Inverter untuk mengontrol motor induksi = inventer controlling induction motor - USD Repository
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma Disusun oleh:
YOHANES DWI ATMOKO
NIM: 025114044
FINAL PROJECT
Submitted as partial fulfillment of The requirement for Sarjana Teknik degree in Electrical Engineering
Faculty of Engineering Sanata dharma University Compiled by:
YOHANES DWI ATMOKO
NIM: 025114044
MOTO DAN PERSEMBAHAN
MOTO: ¾ ]tÇztÇ Åâwt{ áx~tÄ| ÅxÇçxÜt{ }|~t ~xtwttÇ ÅxÇ}tw| uâÜâ~? ~tÜxÇt gâ{tÇ ux~xÜ}t w| wtÄtÅ {|wâÑ ~|àtA ¾
]|~t à|wt~ wtỦtà tỦt çtđz ~|àt áâ~tAAAAAuxẩt}tưẩt{ âđàâ~ ẫxđçâ~t| tỦt çtÇz ~|àt wtÑtàAAA PERSEMBAHAN: ~â Ủxưáxẫut{~tđ ~tưçt ~xv|ẩ~â |đ| âđàâ~ M
KATA PENGANTAR
Syukur kepada Tuhan yang telah melimpahkan rahmat serta kasih-Nya kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Inverter Untuk Mengontrol
Motor Induksi”.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan dengan baik tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan terimakasih kepada: 1. Bapak A. Bayu Primawan, S.T.,M.Eng. selaku Kaprodi Teknik Elektro.
2. Bapak Martanto, S.T., M.T dan pak Petrus Setyo Prabowo S.T. yang telah dengan sabar membimbing dan menyemangati serta memberikan ilmunya kepada penulis, sehingga penulis semakin terpacu untuk menyelesaikan skripsi ini dengan sebaik- baiknya.
3. Pak Djoko Untoro, S.si, M.T selaku pembimbing akademik
4. Segenap dosen dan karyawan Teknik atas bimbingan, ilmu dan pelayanan yang diberikan selama ini.
5. Laboran TE mas hardi, mas mardi, mas Sur, Mas Broto serta mas Yusuf yang sering tak repotin selama ini.
9. Yusnita, d lia yang telah memberikan doa, dorongan, dan kesabaran karena ke-Betean ku selama penyusunan tugas akhir ini.
10. Cah-cah kampung wiyu dimana aku tinggal, yang selalu penuh kerja keras “ angkat sekopmu”.
11. Mitsubishi 120Ps 91 yang banyak membantu aku, “ojo rusak terus aku masih membutuhkanmu”.
Semoga Tuhan melimpahkan rahmat-Nya kepada kita semua dan semoga tulisan ini dapat berguna dan bermanfaat bagi penulis maupun pembaca semuanya, Amin.
Jogjakarta, Juli 2007 Penulis,
Yohanes Dwi Atmoko
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL .................................................................................. i HALAMAN JUDUL (INGGRIS)................................................................ ii HALAMAN PENGESAHAN ..................................................................... iii PERNYATAAN KEASLIAN KARYA TULIS.......................................... v HALAMAN MOTO DAN PERSEMBAHAN........................................... vi KATA PENGANTAR ................................................................................ vii DAFTAR ISI................................................................................................ ix DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xiii DAFTAR TABEL ……………………………………………………….. xvi DAFTAR LAMPIRAN................................................................................ xvii
INTISARI .................................................................................................... xviii
ABSTRACT ................................................................................................... xix
BAB I. PENDAHULUAN ..........................................................................1 1.1 Judul..............................................................................................
1 1.2 Latar Belakang .............................................................................
1 1.3 Perumusan Masalah ......................................................................
2
2.2 Tapis Kapasitor ...........................................................................
7 2.3 Pembangkit Gelombang Sinus .....................................................
8 2.4 Buffer Tegangan ...........................................................................
9 2.5 Pembangkit Gelombang Segitiga .................................................
10 2.6 SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) . ............................
11 2.7 Transistor . ....................................................................................
16 2.8 Optokopler . ..................................................................................
18 2.9 Chopper Empat Kuadran . ............................................................
18 2.9.1 Kuadran satu .......................................................................
19 2.9.2 Kuadran dua ........................................................................
20
2.9.3 Kuadran tiga ........................................................................ 20 2.9.4 Kuadran empat ....................................................................
21 2.10 MOSFET ....................................................................................
22 2.11 Motor Induksi Satu Fasa ............................................................
24
2.12 Penapis Aktif Lolos Rendah ....................................................... 25 2.13 Multivibrator Astabil ..................................................................
26 2.14 D Flip-Flop..................................................................................
