Rancang Bangun Inverter Tiga Fasa menggunakan IPM

Rancang Bangun Inverter Tiga Fasa menggunakan IPM
PM50RLA120 dan NI CompactRIO
Reynhard Josian Sembiring1, Feri Yusivar2
1
2
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia.
Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Depok 16424, Indonesia.
E-mail: [email protected], [email protected]
ABSTRAK
Sejalan dengan semakin meningkatnya perkembangan penelitian dan pengembangan di bidang
kendaraan listrik,maka dibutuhkan suatu sistem inverter tiga fasa yang memiliki efisiensi tinggi serta
memiliki kecepatan switching yang cukup tinggi dan impedansi masukan yang tinggi sehingga tidak
membebani rangkaian pengendali.Solusi untuk permasalahan itu adalah pemakaian IGBT dikarenakan
IGBT cocok digunakan pada arus yang besar hingga ratusan ampere sehingga dapat diaplikasikan pada
motor berdaya besar.Pada Skripsi ini akan dilakukan implementasi pengendalian inverter tiga fasa
menggunakan
teknik
Space
Vector
Pulse
Width
Modulation(SVPWM)
menggunakan
NI
COmpactRIO.Hasil yang didapatkan pada skripsi ini adalah tegangan dan arus keluaran dari inverter
berbentuk sinusoidal dan memiliki beda fasa 1200.
Kata kunci : Inverter,IGBT,SVPWM,NI CompactRIO
DESIGN OF THREE PHASE INVERTER USING IPM PM50RLA120 AND NI
COMPACT RIO
ABSTRACT
Along with increased interest of the research and development in the field of electric car,then it is needed
a three phase inverter system which has high efficiency and have high speed switching and also small
input impedance so it will not loaded the control circuitThe solution is using IGBT as the power
switching device in inverter because it has high efficiency and have high current capability so it is usied
for high power motor.In this thesis the implementation of three phase inverter control using SVPWM and
NI CompactRIO is been done.The results are the voltage and currents which has sinusoidal and three
phase sinusoidal waveform
Keywords: Inverter,IGBT,SVPWM,NI CompactRIO
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
1. Pendahuluan
Teknologi inverter merupakan teknologi yang banyak dikembangkan di bidang energi
terbarukan seiring dengan berkembangnya teknologi rangkaian pensakalaran daya dibanding
rangkaian daya lainnya.Pada beberapa tahun ini telah banyak tologi dari rangkaian daya yang
dikembangkan
dalam
inverter
seperti
topologi
2
level,multilevel,full
bridge,half
bridge,dll.Perkembangan ini juga diiikuti oleh perkembangan manufaktur semikonduktor dunia
yang
mulai
melakukan
pengembangan
dan
produksi
semikonduktor
daya
seperti
IGBT,MOSFET,SCR,GTO,dan BJT sejak tahun 1980.
Rangkaian inverter dapat mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.Pada awalnya
sistem kendali inverter dalah menggunakan bentuk gelombang kotak sebagai sinyal pengendalian
buka tutup pada semikonduktor daya yang digunakan.Namun penggunaan teknik ini memiliki
THD yang tinggi dan hanya memiliki keluaran tegangan yang terbatas.Suatu inverter yang baik
adalah inverter yang memiliki efisiensi besar dengan rugi-rugi daya yang sekecil mungkin dapat
diabaikan. Namun kondisi ideal ini sangat sulit tercapai karena selalu ada rugi-rugi panas,
pensaklaran, dan yang lainnya. Perancangan inverter yang baik juga merupakan faktor penting
yang menentukan performa dari motor induksi yang menjadi penggerak mobil listrik. Hal ini
dikarenakan inverter merupakan realisasi dari segala perhitungan dalam pengendalian motor
yang terdapat dalam program komputer. Apabila inverter yang dirancang tidak baik maka dapat
dikatakan bahwa algoritma kendali yang telah didisain dengan baik tidak dapat mengendalikan
motor meskipun hasil simulasi telah berhasil menunjukan performa yang baik.
