bab iii kendali sederhana vvvf inverter berbasis space ...repository.unika.ac.id/21093/4/15.f1.0028...

21

BAB III

KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE

VECTOR MODULATION (SVM) BAB III KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE

VECTOR MODULATION (SVM)

3.1 Pendahuluan

Pada bab ini akan dijelaskan mengenai metodologi yang digunakan dalam

desain dan implementasi alat, termasuk komponen yang digunakan dalam

prosedur pembuatan alat tugas akhir yaitu Variable Voltage Variable Frequency

(VVVF) Inverter untuk motor induksi tiga fasa berbasis Space Vektor Modulation

(SVM). Teknik kendali yang digunakan dalam mengimplementasi alat yaitu

dengan menggunakan sistem loop terbuka. Untuk mempermudah pemahaman

dapat dilihat pada diagram blok kendali di bawah ini :

Referensi Sinyal Kontrol Output Lookup table Driver IR 2132

(Set point)

Gambar-3.1 Diagram Blok Desain Kendali SVM

3.2 Simulasi dan Desain

Simulasi alat dilakukan untuk menganalisa sistem yang dibuat agar

memenuhi kriteria serta keluaran sesuai yang diharapkan. Dalam proses desain

diharapkan alat yang dibuat mempunyai keandalan yang baik serta dalam bentuk

ringkas dan mudah dalam penggunaan.

KONTROL

-Right Aligned

seq SVM

-dsPIC tipe

33FJ128MC202

PLANT -Three phase

three leg

inverter

-IGBT

-Three phase

induction

motor

22

Berdasarkan prinsip motor induksi, untuk mengatur kecepatan motor

dengan VVVF (Variable Voltage Variable Vrequency) Inverter harus seimbang

antara perbandingan tegangan dan frekuensi seperti pada Gambar-berikut :

Frequency

Volt

age

Hz

V

V / Hz Control

Gambar-3.2 Perbandingan tegangan dan frekuensi pada VVVF Inverter

Agar tidak terjadi arus berlebih, maka terjadi hubungan antara tegangan

dan frekuensi seperti berikut :

fL

V

wL

VI

2 (3-1)

di mana :

I = arus

V = tegangan

w = omega

L = induktansi

f = frekuensi

23

Desain implementasi alat tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar-3.3

berikut :

(B)

(A)

(C)

(Sap) (Sbp) (Scp)

(San) (Sbn) (Scn)

E

Power

SupplyMicrochip

dsPIC 33FJ128MC202

Signal Controller

Driver Optocoupler

HCPL 2531 & IR2132

Three Phase

Induction Motor

Current

Sensor

Gambar-3.3 Desain Blok Sistem

3.2.1 Sistem Kontrol

Pada tugas akhir ini menggunakan Digital Signal Control, tipe yang

digunakan yaitu dsPIC33FJ128MC202. Konfigurasi pin dapat dilihat pada

Gambar-3.4 berikut :

Reset

ADC I/O port

I/O port

Gambar-3.4 Konfigurasi pin dsPIC33FJ128MC202

Mikrokontroler ini memiliki jumlah pin sebanyak 28, di mana memiliki

konfigurasi tersendiri tiap kaki pin yang terdapat pada dsPIC33FJ128MC202.

Kelebihan dari mikrokontroler ini yaitu adanya fasilitas PWM internal dengan

24

menggunakan sumber tegangan 3,3V DC. Master Clear atau MCLR berfungsi

untuk mereset sinyal pada kontroler. Vss adalah sumber positif untuk pin

input/output. Terdapat dua PORT di dalam Mikrokontroler yaitu PORT A dan

PORT B.

Implementasi alat pada Tugas Akhir ini menggunakan metode Space

Vector Modulation berbasis digital dengan kontrol utama berupa Digital Signal

Controller (DSC) dan dilengkapi rangakaian buffer pada output DSC. Pin Buffer

74HC541 dapat dilihat pada Gambar-3.5 berikut :

Gambar-3.5 Konfigurasi pin IC Buffer 74HC541

Pada Gambar-di atas konfigurasi pin A8 sampai dengan pin A1 memiliki

fungsi sebagai input dari Mikrokontroler. Pin Y8 sampai Pin Y1 berfungsi sebagai

keluaran ke driver. IC buffer ini membutuhkan tegangan input sebesar 5V.

