yaitu inverter 1 fasa dan inverter 3 fasa. Pada laporan ini akan dikaji Inverter satu fasa gelombang penuh sebagai penggerak motor listrik. Inverter yang digunakan tipe jembatan dengan mode konduksi/pola penyaklaran bipolar.Yang didalamnya menggunakan program dengan sinyal SPWM yang didapat dari data array lookup table. Inverter ini dimanfaatkan sebagai penggerak pompa air yang memiliki sumber awal (V DC) dan diubah menjadi tegangan (V AC) lalu dinaikan dengan trafo step up untuk dapat menggerakkan pompa air. iii KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan segala rahmat dan anugerahNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta Laporan Tugas Akhir yang berjudul “ INVERTER SATU FASA GELOMBANG PENUH SEBAGAI PENGGERAK POMPA AIR DENGAN KENDALI DIGITAL “ yang menjadi tugas studi dari penulis adalah sebagai mahasiswa Program Sarjana Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Pembuatan Tugas Akhir ini dan penyusunan Laporan Tugas Akhir ini tidak lepas dari bantuan dan bimbingan dari berbagai pihak. Untuk itu penulis ingin menyampaikan rasa terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Tuhan Yang Maha Esa karena senantiasa memberi rahmat ,kelancaran dan kemudahan kepada penulis. 2. Orang Tua, orangtua angkat dan keluarga yang selalu memberi semangat dan dukungan dalam bentuk doa ,moril dan materiil kepada penulis. 3. Bapak Dr.Ir.Ign. Slamet Riyadi, MT. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir, yang telah membimbing saya dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini dan juga memberikan teori, saran, kritik, dan semangat kepada penulis. 4. Bapak Dr. Florentinus Budi Setiawan, MT. selaku Ketua Progdi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, yang telah memberi fasilitas Laboratorium beserta kelengkapan alat-alatnya. 5. Seluruh dosen dan karyawan Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, yang telah banyak iv membantu memberikan fasilitas-fasilitas sehingga pengerjaan Tugas Akhir ini berjalan lancar. 6. Teman-teman seperjuangan angkatan 2010 (Agustinus, Enggar, Jefri, Adi Citra, Arifin, Elwinta, Oxa, Musa, Driyan, dan sebagian lagi yang mungkin belum saya sebutkan) yang selalu memberi dukungan dan semangat. 7. Teman-teman angkatan bawah (Billy “Jembz”, Ryan “Bart”, Topan “Kipli” ,Dian “Komting”, Novembi “Kriwil”) dan teman-teman yang mungkin tidak bisa saya sebutkan satu persatu. 8. Dan juga pihak-pihak lain yang telah membantu saya dan tidak bisa saya sebutkan satu persatu. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih memiliki banyak kekurangan, maka penulis sangat mengharapkan saran ,masukan maupun kritik dari berbagai pihak untuk perbaikan di masa yang akan datang. Pada kesempatan ini penulis menyampaikan permohonan maaf yang sebesar-besarnya apabila terdapat hal-hal yang kurang berkenan dalam penulisan laporan ini. Akhirnya besar harapan penulis bahwa laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan ilmu dan teknologi di Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Semarang, 28 Januari 2016 Penulis v DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL………………………………………………………… i HALAMAN PENGESAHAN…………………………………………...…... ii ABSTRAK………………………………………………...…………..……. iii KATA PENGANTAR………………………………….……………….…… iv DAFTAR ISI………………………………………………………….