Salah satu solusi dalam meningkatkan efisiensi dari inverter adalah pemilihan komponen
saklar semikonduktor daya.IGBT merupakan salah satu saklar semikonduktor daya yang bisa
digunakan pada inverter. Kelebihan IGBT ini antara lain adalah impedansi pada input terminal
yang tinggi sehingga tidak membebani rangkaian pengendali, kecepatan pensaklaran yang tinggi
serta memiliki nilai tegangan jatuh dan disipasi daya yang kecil. Sehingga cocok untuk
diaplikasikan sebagai pengatur tegangan untuk motor induksi tiga fasa.
Selain faktor divais semikonduktor daya yang digunakan,faktor lain yang dapat
meningkatkan faktor efisiensi dari inverter tiga fasa adalah menggunakan teknik pengendalian
PWM.Teknik PWM merupakan teknik yang memodulasi durasi dari pulsa kendali atau duty
ratio untuk mencapai tegangan,arus,dan frekuensi yang terkendali dan memenuhi kriteria
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
gelombang yang diinginkan.Pada awal pengembangan PWM diimplementasikan menggunakan
komponen elektronika analog.Namun sekarang PWM telah diimplementasikan dan telah
ditingkatkan performa frekuensi,bentuk sinyal,dll menggunakan komputer,FPGA dan perangkat
pengolahan sinyal modern lainnya.
Pada paper kali ini akan dibahas mengenai perancangan inverter tiga fasa dan implementasi
Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) menggunakan NI CompactRIO pada inverter
tiga fasa dengan beban lampu.Penggunaan teknik SVPWM ini dikarenakan untuk meningkatkan
efisiensi inverter dimana teknik SVPWM dapat meningkatkan penggunaan tegangan DC serta
memiliki komponen harmonik yang rendah
2. Tinjauan teoritis
2.1 Inverter Tiga Fasa
Fungsi suatu inverter adalah untuk mengubah tegangan masukan DC menjadi tegangan AC
yang besar dan frekuensinya dapat diatur sedemikian rupa sesuai dengan kebutuhan sistem.
Proses pengaturan besarnya tegangan AC yang dihasilkan dapat dilaksanakan dengan 2 cara,
namun cara yang paling banyak digunakan dan lebih efektif adalah dengan mengubah-ubah lebar
pulsa penyaklaran atau yang dapat disebut Pulse Width Modulation (PWM). Rangkaian inverter
tiga fasa memiliki konfigurasi seperti pada Gambar 1.
Gambar 2.1. Topologi inverter tiga fasa
Topologi rangkaian inverter tiga fasa terlihat pada gambar di atas, terdapat 6 buah divais
pesaklaran yang akan diatur buka tutupnya untuk menghasilkan gelombang sinusoidal tiga fasa
yang besar amplitudonya adalah sebesar 0.5 VDC. +0.5 VDC dihasilkan ketika saklar atas tiap
kaki aktif dan -0.5 VDC ketika saklar bawah pada tiap kaki aktif.
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Setiap saklar akan aktif selama selang waktu 1800 terhadap siklus gelombang referensi,
dengan masing-masing keluaran dari setiap kaki berbeda 1200. Pergeseran fasa ini terjadi akibat
urutan pengaktifan saklar, yaitu pada suatu interval yang teratur sebesar 600. Pengaktifan
transistor ini berlangsung terus menerus dan saling berurutan untuk menyelesaikan satu siklus
dari gelombang tegangan keluaran.urutan pengaaktifan saklar adalah
dan
.
Proses perubahan tegangan searah menjadi tegangan bolak-balik tiga fasa adalah sebagai
berikut :
Pada waktu setengah siklus positif dari tegangan masukan, saklar
dan
akan
berubah menjadi aktif, sedangkan setengah siklus negatif berikutnya dari tegangan masukan akan
menjadikan saklar
dan
menjadi aktif.
Bentuk gelombang yang masuk pada masing-masing saklar (
dan
) dan
tegangan keluaran antar fasa dari inverter terlihat pada gambar di bawah.
Gambar 2.2 Bentuk gelombang masuk pada saklar dan tegangan keluar antar fasa dari
inverter
Untuk menghindari adanya short-circuit yang akan menyebabkan gagalnya sistem inverter
ketika terjadi perubahan kondisi dari on atau off suatu lengan IGBT, maka pada setiap sinyal on
dan off dari tiap saklar ini akan ditambahkan dead time. Fenomena Dead time di kaki atas dan
kaki bawah pada satu lengan IGBT pada inverter ketika belum ditambahkan dan setelah
ditambahkan diperlihatkan pada gambar di bawah.