28 2.15 Gerbang logika NAND ...............................................................
29
3.3 Pembangkit Gelombang Sinus......................................................
52 3.11.2 Rangkaian Pencacah, Lacth, dan Multiplekser .................
61 4.1 Cara Pengoperasian Alat...............................................................
60 BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ...................................................
57 3.11.3 Dekoder dan 7-segmen LED .............................................
56 3.11.2 Rangkaian Pencacah, Lacth, dan Multiplekser .................
55 3.11.1 Rangkaian Pengondisi Sinyal ...........................................
55 3.11 Penampil Kecepatan Motor.........................................................
53 3.11.3 Dekoder dan 7-segmen LED..............................................
3.11 Penampil Frekuensi Inverter....................................................... 51 3.11.1 Rangkaian Pengondisi Sinyal ...........................................
38 3.4 Pembangkit Gelombang Segitiga..................................................
51
49 3.10 Rangkaian Basis Waktu ..............................................................
47 3.9 Pewaktu.........................................................................................
3.7 Chopper......................................................................................... 46 3.8 Motor AC ......................................................................................
3.6 Kendali Kaki Gate ........................................................................ 44
41
39 3.5 SPWM...........................................................................................
61
4.7 Pengamatan Motor. .......................................................................
71 4.7.1 Pengamatan Frekuensi Motor . ............................................
71 4.7.2 Pengamatan Kecepatan Motor ............................................
75 4.7.3 Pengamatan Arus Motor . ....................................................
79 BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................
81 5.1 Kesimpulan ...................................................................................
81 5.2 Saran .............................................................................................
81 DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................
82
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Jembatan penyearah gelombang penuh..................................................
6 Gambar 2.2 Penyearah dengan filter kapasitor ..........................................................
7 Gambar 2.3 Pembangkit gelombang sinus dengan XR-2206 ....................................
9 Gambar 2.4 Konfigurasi buffer tegangan................................................................... 9 Gambar 2.5 Pembangkit gelombang segitiga ............................................................
10 Gambar 2.6 Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga .......................................
11 Gambar 2.7 Pembangkit sinyal SPWM .....................................................................
12 Gambar 2.8 Bentuk gelombang SPWM.....................................................................
13 Gambar 2.9 Kontrol tegangan dengan mengubah nilai m ....................................... 14 a
Gambar 2.10 karakteristik BJT. (a) NPN transistor. (b) ideal karakteristik (c) karakteristik transistor ..........................................................................................16 Gambar 2.11 Transistor sebagai saklar......................................................................
17 Gambar 2.12 Optokopler. ..........................................................................................
18 Gambar 2.13 Chopper empat kuadran .......................................................................
19 Gambar 2.14 Kuadran pertama dengan tegangan dan arus beban positif..................
19 Gambar 2.15 Kuadran kedua dengan tegangan beban negatif dan arus positif .........
20
Gambar 2.22 Motor Induksi satu fasa........................................................................24 Gambar 2.23 Motor kapasitor ....................................................................................
25 Gambar 2.24 Kurva umum karakteristik penapis lolos rendah..................................
26 Gambar 2.25 Rangkaian penapis VCVS....................................................................
26 Gambar 2.26 Rangkaian multivibrator dengan IC 555..............................................
27 Gambar 2.27 Rangkaian D flip-flop ..........................................................................
28 Gambar 2.28 Rangkaian logika gerbang logika NAND ............................................
29 Gambar 2.29 (a) pencacah dekade (b) bentuk gelombang.........................................
31 Gambar 2.30 Rangkaian dekoder BCD ke 7-segmen LED .......................................
33 Gambar 3.1 Blok diagram voltage source inverter.................................................... 35 Gambar 3.2 Jembatan penyearah gelombang penuh..................................................
35 Gambar 3.3 Tapis kapasitor .......................................................................................
37 Gambar 3.4 Pembangkit gelombang sinus menggunakan XR-2206 .........................
39 Gambar 3.5 Pembangkit gelombang segitiga ............................................................
41 Gambar 3.6 Rangkaian SPWM..................................................................................
42 Gambar 3.7 Rangkaian kendali kaki gate .................................................................. 45 Gambar 3.8 Chopper empat kuadran .........................................................................
47 Gambar 3.9 (a) Rangkaian pewaktu 1 detik, (b) Rangkaian reset dan lacth ............ 50
Gambar 3.15 Rangkaian penampil kecepatan dengan menggunakan IC 4553, IC 4511 dan 7-segmen LED tiga digit. ......................................................59 Gambar 4.1 Gelombang sinus dengan frekuensi 45Hz..............................................