……… vi DAFTAR GAMBAR……………………………………………………..….. ix DAFTAR TABEL……………………………………………………….…… xii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang………………………………………...……… 1 1.2 Perumusan Masalah…………………………………...……… 2 1.3 Pembatasan Masalah…………………………………………. 2 1.4 Tujuan dan Manfaat…………………………………………... 3 1.5 Metodologi Penelitian………………………………………… 3 1.6 Sistematika Penulisan…………………………………….…… 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Inverter……………………………………………………… 5 2.1.1 Inverter Satu Fasa………………………………….. 7 2.1.2 Inverter Satu Fasa Half Bridge……………………. 7 2.1.3 Inverter Satu Fasa Jembatan Penuh……………….. 9 2.2 Modulasi Lebar Pulsa (PWM)……………………………… 14 2.3 Modulasi Lebar Pulsa Sinusoida (SPWM)………………… 16 2.4 Mikrokontroler dsPIC33FJ128MC202…………………….. 16 vi 2.5 Driver………………………………………………………. 2.5.1 IR 2132…………………………………………… 20 2.5.2 HCPL 2531………………………………………. 21 2.5.3 IGBT…………………………………………….. 23 2.6 Motor Kapasitor…………………………………………… 24 2.6.1 Motor Kapasitor Start (Starting Capacitor Motor)……………………..… 2.6.2 2.6.3 26 Motor Kapasitor Start/Running (Start-Running Capacitor Motor)…..…………….. BAB IV 25 Motor Kapasitor Tetap/Running (Permanent Capacitor Motor)…......……………… BAB III 19 27 PERANCANGAN SISTEM 3.1 Perancangan Catu Daya………………………………….. 29 3.2 Perancangan Rangkaian Kontrol……………………….… 32 3.3 Rangkaian Buffer Sinyal Kontrol………………………… 32 3.4 Perancangan Blok Driver………………………………… 33 3.5 Perancangan Blok Daya………………………………...... 34 3.6 Strategi Kendali Bipolar………………………………….. 34 3.7 Look Up Tabel…………………………………………… 35 HASIL PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Pengujian Rangkaian Melalui Simulasi Pada PSIM……….. 39 4.2 Pemrograman pada digital signal controller…………….….. 43 4.2.1 Pembacaan Pengolah Sinyal………………….……… 43 4.2.2 Pembuatan Sinyal Carrier atau segitiga………..….…. 44 vii 4.2.3 Memasukkan data dari lookup table…………………. 45 4.3 Hasil Pengujian alat di Laboratorium………………………. 45 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan……………………………………………….. 53 5.2 Saran…………………………………………………….… 54 DAFTAR PUSTAKA……………………………………………………….. viii 55 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Inverter satu fasa setengah jembatan........................................... 7 Gambar 2.2 Cara kerja inverter setengah jembatan pada siklus positif......................................................................... 8 Gambar 2.3 Cara kerja inverter setengah jembatan pada siklus negative…………………………..…………………………….. 9 Gambar 2.4 Inverter satu fasa tipe jembatan penuh………………………… 10 Gambar 2.5 Cara kerja inverter bipolar pada kondisi setengah siklus positif………………………………………… 11 Gambar 2.6 Cara kerja inverter bipolar pada kondisi setengah siklus negative.............................................................. 12 Gambar 2.7 Cara kerja inverter unipolar pada kondisi setengah siklus positif……………………………...………… 12 Gambar 2.8 Cara kerja inverter unipolar pada kondisi nol………………… 13 Gambar 2.9 Cara kerja inverter unipolar pada kondisi Setengah siklus negatif………………………………………. 13 Gambar 2.10 Cara kerja inverter unipolar pada kondisi nol………………… 14 Gambar 2.11 Teknik modulasi sinyal referensi dan sinyal carrier pada PWM…………………………………………….. 15 Gambar 2.12 Konfigurasi pin dsPIC33FJ128MC202………………………. 