Gambar 2.3 Pulsa saklar IGBT tanpa dead time
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 2.4 Pulsa saklar IGBT dengan dead time
2.2 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Perangkat saklar yang digunakan pada penelitian ini adalah IGBT. IGBT merupakan
perangkat switching yang dirancang agar memiliki kinerja switching kecepatan tinggi dan
kendali tegangan gate mirip seperti MOSFET daya serta kapasitas penanganan tinggi atau arus
yang besar seperti transistor bipolar.Struktur dasar IGBT diperlihatkan pada gambar di bawah.
Gambar 2.5 Penampang IGBT
Struktur IGBT mirip dengan struktur MOSFET, namun terdapat penambahan lapisan p+ pada
bagian tertentu pada MOSFET. Daya tegangan positif antara gate dan emitter akan menghasilkan
aliran arus yang akan melewati IGBT sehingga IGBT akan aktif. Pada saat IGBT aktif pembawa
positif disuntikkan dari lapisan p+ ke lapisan dasar tipe n, dengan demikian akan memercepat
modulasi daya konduksi. Hal ini memungkinkan IGBT untuk memiliki resistansi aktif yang jauh
lebih rendah daripada MOSFET. Resistansi lapisan dasar tipe n pada IGBT menjadi sangat kecil
disebabkan pengaruh terbentuknya dioda pn akibat hubungan tambahan lapisan p+ dan lapisan
dasar tipe n ketika dilihat dari sisi drain pada MOSFET. Rangkaian ekivalen IGBT diperlihatkan
pada gambar dibawah
Gambar 2.6 Rangkaian ekuivalen IGBT
Masukan dari IGBT adalah terminal Gate dari MOSFET, sedang terminal Source dari
MOSFET terhubung dengan terminal Basis dari BJT. Dengan demikian, arus drain keluar dan
dari MOSFET akan menjadi arus basis dari BJT. Dikarenakan besarnya tahanan masuk dari
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
MOSFET, maka terminal masukan IGBT hanya akan menarik arus yang kecil dari sumber. Di
pihak lain, arus drain sebagai arus keluaran dari MOSFET akan cukup besar untuk membuat BJT
mencapai keadaan saturasi. Dengan gabungan sifat kedua elemen tersebut, IGBT memiliki
perilaku yang cukup ideal sebagai sebuah saklar elektronik. Salah satu sifat IGBT adalah tidak
membebani sumber, di sisi lain mampu menghasilkan arus yang lebih besar bagi beban yang
dikendalikannya. Selain itu, kecepatan switching IGBT juga lebih tinggi dibandingkan dengan
transistor bipolar, namun lebih rendah dari MOSFET. Maka dengan kata lain, ketika saat
keadaaan menghantar, nilai tahanan menghantar (
dari IGBT sangat kecil, menyerupai
pada transistor bipolar. Dengan demikian, apabila tegangan drop serta daya terbuang pada saat
keadaaan menghantar juga kecil. Melihat sifat ini maka IGBT akan sesuai untuk dioperasikan
pada arus yang besar, hingga ratusan ampere tanpa terjadi kerugian daya yang cukup berarti.
2.3 Space vector Pulse Width Modulation
PWM atau Pulse Width Modulation sendiri merupakan teknik pengkodean sinyal analog
referensi menjadi durasi lebar pulsa untuk menghasilkan tegangan dan frekuensi yang jauh lebih
tinggi daripada sinyal referensi. Nilai tengangan rata-rata dari modulator sebanding dengan
tegangan referensi di dalam masing-masing periode PWM. Energi yang mampu menggerakkan
motor dapat dikendalikan dengan mengatur lebar pulsa sebagai trigger pada rangkaian inverter
dalam skema Voltage Source Inverter (VSI). Lebar pulsa ini berubah dari tiap periodenya
menurut suatu pengaturan sinyal referensi. Kerapatan pulsa ini haruslah diperhatikan dengan
seksama karena terdapat efek harmonisa pada suatu rangkaian elektronika daya. Harmonisa ini
dapat menyebabkan putaran motor tidak sesuai dengan sinyal keluaran yang diinginkan. Untuk
mengurangi efek Total Harmonic Distortion (THD), dapat dilakukan dengan menaikkan jumlah
level bentuk gelombang. Salah satu teknik yang terkenal dapat mengurangi efek THD adalah
Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM).