Diagram logika IC buffer 74HC541 dapat dilihat pada Gambar-3.6 berikut :

Gambar-3.6 Konfigurasi Gerbang IC Buffer 74HC541

25

Layout sistem kontrol DSC tipe dsPIC 33FJ128MC202 dapat dilihat pada

Gambar-3.7 berikut :

(a) (b) Gambar-3.7 (a) Layout driver dsPIC33FJ128MC202 dan (b) buffer 74HC541 dilengkapi

dengan regulator 3,3 V DC

Tugas akhir ini menggunakan Optocoupler IC HCPL 2531 serta IR2132.

IC HCPL 2531 dapat dilihat pada Gambar-3.8 berikut :

VCC

Vout1

Vout2

GND

Anoda 1

Katoda 1

Katoda 2

Anoda 2

Gambar-3.8 Konfigurasi pin HCPL 2531

Optocoupler 2531 membutuhkan masukan tegangan 12V DC pada pin

VCC dan ground. Keluaran HCPL akan menjadi masukan untuk driver IR2132

sebegai kontrol gate IGBT. IR2132 dapat beroperasi pada offset tegangan

maksimal 600V. Konfigurasi pin IR2132 dapat dilihat Gambar-3.9 berikut :

26

Lengan 1 Atas

Lengan 2 Atas

Lengan 3 Atas

Lengan 1,2,3 gate IGBT

Gate IGBT

Sinyal SVM dari

HCPL2531

Gambar-3.9 Konfigurasi pin IR2132

Suatu catu daya yang ringkas dibutuhkan untuk menyuplai tegangan driver

sesuai kebutuhan masing-masing. Catu daya yang digunakan pada tugas akhir ini

yaitu Isolated B1205s dan B1212s seperti Gambar-3.10 berikut :

Gambar-3.10 DC/DC Isolated B1212s/B1205s

[https://www.acalbfi.com/uk/Power-supplies/DC-DC/PCB-mounted/p/Unregulated-DC-

DC-Converter-Miniature-SIP-DIP-Package/0000005AX4]

DC/DC isolated B1212s digunakan untuk mensuplai tegangan 12 V DC

sedangkan B1205s untuk mensuplai 12 V DC. Spesifikasi B1205s dan B1205s

dapat dilihat pada Tabel-3.1 berikut :

27

Tabel-3.1 Spesifikasi B1212s & B1205s

Tipe

Input Output

Voltage (VDC) Voltage

(VDC)

Current

(mA)

Nominal Range Max min

B1205s 12

10.8-

13.2

5 400 40

B1212s 12 167 17

3.2.2 Sistem Daya

Rangkaian daya (Power Circuit) direalisasikan setelah rangkaian kontrol

selesai dibuat. Rangkaian daya pada Tugas Akhir ini bertujuan meneruskan sinyal

digital Space Vector Modulation (SVM) yang telah dibangkitkan melalui

dsPIC33FJ128MC202.

Rangkaian daya memiliki sistem grounding yang berbeda karena adanya

dua saklar pada satu lengan. Keluaran gelombang sinusoidal tiga fasa yang

dihasilkan pada rangkaian daya difungsikan untuk mengendalikan beban yaitu

motor induksi tiga fasa. Rangkaian daya terdiri dari driver gate saklar statik dan

driver inverter tiga fasa tiga lengan.

Dalam mengimplemntasi inverter tiga fasa berbasis SVM ini digunakan

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Fairchild Semiconductor tipe

FGL60N100BNTD. IGBT seri ini memiliki konfigurasi tiga kaki pada umumnya,

di mana tiga kaki tersebut yaitu gate, collector, dan emitor. Konfigurasi pin

IGBT tipe FGL60N100BNTD dapat di lihat pada Gambar-3.11 berikut :

Gambar-3.11 IGBT tipe FGL60N100BNTD

28

Tegangan input dapat mempengaruhi saklar dan kecepatan motor, maka

dari itu tegangan yang masuk ke dalam IGBT diusahakan diatur dengan arus tidak

boleh melebihi 60A sesuai dengan kapasitas IGBT tersebut seperti pada Tabel 3.2.