63 Gambar 4.2 Pengamatan Gelombang segitiga ...........................................................
65 Gambar 4.3 Pengamatan keluaran pembanding gelombang segitiga dengan sinus ........................................................................................................................... 67
Gambar 4.4 Pengamatan pendeteksi perpotongan dengan nol dengan frekuensi48Hz........................................................................................................................... 68 Gambar 4.5 Pengamatan keluaran SPWM.................................................................
69 Gambar 4.6 Pengamatan kendali kaki gate satu dan tiga...........................................
70 Gambar 4.7 Grafik galat pada pengamatan frekuensi................................................
74 Gambar 4.8 Grafik galat pengukuran kecepatan........................................................
77 Gambar 4.9 Pengaruh perubahan frekuensi terhadap kecepatan motor.....................
78
DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Harmonisa yang ternormalisasi untuk Vo dengan > 21............................
15 f
m Tabel 2.2 Tabel kebenaran D flip-flop.............................................................................
29 Tabel 2.3 Tabel kebenaran gerbang logika NAND .........................................................
30 Tabel 2.4 Tabel kebenaran Pencacah dekade ..................................................................
32 Tabel 3.1 hubungan frekuensi dan kecepatan ..................................................................
48 Tabel 4.1 Pengamatan pada penyearah ............................................................................
62 Tabel 4.2 Pengamatan pada gelombang sinus .................................................................
64 Tabel 4.3 Pengamatan pada gelombang segitiga .............................................................
66 Tabel 4.4 Pengamatan pada kendali kaki gate.................................................................
70 Tabel 4.5 Pengamatan frekuensi ......................................................................................
72 Tabel 4.6 Pengamatan kecepatan.....................................................................................
75 Tabel 4.7 Pengamatan pengaruh perubahan frekuensi terhadap arus dan Kecepatan......................................................................................................................... 79
DAFTAR LAMPIRAN
A. Rangkaian lengkap inverter ............................................................................. L1
B. Data percobaan................................................................................................. L2
C. Data Sheet ........................................................................................................ L3
INTISARI
Elektronika daya dimanfaatkan pada peralatan elektronika di industri dan rumah tangga. Inverter memberikan kemudahan dalam pengaturan kecepatan motor AC,
inverter merupakan konverter tegangan DC ke tegangan AC. Dengan menggunakan
inverter modulasi lebar pulsa dimungkinkan tegangan keluaran AC dapat mendekati bentuk gelombang sinus, sehingga disebut modulasi lebar pulsa sinus. Gelombang sinus dengan frekuensi yang dapat diatur dibandingkan dengan gelombang segitiga dengan frekuensi tetap.
Pada perancangan ini dijelaskan perancangan inverter 1 fasa. Gelombang sinus dengan frekuensi yang dapat diatur dari 15Hz sampai dengan 50Hz dibandingkan dengan gelombang segitiga dengan frekuensi 2000Hz. Hasil pembandingan merupakan sinyal modulasi lebar pulsa sinus dengan rasio modulasi amplitudo m =1 dan rasio modulasi a frekuensi m minimal adalah 40. Penyerahan masukan AC menggunakan dioda f jembatan H 35MB60A, dan untuk konversi DC ke AC menggunakan chopper empat kuadran dengan pensaklaran menggunakan MOSFET 2SK2611. Tampilan frekuensi dan kecepatan putar motor ditampilkan dengan 7-segmen LED. Pengaturan frekuensi
inverter dilakukan dengan mengatur frekuensi gelombang sinus.
Pada tugas akhir ini inverter yang dibuat diatur frekuensinya dari 25Hz sampai dengan 48Hz yang menghasilkan perubahan putaran dari 1470rpm sampai dengan 2870rpm, dengan menggunakan beban motor AC 220V/50Hz. Kata kunci: inverter, modulasi lebar pulsa sinus, Pengaturan frekuensi.
ABSTRACT Power electronics used in electronic devices of industry and household. Inverter
is voltage converter DC to AC, Inverter gives amenity in speed control of AC motor. By
using pulse width modulation inverter in order to shape the output AC voltage to be as
close to sine wave, causing is called as sinusoidal pulse width modulation. Sine wave
with variable frequency compared to triangular wave with constant frequency.At this scheme explained the scheme of single phase inverter. Sine wave with
variable frequency 15Hz up to 50Hz compared to triangular wave with frequency
2000Hz. Result of compared is modulation signal of sine pulse width with amplitude
modulation ratio m = 1 and frequency modulation ratio minimum m is 40. The AC
a finput is rectified through a diode bridge 30MB60A, and switch-mode DC to AC inverters
applies four quadrants chopper with MOSFET 2SK2611 switches . Frequency appearance
and rotation speed of motor is presented with 7-segmen LED. Frequency Control of
inverter is done by arranging sine wave frequency.At this final task the frequency of the inverter is arranged from 25Hz up to 48Hz
gets change of rotation speed from 1470rpm up to 2870rpm, by using AC motor
220V/50Hz.Keyword: inverter, sinusoidal pulse width modulation , frequency control.