SVPWM merupakan metode modulasi lebar pulsa dengan mentransformasi tegangan
referensi ke ruang vektor rotating yang tersusun dari 6 vektor keadaan yang membentuk
hexagon. Seperti terlihat pada Gambar 2.7
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 2.7 Hexagon operasi dari SVPWM
Pada Gambar 2.7 dapat dilihat daerah operasi kerja SVPWM dimana terdiri dari 8 vektor
tegangan dan memiliki 6 sektor yang membentuk hexagon. Selain itu daerah kerja svpwm juga
memilki batas panjang vektor dimana panjang vektor ini menentukan apakah vektor tegangan
memasuki daerah under modulation yang merupakan daerah lingkaran dalam atau over
modulation yang berada pada daearah di antara lingkaran dalam dan lingkaran luar. Penentuan
daerah modulasi ini tergantung pada index modulasi yang formulasinya berbeda-beda untuk
setiap daerah modulasi. Untuk setiap daerah modulasi ini memiliki perhitungan yang berbedabeda.
3. Metode Penelitian
3.1 Blok Diagram Perancangan Inverter Tiga Fasa
Blok diagram perancangan inverter ditunjukkan pada Gambar 3.1. Inverter tiga fasa dalam
skripsi ini terdiri dari atas beberapa bagian yaitu : catu daya, Ni CompactRIO, driver, IPM IGBT,
Gambar 3.1 Perancangan Blok Diagram secara umum
3.2 Intelligent Power Module (IPM)
Pada skripsi ini digunakan IGBT sebagai realisasi perangkat keras dari inverter yang akan
mengatur tegangan yang masuk kepada motor.IGBT yang digunakan merupakan modul
Intelligent Power Module Mitsubishi PM50RLA120. Gambar module ini terlihat pada Gambar
3.2.
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 3.2 Intelligent Power Module Mitsubishi PM50RLA120
Modul IGBT ini memiliki 7 buah IGBT di dalamnya,yang terdiri dari 3 IGBT pada lengan
atas, 3 IGBT pada lengan bawah dan 1 IGBT yang akan digunakan sebagai BRAKE.
Selengkapnya rangkaian internal dari modul ini terlihat pada gambar berikut.
Gambar 3.3 Rangkaian internal dari IPM PM50RLA120
Pada gambar diatas terlihat bahwa jenis IPM ini memiliki control chip yang mengatur
pensaklaran dair tiap IGBT. Dengan adanya chip ini juga memberikan perlindungan khusus bagi
tiap IGBT dengan adanya deteksi sushu lebih, arus lebih, dan arus pendek. Sehinggga dapat
menghindarkan IGBT dari adanya kegagalan.
Perangkat inverter dengan IGBT sebagai switch dipilih dengan pertimbangan bahwa IPM
IGBT ini memiliki kapasitas daya hingga 7.5 KW, kapasitas arus 50 A serta tegangan maksimal
1200 V sehingga sangatlah aman digunakan pada motor dengan tegangan 400 V dan memiliki
kapasitas arus yang besar terlebih saat melakukan pengereman yang dapat menaikkan tegangan
DC. IPM IGBT ini dari relatif mudah dikendalikan, frekuensi yang akan digunakan dibawah 20
kHz dan modul IGBT mempunyai conduction lossyang kecil serta cocok untuk aplikasi arus dan
tegangan tinggi. Dalam modul ini masing-masing IGBT akan dikendalikan dengan rangkaian
driver yang akan dijelaskan pada bagian selanjutnya. Pada modul ini juga dilengkapi dengan
mode fault detection dimana apa bila ada kesalahan seperti short circuit, overvoltage ataupun
overcurrent maka IPM akan memeberikan sinyal keluaran dan dapat diolah untuk dilakukan
pengamanan terhadap sistem.
3.3 Rangkaian Driver dan Fault Detection
Rangkaian Driver merupakan rangkaian antar muka antara controller dengan IPM.