Dengan melihat kapasitas yang dimiliki IGBT tersebut mampu digunakan pada

VVVF Inverter yang dibuat.

Tabel 3.2 Fitur IGBT FGL60N100BNTDFitur IGBT FGL60N100BNTD

Fitur Spesifikasi / Karakteristik

Rating tegangan maksimal 1000 V

Rating arus maksimal 60 A

3.3 Motor Induksi Tiga Fasa

Untuk mengetahui hasil tegangan keluaran inverter tiga fasa tiga lengan

berbasis Space Vector Modulation pada tugas akhir ini, digunakan beban daya

sebelum motor induksi tiga fasa pada sisi keluaran inverter. Beban daya terdiri

beban resistif dan induktif seperti Gambar-3.12 berikut :

Beban Induktif Beban Resistif

Gambar-3.12 Beban resistif dan beban induktif

Pada implementasi beban daya, beban resistif sebesar 5,6 Ω dan beban

induktif 5mH dipasang dengan rangkaian bintang (star). Beban daya ini

digunakan untuk analisa awal keluaran inverter.

29

Setelah analisa awal telah sesuai dengan beberapa parameter pengukuran,

beban daya diganti dengan motor induksi. Motor induksi yang digunakan pada

tugas akhir ini yaitu motor induksi tiga fasa tipe asynchronous motors seperti pada

Gambar-3.13 di bawah ini :

Gambar-3.13 Motor induksi tiga fasa

Untuk spesifikasi motor induksi tiga fasa yang digunakan dapat dilihat

pada Tabel-3.1 berikut :

Tabel-3.2 Spesifikasi Motor Induksi Tiga Fasa

Model YS7124 Unit

Rated Power

Rated Voltage

Rated Current

Number of Phase

Maximum Speed

Maximum Frequency

Mass

375

380

1.08

3

1400

50

10

W

V

A

-

RPM

Hz

Kg

3.4 Rangkaian Deteksi Arus LEM HX 10-P

Untuk mendapatkan hasil data arus dari keluaran motor induksi

dibutuhkan sebuah sensor arus. Dengan difungsikannya sensor arus ini maka

sensor dapat digunakan untuk membaca hasil data dari motor induksi sehingga

mendapatkan hasil data keluaran motor tersebut. Dengan data arus yang didapat

nantinya akan mumbuktikan bahwa perubahan amplitudo serta frekuensi dapat

30

mempengaruhi arus yang dibutuhkan motor induksi. Oleh sebab itu, digunakan

sensor arus LEM HX 10-P sebagai alat ukur yang digunakan. Gambar-3.14 dan

skema blok dapat dilihat pada Gambar-3.15 berikut :

Gambar-3.14 Sensor arus LEM HX 10-P

[https://media.rs-online.com/t_large/F4358640-01.jpg]

HX10-P

+12 V

-12 V

+12 V

-12 V

-+

+

++

-

-

-

Rn

Gambar-3. 15 Skema blok sensor arus tipe LEM HX 10-P

Cara kerja sensor arus ini yaitu mengubah besaran arus menjadi besaran

tegangan dengan menambah resistor Rn karena keluaran dari LEM HX 10-P

berupa besaran arus. Lalu sinyal ini diperkuat agar sesuai dengan nilai tegangan

yang diperlukan dengan menggunakan OP-AMP.

https://media.rs-online.com/t_large/F4358640-01.jpg

31

3.5 Implementasi Desain Pemrograman

Algoritma pemrograman VVVF (Variable Voltage Variable Vrequency)

Space Vector Modulation yang diimplementasi dapat dilihat pada alur diagram

berikut :

Look Up Table Method

Clarke Transformation

Magnitude / Angle

Calculation

Sector DeterminationVVVF Duty Cyle (d)

Calculation

Switching Generation

Va, Vb, VcReference

(a,b,c coordinates)

Reference(α,β coordinates)

Vα , Vβ

|V| < θ

Sa, Sb, Sc

Sector |-v| Gambar-3.16 Alur diagram VVVF Inverter berbasis Space Vector Modulation

Gambar-3.16 menjelaskan tentang metode lookup table untuk

membangkitkan referensi tiga fasa (VA,VB,VC). Lookup table adalah suatu teknik

untuk memasukkan data yang telah diolah terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke

dalam mikrokontroler. Sampel data yang diambil akan menghasilkan gelombang

analog yang diinginkan. Setelah ini tiap referensi VA,VB,VC akan bergeser 120º

elektrik.