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Judul Inverter Untuk Mengontrol Motor Induksi (Inverter Controlling Induction Motor)
1.2 Latar Belakang
Perkembangan teknologi elektronika memberikan kemudahan dan menambah kenyamanan bagi semua lapisan masyarakat dalam malakukan aktifitas sehari-hari.
Elektronika daya dimanfaatkan pada berbagai peralatan elektronika yang dapat dijumpai setiap hari antara lain televisi, dan catu daya tak terputus (UPS Uninterruptible power
supplies ).
Salah satu pemanfaatan yang lain adalah dalam pengendalian motor AC. Pengendalian putaran motor AC banyak dijumpai dalam industri antara lain pada pengendalian blower, HPP (High Pressure Pump), sugar mills, blending, dan lain-lain.
Peralatan elektronik yang menggunakan motor AC pada rumah tangga umumnya masih memakai peralatan mekanik, antara lain pada mixer dengan saklar mekanik dan pada motor mesin jahit dengan menggunakan batang arang.
2
1.3 Perumusan Masalah
Permasalahan yang timbul dalam penyusunan tugas akhir ini dapat dirumuskan sebagai berikut:
1. Bagaimana merancang dan membuat piranti yang dapat mengkonversi tegangan listrik AC PLN menjadi tegangan DC (Penyearah).
2. Bagaimana merancang dan membuat alat perangkat keras yang dapat mengkonversi tegangan DC menjadi AC (Inverter).
3. Bagaiman merancang dan membuat piranti yang dapat mengontrol frekuensi keluaran.
4. Pemilihan motor induksi yang akan di kontrol.
1.4 Batasan Masalah
Batasan masalah pada tugas akhir ini yaitu: 1. Inverter yang akan dirancang dan dibuat adalah Voltage Source Inverter.
2. Motor induksi yang dipakai memiliki tegangan 220V, frekuensi 50Hz, satu fasa, dan memiliki kecepatan 3000rpm (rotation per minute).
3. Bentuk gelombang keluarannya adalah Modulasi Lebar Pulsa Sinus (SPWM, Sinusoidal Pulse Width Modulation ), dengan frekuensi pembawa 2kHz.
3
1.5 Manfaat Penelitian
Menerapkan pemanfaatan elektronika daya pada pengaturan kecepatan motor listrik AC 1 fasa.
1.6 Susunan Penulisan Tugas Akhir
Untuk lebih memperjelas penyampaian materi laporan ini, maka dipaparkan susunan penulisan sebagai berikut: BABI PENDAHULUAN
Dijelaskan tentang latar belakang, rumusan dan batasan masalah yang akan disampaikan, tujuan penulisan serta sistematika penulisan ini.
BAB II DASAR TEORI Berisi dasar teori yang digunakan yaitu penyearah, tapis kapasitor, SPWM, pembangkit gelombang sinus, pembangkit gelombang segitiga, transistor sebagai saklar, MOSFET, optokopler, chopper, motor induksi satu fasa, penapis lolos rendah, mutivibrator astabil, D flip-flop, logika gerbang NAND, pencacah dekade, demultiplekser dan dekoder.
BAB III PERANCANGAN ALAT Berisikan perancangan tiap bagian dari Voltage Source Inverter yaitu
4
BAB IV PEMBAHASAN Berisi hasil uji coba alat yang dibuat dan pembahasan dari penelitian yang dilakukan. BAB V PENUTUP Berisi kesimpulan dari penelitian yang dilakukan.
BAB II DASAR TEORI Inverter digunakan untuk mengkonversi tegangan dari sumber DC menjadi AC. Inverter banyak digunakan untuk mengontrol motor AC dan UPS [2]. Sumber DC bisa
didapatkan dari baterai atau dengan penyearahan dari sumber AC. Untuk penyearahan dapat mengunakan penyearahan takterkontrol (mengunakan dioda) atau penyearahan terkontrol (mengunakan saklar), untuk penyearahan terkontrol dapat mengunakan SCR (Silicon Controlled Rectifier) sebagai penyaklaran.
Ada dua tipe inverter yaitu: voltage source inverters (VSIs) dan current source
inverters (CISs). Untuk VSIs dapat dibagi ke dalam tiga kategori umum yaitu: 1.
PWM Inverter.