Rangkaian driver ini terdiri atas optocoupler yang berfungsi untuk memisahkan controller yang
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
merupakan perangkat tegangan rendah dengan IPM yang merupakan perangkat dengan tegangan
tinggi. Untuk masing-masing IGBT memiliki satu rangkaian driver sendiri-sendiri. Skematik
driver inverter ini akan terlihat pada gambar berikut.
Gambar 3.4 Rangkaian driver inverter dengan beban lampu
Dari gambar di atas terlihat bahwa keluaran dari rangkaian optocoupler ini tersambung ke
kaki-kaki Vin, Vcc, GND dan FO IGBT. Terdapat 2 jenis optocoupler yang digunakan, yaitu
yang pertama adalah high speed switching optocoupler yang digunakan adalah TLP 559 yang
terhubung dengan IGBT lengan atas dan lengan bawah kemudian yang kedua adalah TLP 521
yang merupakan lower speed switching, dipasangkan dengan IGBT Brake dan pada Fault
Output. Pada rangkaian ini juga dilengkapi dengan gerbang And untuk memberikan sinyal fault
kepada controller apabila terjadi kesalahan dalam IPM.
3.4 Power Supply
Terdapat kebutuhan akan beberapa tegangan yang akan memberikan daya pada tiap-tiap
perangkat. Rangkaian power supply yang digunakan adalah sebagi berikut :
3.4.1 +15 VDC Voltage Regulator
Rangkaian catu daya ini digunakan untuk menyuplai daya pada rangkaian optocoupler driver
IGBT IPM. Untuk rangkaian optocoupler driver ini dibutuhkan 4 suplai dikarenakan untuk tiga
rangkaian lengan atas IGBT diharuskan memiliki sumber daya yang terpisah (floating)
sedangkan untuk lengan bawah disamakan sumbernya. Rangkaian catu daya ini menggunakan
LM7815 dan trafo 18 V 1 A untuk merubah tegangan 220 VAC menjadi 15V. Gambar rangkaian
regulator ini diperlihatkan pada gambar berikut :
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 3.5 Skematik Rangkaian regulator
Gambar 3.6 Rangkaian Power supply +15 VDC
Pada skematik rangkaian diatas diberikan nilai kapasitor pada keluaran regulator untuk
memperhalus keluaran dari regulator. Selain itu diberikan led pada keluaran regulator untuk
menandakan berfungsi atau tidaknya rangkaian regulator ini. Hasil keluaran power supply 15 V
ini diperlihatkan pada gambar berikut
3.4.2.+ 5 VDC Voltage Regulator
Rangkaian catu daya ini digunakan untuk menyuplai daya pada rangkaian alarm IGBT IPM,
voltage divider untuk pedal serta modul bluetooth. Rangkaian ini menggunakan adaptor
switching 5V yang banyak dijual di pasaran.Keluaran tegangan dari modul sumber tegangan ini
ditunjukkan pada gambar berikut.
3.5 Rangkaian Penyearah
Pada penelitian kali ini dibutuhkan tegangan HVDC untuk menjadi sumber tegangan utama
pada inverter tiga fasa. Untuk menyalakan beban lampu, motor induksi, dan peralatan rumah
lainnya dibutuhkan tegangan minimal 300 VDC untuk dapat menjalankan peralatan tersebut.
Pada penelitian kali ini digunakan penyearah menggunakan dioda bridge dan 2 buah kapasitor
sebesar 220 µF (C1 dan C2 pada gambar) untuk menghilangkan riak-riak yang ada pada keluaran
dioda bridge agar didapatkan tegangan DC yang mendekati DC murni. Skematik rangkaian
diperlihatkan pada gambar berikut.