Tahap selanjutnya, referensi VA, VB, dan VC diolah menggunakan

transformasi Clarke lalu diubah menjadi Vα dan Vβ yang bergeser 90º elektrik satu

sama lain. Magnitude dan sudut/arah seperti pada Gambar-3.16 adalah

32

representasi parameter vektor yang dihasilkan dari dua sinyal referensi dalam

perhitungan Magnitude/Angle Calculation.

Pada duty cycle calculation didapatkan nilai dx, dy, dz yang digunakan

untuk pengambilan sampel data setiap vektor. Pengaturan duty cyle digunakan

untuk mengatur lebar pulsa tegangan keluaran serta frekuensi tertentu, inilah yang

disebut VVVF Inverter. Untuk menentukan modulasi vektor ruang tiap sektor

dapat dilihat pada Gambar-3.17 di bawah ini :

Teta<=60

Teta<=120

Teta<=180

Teta<=240

Teta<=300

(tx,ty)=f(V1,V2)

(tx,ty)=f(V2,V3)

(tx,ty)=f(V3,V4)

(tx,ty)=f(V4,V5)

(tx,ty)=f(V5,V6)

(tx,ty)=f(V6,V1)

SVM

Bas

ed P

WM

Sw

itch

ing

YES

NO

YES

YES

YES

YES

Magnitude &

teta

NO

NO

NO

NO

Gambar-3.17 Penentuan tiap sektor pada teknik SVM

33

Dari diagram di atas dapat diketahui bahwa data berupa sudut fasa dan

magnitude dari vektor tegangan referensi terletak di sektor mana. Misalkan,

apabila diketahui nilai sudut fasa berada di antara sudut 60<=120, maka vektor

ruang yang dilalui sinyal referensi terdapat pada sektor 2. Pada sektor 2, maka

terletak diantara dua buah vektor aktif V2 dan V3, begitu juga proses sektor yang

lainnya. Langkah berikutnya yaitu penghitungan nilai durasi untuk vektor

tegangan yang mengapit tiap sektor. Dari pilihan teknik modulasi vektor ruang

yang ada, akan diketahui urutan pensaklaran tiap lengan inverter. Tugas akhir ini

menggunakan teknik modulasi vektor ruang tipe Right Aligned Sequence. Untuk

memahami persamaan matematis tipe Right Aligned Sequence dapat dilihat pada

Tabel-3.3 berikut :

Tabel-3.3 Tabel matematis nilai modulasi SVM tipe Right Aligned Sequence [7].

Sektor Sinyal Modulasi

Sector#1

0ᵒ ≤ θ ≤ 60ᵒ HcarrierTs

tzHa

5,0

HcarrierTs

txtzHb

5,0

HcarrierTs

tytxtzHc

5,0

Sector#2


tytzHa

5,0

HcarrierTs

tzHb

5,0

HcarrierTs

tytxtzHc

5,0

Sector#3


tytxtzHa

5,0

HcarrierTs

tzHb

5,0

HcarrierTs

txtzHc

5,0

34

Sector#4


tytxtzHa

5,0

HcarrierTs

tytzHb

5,0

HcarrierTs

tzHc

5,0

Sector#5


txtzHa

5,0

HcarrierTs

tytxtzHb

5,0

HcarrierTs

tzHc

5,0

Sector#6


tzHa

5,0

HcarrierTs

tytxtzHb

5,0

HcarrierTs

tytzHc

5,0

Setelah didapatkan nilai modulasi, selanjutnya diproses dengan

menggunakan software Microsoft Excel untuk mengetahui hasil perhitungan

dengan menggunakan grafik sebelum diimplementasi dalam bahasa C

pemrograman. Contoh nilai modulasi pada sektor#1 – sektor#6 yang telah diolah

di Microsoft Excel dapat dilihat pada Gambar-3.18 berikut :

Gambar-3.18 Kurva Space Vector Modulation pada sektor#1 – sektor#6

bab iii kendali sederhana vvvf inverter berbasis space ...repository.unika.ac.id/21093/4/15.f1.0028...

Documents