Inverter ini memiliki masukan DC yang selalu tetap, oleh karena itu inverter harus mengendalikan amplitudo dan frekuensi dari tegangan keluaran AC.
Dengan PWM dimungkinkan tegangan keluaran AC dapat mendekati bentuk gelombang sinus, sehingga disebut sinusoida PWM.
2. Square Wave Inverter.
Inverter ini memiliki tegangan masukan DC yang dikontrol untuk mengendalikan
6
3. Single Phase Inverter With Cancellation.
Dalam kasus dari inverter dengan keluaran satu fasa sangat mungkin untuk mengendalikan amplitudo dan frekuensi keluaran, masukan dari inverter adalah DC konstan dan pensaklaran inverter mengunakan gelombang kotak. Oleh karena itu, inverter ini mengkombinasikan karakteristik dari kedua inverter sebelumnya.
Teknik voltage cancellation hanya bekerja pada inverter satu fasa.
2.1 Penyearah
Konverter AC ke DC secara umum dikenal dengan nama penyearah dan dioda penyearah menyediakan tegangan DC yang pasti [4]. Penyearah gelombang penuh adalah rangkaian yang mengubah bentuk gelombang bolak-balik menjadi searah pada seluruh siklus gelombangnya. Rangkaian ini menggunakan metode jembatan, seperti terlihat pada gambar 2.1.
D3 DIODE R Vs
220Vac D2 DIODE D1 DIODE D4 DIODE
7
V = 2 × m rms
V
(2-1) Tegangan keluaran rata-rata adalah T
2
2 V
π m V = V sin tdt = = . 6366 V (2-2) dc m m ϖ
∫ T π
Nilai rms tegangan dan arus keluaran adalah T 1 2
2 2 V ⎡ 2 ⎤ m sin . 707 (2-3) V = ( rms m m V ω t ) dt = =
V ∫
T
2 ⎢⎣ ⎥⎦
(2-4)
V . 707 rms m
V I = = rms R R
2.2 Tapis Kapasitor Penapisan dilakukan dengan menghubung paralel kapasitor dengan beban [4].
Kapasitor memperlama arus yang mengalir ke beban sehingga mengurangi ripple pada tegangan keluaran, gambar 2.2 menunjukkan penyearah dengan tapis kapasitor. Bila tegangan masukan melebihi tegangan kapasitor, maka kapasitor berisi muatan, dioda- dioda (D1 dan D4 atau D2 dan D3) konduksi. Bila tegangan masukan lebih rendah dari pada tegangan kapasitor maka dioda-dioda (D1 dan D4 atau D2 dan D3) mengalami bias mundur dan kapasitor melepaskan muatannya melalui resistansi beban.
8 Agar arus ripple harmonisa ke-n lebih mudah melewati tapis kapasitor, impedansi beban harus lebih besar dibandingkan kapasitor, maka: 2 2
1 R ( n ω L ) ⟩⟩ + (2-5)
n C
ω e Dengan ω 2 = π × f dan f merupakan frekuensi sumber tegangan ac.
Kondisi ini dipenuhi dengan hubungan
10 2 +
R ( n L ) = 2
(2-6) ω
n ω C e Dan dengan kondisi ini, pengaruh beban akan diabaikan.
2.3 Pembangkit Gelombang Sinus
Gelombang sinus dibangkitkan oleh XR-2206 yang merupakan sebuah generator fungsi yang mampu membangkitkan gelombang sinus, segiempat, segitiga, lereng dan denyut dengan ketelitian yang cukup tinggi [7]. Frekuensi kerja dari XR-2206 dapat dipilih antara rentang 0.01Hz sampai dengan lebih dari 1MHz. Rangkaian ini idealnya digunakan pada komunikasi, instrumentasi dan generator fungsi. Frekuensi keluaran dapat diperoleh dari persamaan 2.7.
XR-2206 dibagi dalam empat blok menurut fungsinya yaitu voltage controlled
9 Potensiometer R digunakan untuk mengatur frekuensi keluaran. Keluaran 1 amplitudo maksimum sebanding dengan resistor , untuk gelombang keluaran berupa
R 3 sinus, amplitudo keluaran mendekati 60mV puncak per kiloOhm.
Gambar 2.3. Pembangkit gelombang sinus dengan XR-2206.2.4 Buffer Tegangan
Buffer tegangan berfungsi untuk mempertahankan tegangan keluaran agar tidak
terbebani oleh beban [6]. Tegangan keluaran yang dihasilkan rangkaian buffer tegangan sama dengan tegangan masukan. Konfigurasi buffer tegangan seperti pada gambar 2.4.