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 3.7 Rangkaian Penyearah VDC
Sumber tegangan AC diberikan oleh sumber listrik gedung MRPQ dengan grounding
menggunakan isolation transformer untuk mendapatkan ground floating pada trafo isolasi dan
mendapatkan pengamanan apabila terjadi gangguan pada sistem listrik maka tidak mengganggu
sistem penelitian dan sebaliknya apa bila terjadi gangguan pada sistem penelitan maka tidak akan
menggangu kelistrikan dairi gedung MRPQ.Dari hasil keluaran rangkaian penyearah ini adalah
tegangan 334 VDC.Hal ini sesuai dengan perhitungan tegangan masukan AC dengan amplitudo
236 VAC diubah menjadi tegangan DC menjadi 236*√ V atau sama dengan 334 VDC.
3.6 Ni CompactRIO
Ni Compact RIO (Reconfigurable Input Output) merupakan sistem pengendali dan akusisi
data untuk skala industri atau dapat disebut Programmable Automation Controller (PAC) yang
diproduksi oleh National Instruments. NI compactRIO dapat dengan mudah dirubah konfigurasi
ataupun ditambah dengan divais dari luar atau third-party devices. CompactRIO mewakili
adanya suatu arsitektur yang open access sampai ke level rendah untuk sumber daya perangkat
keras. CompactRIO dikembangkan dengan graphical programming software yaitu LABVIEW
untuk pengembangannya. Sistem NI Compact RIO yang digunakan terdiri dari 2 modul utama,
yaitu NI cRIO-9025 dan NI 91118 serta dilengkapi dengan 3 modul yang berfungsi sebagai
Analog Input,Digital Input Output,dan Analog Output.Gambar perangkat pengendali
diperlihatkan pada gambar berikut.
Gambar 3.8 CompactRIO
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
3.7 Flowchart Program
Program yang akan diimplementasikan adalah algoritma Space Vector Pulse Width
Modulation. Alur implementasi program diperlihatkan pada gambar berikut.
Mulai
Inisialisasi Fr ekuensi Refer ensi, Amplitudo
Referensi, Sampling Time, Deadtime,
Period Carrier, Fasa Tiap Sinyal, Nilai V DC
A
Pengeluar an Sinyal Refer ensi
dan Sinyal Carrier
Perhitungan Letak Sektor
Perhitungan Nilai X,Y, dan Z
Perhitungan Nilai T0, T1 dan T2
Perhitungan Nilai Waktu TA ON,
TB ON, dan TC ON
Pengaturan Waktu ON pada
Fasa yang Tepat
Pengeluar an Sinyal SV PWM
pada Masing-Masing Fasa
Membandingkan Sinyal
SVPWM dengan Sinyal Carrier
Pemberian Deadtime
Pengeluar an Sinyal Melalui DIO
Nilai S udut Referensi++
Tombol S TOP
ditekan?
Tidak
A
Ya
STOP
Gambar 3.9 Diagram Alir program
Kemudian untuk cuplikan program deadtime yang digunakan pada program diperlihatkan
pada gambar berikut.
Gambar 3.10 Program Deadtime
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
4. Hasil dan Pembahasan
4.1 Pengujian Keluaran Space Vector PWM pada tiap fasa
. Pada sub bab kali ini akan dilakukan pengujian keluaran algoritma svpwm yang telah
dimodulasi menggunakan sinyal segitiga dengan frekuensi tinggi. Hasil keluaran pada tiap fasa
adalah terlihat pada gambar berikut.
Gambar 4.1 Keluaran SVPWM pada fasa U,V,dan W
Gambar 4.2 Keluaran SVPWM pada fasa U dan sinyal referensi
Gambar 4.3 Keluaran SVPWM pada fasa V dan sinyal referensi
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 4.4 Keluaran SVPWM pada fasa W dan sinyal referensi
Terlihat pada gambar –gambar diatas keluaran dari sinyal SVPWM dibandingkan dengan
sinyal referensi memiliki bentuk dan fasa yang sama.Sehinggga keluaran SVPWM ini sudah
sesuai dengan nilai yang diinginkan yaitu memeiliki frekuensi yang sama untuk satu
gelombangnya dengan sinyal referensi dan memiliki fasa yang sama dengan sinyal referensi.
4.2 Pengukuran deadtime space vector PWM
Dalam implementasi pengendalian inverter dengan teknik PWM, implementasi deadtime
haruslah dengan baik diimplementasikan sehingga tidak terjadi short circuit pada sinyal high dan
low pada channel yang berhubungan dengan IGBT lengan atas dan bawah.Pengaruh tidka
adanya dead time adalah terjadinya hubung singkat pada IGBT atas dan bawah yang dapat
menyebabkan terjadinya panas dan panas berlebuh dapat menyebabkan panas yang dapat
merusak IGBT sedangkan dead time yang lama dapat mengurangi nilai tegangan keluaran
bahkan merusak bentuk tegangan yang dihasilkan Hasil PWM masukan dan keluaran
optocoupler diperlihatkan pada gambar di bawah.