17 Gambar 2.13 Konfigurasi pin IR 2132……………………………………… 20 Gambar 2.14 Konfigurasi pin pada optocoupler HCPL 2531……………… 23 Gambar 2.15 Konfigurasi pin pada IGBT SK20GB123……………………. 23 ix Gambar 2.16 Motor Start Kapasitor………………………………………… 26 Gambar 2.17 Motor Running Kapasitor…………………………………….. 27 Gambar 2.18 Motor Start-Running Kapasitor………………………………. 27 Gambar 3.1 Desain alat secara keseluruhan……………………………….. 28 Gambar 3.2 Skema Rangkaian Catu Daya………………………………… 30 Gambar 3.3 Skema Rangkaian Penyearah Push Pull……………………… 31 Gambar 3.4 Layout PCB dsPIC33FJ128MC202 yang sudah dirancang melalui target (3D)………………………… Gambar 3.5 32 Layout PCB driver IR2132 yang sudah dirancang melalui target (3D)……………………………….... 33 Gambar 3.6 Gambar komponen IGBT SK20GB123……………………… 34 Gambar 3.7 Strategi kendali bipolar dengan lookup table………………… 35 Gambar 3.8 Hasil gelombang sinus dari lookup table ms.excel…………… 37 Gambar 3.9 Flowchart Program…………………………………………… 38 Gambar 4.1.1 Rangkaian inverter dengan beban…………………………… 39 Gambar 4.1.2 Data pemrograman pada C Block…………………………… 40 Gambar 4.1.3 Hasil simulasi referensi gelombang sinusoidal……………… 41 Gambar 4.1.4 Hasil simulasi dari sinyal referensi dan sinyal carrier………... 41 Gambar 4.1.5 Hasil simulasi sinyal SPWM………………………………… 42 Gambar 4.1.6 Hasil simulasi dari penyaklaran pada mosfet………………… 42 Gambar 4.1.7 Hasil perbandingan tegangan input dan tegangan keluaran....... 43 Gambar 4.2.1 Inisialisasi pada dsPIC33FJ128MC202……………………… 44 Gambar 4.2.2 Listing pembuatan sinyal carrier…………………………….. 44 Gambar 4.2.3 Data lookup table…………………………………….............. 45 x Gambar 4.3.1 Foto keseluruhan alat yang telah dibuat……………………… 46 Gambar 4.3.2 Tanpa beban pompa air (PLN), kuning adalah tegangan dan biru adalah arus PLN…………………………………….. 46 Gambar 4.3.3 Dengan beban pompa (PLN), kuning adalah tegangan dan biru adalah arus………………………………………...…. 47 Gambar 4.3.4 Hasil pengukuran sinyal kotak sebelum diberi beban pompa air, kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1………………………... 47 Gambar 4.3.5 Hasil pengukuran sinyal kotak setelah dibebani dengan pompa air, kuning adalah tegangan dan biru adalah arus dengan probe x1………………………………………….. 48 Gambar 4.3.6 Hasil pengukuran sinyal SPWM dengan tegangan 150VDC setelah dibebani dengan pompa air, kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1……… 49 Gambar 4.3.7 Hasil pengukuran sinyal SPWM dengan tegangan 150VDC setelah dibebani dengan pompa air, kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1 (terpisah)…………………………………………….. 49 Gambar 4.3.8 Hasil pengukuran sinyal SPWM dengan tegangan 150VDC setelah dibebani dengan pompa air, kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1 (zoom)……………………………………… Gambar 4.3.9 Hasil pengukuran keluaran inverter dengan sinyal SPWM dan tegangan 150VDC, trafo 1_4, xi 50 kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1………………………………… 51 Gambar 4.3.10 Hasil pengukuran keluaran inverter dengan sinyal SPWM dan tegangan 150VDC, trafo 1_4, kuning adalah tegangan dengan probe x10 dan biru adalah arus dengan probe x1 (zoom)………………………….. 51 xii DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Fitur dan Spesifikasi pada IR2132……………………………. 21 Tabel 2.2 Fitur dan Spesifikasi pada HCPL 2531………………………. Tabel 3.1 Lookup table PR = 3200*CNT (jumlah pulsa) = 100………… 36 Tabel 4.1 Parameter Inverter……………………………………………. xiii 22 40