Op1
10
2.5 Pembangkit Gelombang Segitiga
Gelombang segitiga dibangkitkan mengunakan dua buah OpAmp (Operational
Amplifier ), OpAmp yang pertama digunakan untuk menghasilkan tegangan kotak dan
OpAmp yang kedua sebagai integrator yang menghasilkan tegangan segitiga[6].Rangkaian pembangkit gelombang segitiga ditunjukkan pada gambar 2.5.
pR C1 R
Vcc Vcc
7
7 +
3 Ri
3
6 V1 + Rc
6 -
2 -
2
4
4 Vee
Vee Gambar 2.5. Pembangkit gelombang segitiga.
Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga dapat diterangkan dengan gambar
2.6. Dengan acuan waktu sampai titik B, pada kondisi awal Vramp = 0 dan keluaran
pembanding
V . Setelah t = pada kapasitor terjadi pengosongan sehinga Vramp sat
turun sampai batas
V , saat Vramp = LT LT V maka keluaran pembading akan bernilai
11
- V sat
V UT
Vramp A B C D
V LT
−
V sat Gambar 2.6. Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga.
Tegangan puncak dari gelombang segitiga dirumuskan dengan rasio perbandingan p antara resistor umpan balik pR ke resistor R dan tegangan saturasi. Diberikan oleh persamaan 2-8a dan 2-8b.
−
V sat V = − UT
(2-8a)
p
- V sat V = − UT
- Vbb
(2-8b)
p
Dengan:
pR p =
(2-9)
R Frekuensi keluaran pembangkit gelombang segitiga ini diberikan oleh persamaan 2-10. p
(2-10)
f =
4 RiC
12 gelombang segitiga yang memiliki periode konstan dengan gelombang sinus. Blok diagram SPWM untuk inverter satu fasa terlihat pada gambar 2.7.
U3A
sinus
4 +
3
1 SPWM
2 - OP-11 segitiga
11 Gambar 2.7. Pembangkit sinyal SPWM.
Pada inverter frekuensi dari gelombang segitiga selalu konstan dengan amplitudo . Gelombang segitiga memiliki frekuensi , yang disebut sebagai frekuensi
V tri f s
pembawa. Sinyal kontrol
V digunakan untuk memodulasi dan memiliki frekuensi f contol 1
( f juga disebut sebagai frekuensi modulasi), sinyal kontrol ini merupakan gelombang 1 sinus sebagai frekuensi dasar dari tegangan keluaran inverter. Bentuk gelombang SPWM dapat dilihat pada gambar 2.8. Keluaran tegangan dari inverter tidak dapat seperti sinus murni dan pasti memiliki komponen tegangan pada frekuensi harmonis dari f . Modulasi 1 amplitudo memiliki rasio m di definisikan sebagai: a
V control m = a
(2-11)
V tri
Dengan adalah tegangan puncak kontrol sinyal, dan adalah amplitudo dari
V contol V tri
13
Gambar 2.8. Bentuk gelombang SPWM.Tegangan keluaran Vo terdapat harmonisa dengan tegangan harmonisa ternormalisasi , yang memiliki amplitudo yang signifikan. Tegangan puncak dari
Vo Vd h
komponen frekuensi dasar adalah . Maka rata-rata tegangan keluaran dapat
Vd Vo
diperoleh dari perbandingan V dengan contol tri V dan Vd:
V control Vo = × Vd dengan V ≤ contol tri V (2-13)
V tri
Dalam SPWM, amplitudo dari komponen frekuensi dasar pada tegangan keluaran yang bervariasi secara linear dengan (menghasilkan 1 . ). Hal tersebut
m m ≤ a a
14 mengandung harmonisa jika dibandingkan dengan daerah linear. Gambar 2.9 menunjukkan amplitudo puncak dari frekuensi dasar ternormalisasi sebagai fungsi dari modulasi amplitudo m . a
Vo h Vd
π
4
overmodulation
Linear gelombang kotak 0 1 3,24 m a Gambar 2.9 Kontrol tegangan dengan mengubah nilai m . a Harmonisa dalam bentuk gelombang tegangan keluaran inverter tampak pada
sideband, yang terpusat pada frekuensi pensaklarannya, dan perkaliannya yaitu berada di
sekitar harmonis m , 2 m , 3 m , dan sebagainya. Amplitudo harmonisa tidak f f f dipengaruhi oleh m . meskipun demikian m mengambarkan frekuensi dimana itu f f terjadi. Frekuensi dimana tegangan harmonis itu terjadi dapat diketahui dengan:
f = jm ± k f h ( f ) 1
(2-15)
15 Dalam table 2-1, harmonisa yang ternormalisasi Vd Vo h menyusun tabel sebagai fungsi dari modulasi amplitudo , dengan asumsi . Dalam tabel hanya yang memiliki amplitudo yang penting sampai j = 4. a
0.113 0.062 0.157 0.044
3
4
3
2
3
3 ± ± ± f f f f
m m m m
0.335 0.044
0.123 0.139 0.012
0.083 0.203 0.047
0.171 0.176 0.104 0.016
7
0.181 0.212 0.033
4
5
4
3
4
1
4 ± ± ± ±
f f f f m m m m 0.163
0.012 0.157 0.070
0.008 0.132 0.034
0.105 0.115 0.084
6
0.314 0.139 0.013
m
m m m
9 ≥ f
m Tabel 2-1. Harmonisa yang ternormalisasi untuk Vo dengan > 21. f m a m
H
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1 Fundamental 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
4
2 ± ± f f f
1.242 0.016
0.024 0.370 0.071
1.15 0.061
1.006 0.131
0.818 0.220
0.601 0.318 0.018
5
2
3
2
1
2 ± ± ± f f f
m m m 0.190 0.326
0.068 0.009 0.119
16 Disubtitusi dengan persamaan 2-11 diperoleh: 1 ( m ) × Vd a h
( Vo ) = × Vd × h
2 Vd
1 ( Vo ) = × Vd × ( m ) h a h
(2-17)
2
2.7 Transistor Sebagai Saklar
Simbol dan karakteristik dari BJT (Bipolar Junction Transistor) dapat dilihat pada
gambar 2.10 [2]. BJT memiliki tiga terminal yaitu kolektor, basis dan emitor (gambar2.10a). BJT diaktifkan dengan memberikan sinyal yang konstan pada basis. BJT memiliki tegangan bloking pada kondisi off dan arus maju yang besar pada kondisi on (gambar 2.10b). Karena BJT dikendalikan arus, maka arus basis yang besar, dan
β transistor yang besar membuat transistor pada kondisi saturasi (gambar 2.10c). Pada kondisi saturasi tegangan kolektor-emitor selalu konstan dan arus kolektor didefinisikan sebagai arus eksternal pada rangkaian kontak.
(a) Ic Saturasi Linear
17 Transistor memiliki tiga daerah operasi (gambar 2.10c) saturasi, aktif, dan cutoff. Untuk transistor NPN pada daerah saturasi, arus basis besar sehingga tegangan kolektor emitor rendah dan transistor bekerja sebagai saklar, sambungan kolektor emitor, dan basis emitor bias maju gambar 2.11. Pada daerah linear atau aktif transitor bekerja sebagai penguat dengan arus kolektor dikuatkan sebesar penguatan tertentu. Pada daerah cutoff (kondisi off) arus basis tidak mencukupi atau sangat rendah dan sambungan basis emitor bias mundur.
VCC
VCC
VCC
VCC RC RC RC RC
3
3 RB RB
2 Q1
2 Q1
0V
1
1 Gambar 2.11. Transistor sebagai saklar.
Level saturasi untuk arus kolektor pada rangkaian dapat di definisikan sebagai berikut:
Vcc − Vce sat Ic = sat
(2-18)
Rc
18 Maka:
Vbb Vbe
−
Rb <
(2-21)
Ib
Dengan persamaan-persamaan diatas maka dapat dicari nilai Rb dan Rc yang sesuai agar transistor dapat berfungsi sebagi saklar.
2.8 Optokopler
Optokopler terdiri dari dua bagian yaitu bagian pengirim cahaya dengan mengunakan dioda infra merah dan bagian penerima cahaya dengan mengunakan photo transistor diperlihatkan pada gambar 2.12 [8]. Optokopler dapat diaplikasikan sebagai sensor dan isolasi antara dua rangkaian. Dioda infra merah dan photo transistor dipasang saling berhadapan, jika dioda infra merah dialiri arus maka akan menghasilkan cahaya infra merah. Karena cahaya mengenai bagian basis dari photo transistor menyebakan photo transistor dapat menghantarkan arus (on). Saat dioda infra merah tidak memancarkan cahaya atau cahaya yang dihasilkan terhalang, photo transistor off, karena pada bagian basis tidak mendapatkan cahaya infra merah.