Gambar 4.5 Tampilan sinyal masukan dan keluaran optocoupler atas dan bawah
Pada gambar di atas, sinyal berwarna ungu merupakan sinyal masukan untuk optocoupler di
bagian atas dan hijau merupakan sinyal masukan untuk optocoupler di bagian bawah.Sedangkan
sinyal berwana oranye merupakan sinyal keluaran dari optocoupler di bagian atas dan sinyal
berwan abiru merupakan sinyal keluaran dari optocoupler di bagian bawah.Terlihat bahwa sinyal
keluaran dair optocoupler merupakan sinyal yang berkebalikan dengan sinyal masukan dari
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
optocoupler.Hal ini disebabkan sinyal keluaran optocoupler diberikan pada resistor pull-up yang
memberikan pulsa low jika diberikan pulsa high.Berdasarkan datasheet,pengukuran deadtime
dilakukan dengan melihat bentuk sinyal seperti gambar berikut.
Gambar 4.6 pengukuran dead time pada PM50RLA120
Terlihat bahwa dari gambar di atas,nilai 1,5 V merupakan nilai threshold bagi IGBT untuk
ON sedangkan nilai tegangan 2 V menjadi nilai threshold bagi IGBT untuk off.Karena itu
pengukuran waktu dead time dilakukan pada waktu tegangan berada di level 1,5 V untuk on dan
2 V untuk off menjadi nilai batas tegangan Hasil Pengukuran dead time(sinyal biru dan oranye)
yang lebih detil terlihat pada gambar dibawah.
Gambar 4.7 Tampilan sinyal pengukurn dead time optocupler
4.3 Pengujian respon keluaran optokopler
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai pengujian keluaran dari optokopler yang akan
mengendalikan chip kendali yang terdapat pada IPM. Keluaran yang akan diamati adalah yang
terurama adalah waktu tunda yang terdapat pada keluaran optokopler. Hasil yang didapat pada
optokopler yang digunakan terlihat pada gambar berikut.
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 4.8 Pengukuran respon rendah ke tinggi optokopler
Terlihat pada gambar di atas hasil pengukuran menggunakan osiloskop.nilai pengukuran
waktu tunda yang dihasilkan dari waktu low ke high optokopler. Keadaan optokopler adalah
berkebalikan dengan nilai masukan dari optokopler. Ketika sinyal yang diberikan kepada bagian
masukan optokopler berubah dari tinggi ke rendah maka optokopler akan berubah keadaan dari
rendah ke tinggi.
Nilai waktu tunda yang terukur pada respon optokopler adalah kurang dari 10 µs. Nilai ini
dipengaruhi oleh pasangan resistor masukan dan resistor beban pada optokopler. Nilai yang
digunakan pada driver ini adalah 470 ohm pada ressitor masukan dan 20 kohm pada resistor
beban. Nilai ini didapatkan dari data sheet TLP 559 dimana arus yang digunakan adalah 10 ma
sehingga digunakan nilai resistor yang tersedia adalah 470 ohm. Pada datasheet IPM
dimungkinkan untuk menggunakan nilai resistor yang lebih kecil untuk mengurangi waktu tunda
dari optokopler. Namun nilai resistor yang rendah dapat menambah hasil noise pada keluaran
optokopler. Oleh karena itu nilai waktu tunda yang kurang dari 10 µs ini mengakibatkan
pemilihan frekuensi pensaklaran harus dibatasi sehingga tidak terjadi kesalahan hasl algoritma
PWM pada implementasi pensaklaran pada IPM. Hasil waktu tunda pada nilai tinggi ke rendah
pada optokopler terlihat pada gambar di bawah.
Gambar 4.9 Pengukuran respon tinggi ke rendah optokopler
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Pada respon keluaran optokopler diatas didapatkan dari perubahan nilai sinyal masukan dari
NI CompactRIO dari rendah ke tinggi. Terlihat ketika terjadi Perubahan dari off ke on pada
masukan optokopler ini terjadi juga perubahan dari on ke off pada keluaran optokopler pada
waktu yang tidak jauh berbeda dengan masukan optokopler.Perbedaan yang terjadi hanya pada
nano detik.