19 mempermudah, diasumsikan saklar ideal dan sinyal kendali basis dapat digunakan untuk menggambarkan tegangan beban. T1 T2 D1 D2 Vd C A + -
1
2 III II Ia IV I Vo T3 T4 D3 D4 Gambar 2.13. Chopper empat kuadran.2.9.1 Kuadran Satu
Pada kuadran pertama menghasilkan tegangan dan arus keluaran positif. Ini diperoleh dengan menghidupkan T1 dan T4 secara bersama-sama, seperti terlihat pada
gambar 2.14. menyebakan tegangan beban sama dengan tegangan sumber. Pada kuadran pertama ini menghasilkan perputaran motor yang searah jarum jam atau forwardmotoring . T1
20
2.9.2 Kuadran Dua
Kuadran kedua menghasilkan arus positif dengan tegangan negatif yang mengalir ke beban. Karena T1 dan T4 terhubung dalam waktu tertentu, dan kemudian dimatikan.
Tegangan sumber lebih kecil dari tegangan ggl induksi motor. Arus dalam induktor tetap mengalir sampai energi di dalamnya habis ke titik 0. karenanya, dioda D2 dan D3 mengambil alih, membuat arus tetap mengalir ke arah yang sama, tetapi tegangan beban adalah negatif dalam bentuk rangkaian yang baru, seperti pada gambar 2.15.
Ia D2 II Vd
1 + -
2 Vo C A D3 Gambar 2.15. Kuadran kedua dengan tegangan beban negatif dan arus positif.
2.9.3 Kuadran Tiga
21
T2 Ia Vd
1 - +
2 C A III Vo T3 Gambar 2.16. Kuadran ketiga dengan tegangan dan arus beban negatif.
2.9.4 Kuadran Empat
Pada operasi kuadran keempat menghasilkan tegangan positif dan arus negatif pada beban. T2 dan T3 off dan karena tegangan sumber lebih kecil dari tegangan ggl induksi motor. Arus dalam induktor tetap mengalir sampai energi di dalamnya habis ke titik 0. karenanya, dioda D1 dan D4 mengambil alih, membuat arus tetap mengalir ke arah yang sama, tetapi tegangan beban adalah positif dalam bentuk rangkaian yang baru, seperti pada gambar 2.17.
D1 Ia
22
2.10 MOSFET
Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) merupakan piranti
yang dikendalikan dengan tegangan dan hanya membutuhkan arus masukkan yang kecil [2]. MOSFET memiliki tiga kaki yaitu source, gate, dan drain. MOSFET memiliki kecepatan kontak yang tinggi dan waktu kontak dalam orde nano detik. MOSFET dapat ditemui dalam aplikasi daya rendah dengan konversi frekuensi tinggi.
Ada dua tipe MOSFET yaitu depletion MOSFET dan enhancement MOSFET, symbol MOSFET ditunjukan pada gambar 2.18. MOSFET memiliki impedansi input 9 11 yang tinggi, 10 hingga 10 . MOSFET membutuhkan energi gate yang rendah dan memiliki switching losses yang rendah. Penguatan arus yaitu perbandingan antara arus 9
drain I dan arus gate D G I rata-rata dalam orde
10 . Transconductance yaitu perbandingan arus drain
I dengan tegangan gate, sebagai transfer karakteristik dan D merupakan parameter yang sangat penting.
D D
1 G G
2
3 S
S
n-chanel MOSFET tipe depletion n-chanel MOSFET tipe enhancement
23
V V > 4 GS
I DS
V D
I
DSKetika pada daerah linear, arus drain berubah secara proporsional terhadap tegangan drain source . Pada daerah saturasi arus drain selalu konstan untuk setiap penigkatan nilai . D
V Gambar 2.20. Karakteristik keluaran dari MOSFET tipe enhancement.
V V = DS
V T GS
V 1 GS
V V V − = 2 GS
V T GS DS
V 3 GS
I GS 4 GS
3. Daerah linear ketika T GS DS
Daerah linear daerah saturasi atau pinch off D
V Gambar 2.19. Transfer karakteristik dari n-chanel MOSFET tipe enhancement.
V GS
I T
V D
dengan = konstan (2-22) DS
=
V I g Δ Δ
GS g D m
didefinisikan sebagai berikut: m
V V V − ≤ . Transconductance
V
24
VDD RL RS M1
I1 RG Gambar 2.21. Rangkaian pensaklaran MOSFET.
Tegangan gate-source
V dapat ditentukan dengan: GS R × G G
V V =
(2-23) GS +
R R S G
Nilai R adalah nilai hambatan dalam pada kendali kaki gate. Maka nilai R S G diperoleh dengan:
R × 3 GS
V R = G
(2-24)
V − G GS
V
2.11 Motor Induksi Satu Fasa
Motor induksi satu fasa memiliki lilitan stator yang terbagi dalam beberapa celah sehingga menghasilkan pembagian arus gerak magnetik [1]. Motor ini tidak memiliki momen putar awal pada saat dihidupkan, tetapi apabila motor ini dihidupkan dengan cara bantuan, motor akan terus bekerja gambar 2.22.