4.4 Pengujian keluaran inverter tiga fasa
Pada sub bab kali ini akan dilakukan pengujian dari keluaran inverter.Pada pengujian ini
inverter tiga fasa akan dipasang 2 jenis beban lampu yang dipasang tiga fasa secara wye.Jenis
lampu yang diuji adalah yang pertama adalah lampu 25 Watt sedangkan yang kedua adalah
lampu 100 Watt.Pengukuran dilakukan dengan menggunakan Hioki power quality analyzer pw
318.Tampilan hasil pengukuran diperlihatkan pada gambar di bawah.
Gambar 4.10 Pengukuran tegangan fasa keluaran inverter
Gambar 4.11 Pengukuran arus 3 fasa keluaran inverter
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 4.12 Pengukuran diagram vektor pengukuran
Dari hasil pengujian ini didapatkan hasil tegangan sinusoidal yang memiliki beda fasa
sebesar 120 derajat.Beban lampu juga menyala dengan nilai yang seimbang.Sementara nilai arus
yang dihasilkan juga memiliki bentuk sinusoidal dan memiliki besar arus yang seimbang.Dari
hasil pengukuran didapatkan adanya ketidakseimbangan pada beban,namun ketidakseimbangan
ini sangat kecil dan tidak memiliki pengaruh besar pada sistem.Untuk pengukuran beban 100
Watt ditampilkan pada gambar berikut.
Gambar 4.13 Pengukuran tegangan fasa keluaran inverter
Gambar 4.14 Pengukuran arus 3 fasa keluaran inverter
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
Gambar 4.15 Pengukuran diagram vektor pengukuran
Dari hasil pengujian beban 100 Watt.Didapatkan hasil pengukuran beban tiga fasa dan arus
tiga fasa dengan bentuk sinusoidal dan memiliki beda fasa 1200.Nilai arus juga menghasilkan
gelombang sinusoidal tiga fasa dengan beda 1200 dengan tidak merubah fasa dari fasa
tegangan.Nilai terang dari lampu juga sama pada tiap bohlam lampu.Dari hasil pengukuran juga
didapatkan ketidakseimbangan pada fasa tegangan dan arus.Namun nilai ketidakseimbangan ini
kecil dan memiliki pengaruh yang kecil pada sistem.
5. Kesimpulan
1.Inverter tiga fasa merupakan perangkat yang dapat mengubah tegangan DC menjadi
AC
dan merupakan suatu sistem yang kompleks dan butuh suatu metode yang tepat dalam
membuat inverter
2.IPM IGBT merupakan saklar daya yang memiliki loss daya yang rendah,selain itu
Frekuensi yang dapat diterima mencapai 5 khz.
3.Berdasarkan pengukuran,Nilai deadtime sebesar 25 µs aman untuk diterapkan dalam
Inverter menggunakan tipe IPM ini.
4.Sistem inverter tiga fasa menggunakan Algoritma SVPWM dan sensor tegangan telah
dapat diimplementasikan dalam NI compactRIO dan pada inverter IPM IGBT yang
pada
percobaan telah menghasilkan tegangan dan arus sinusoidal tiga fasa pada dua beban
resistif berdaya 25 Watt dan 100 Watt.
6. Daftar Referensi
1. Bengi Tolunay,”Space Vector Pulse Width Modulation for Three-Level Converters-a
LABVIEW Implementation,”Master Thesis,2012.
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014
2. Bin Wu, High-Power Converters and AC Drives, New Jersey, Canada: IEEE Press, 2006.
3. Widodo Prasetyo,Rancang Bangun Inverter 3 Fasa Dengan Insulated Gate Bipolar
Transistor(IGBT) Menggunakan Metode Natural PWM Berbasis Mikrokontroler
AT90PWM3,Depok,Skripsi Departemen Teknik Elektro,2010.
4. NI 9118 Operating Instructions and Spesifications,2008.
5. NI 9025 Operating Instructions and Spesifications,2008
Rancang bang..., Reynhard, FT, 2014