DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION (SVM) PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN dsPIC LAPORAN TUGAS AKHIR - DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION (SVM) PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN
DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING
BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION (SVM)
PADA INVERTER TIGA FASA
MENGGUNAKAN dsPIC
LAPORAN TUGAS AKHIR
Oleh :
ARIFIN WIBISONO
10.50.0016
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA
SEMARANG
2014
PENGESAHAN
Laporan Tugas Akhir dengan judul : “ Desain dan Implementasi Pola Switching
Berbasis Space Vector Modulation pada Inverter Tiga Fasa Menggunakan dsPIC” diajukan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro pada Program Studi Teknik Elektro di Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
Laporan Tugas Akhir ini diset ujui pada tanggal ……………………….2014 dan siap untuk diajukan ke ujian tugas akhir.
Semar ang,…………….April 2014 Menyetujui
Pembimbing Koordinator Tugas Akhir
(Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.) (Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.)
058.1.1992.110 058.1.1992.110
Ketua Program Studi Teknik Elektro Dekan Fakultas Teknik
(Ir. Budi Setiyadi , MT.) (Dr. Florentinus Budi Setiawan ,ST., MT.) 0.58.1.1989.051 058.1.1993.150
PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir yang berjudul “ Desain dan Implementasi Pola Switching Berbasis Space Vector Modulation pada Inverter Tiga Fasa Menggunakan dsPIC” ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang sepengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Apabila di kemudian hari ternyata terbukti bahwa tugas akhir ini sebagian atau seluruhnya merupakan hasil plagiasi, maka saya rela untuk dibatalkan, dengan segala akibat hukumannya sesuai peraturan yang berlaku pada Universitas Katolik Soegijapranata dan/atau perundang-undangan yang berlaku.
Semarang,…………….April 2014 (Arifin Wibisono)
NIM: 10.50.0016
ABSTRAK
Makalah tugas akhir ini menjelaskan konsep dari teknik modulasi vektorruang (Space Vector Modulation) untuk menghasilkan pola tabel pensaklaran
pada topologi inverter tiga fasa-tiga lengan. Metoda yang digunakan dalam
teknik modulasi vektor ruang ini adalah mengambil tiga buah sinyal referensi
dalam koordinat a,b,c kemudian dilakukan proses kalkulasi persamaan matematik
kedalam koordinat ά-β (Transformasi Clarke). Setelah itu dilakukan proses
transformasi ke Magnitude-Angle. Transformasi Magnitude-Angle ini menjadi
dasar pada penentuan vektor ruang, duty cycle, dan proses pensaklaran saklar
statik. Implementasi nyata perangkat keras dan perangkat lunak dari penelitian
tugas akhir ini menggunakan kendali digital dengan pengolah sinyal dsPIC.
Penggunaan dsPIC mampu memberikan keunggulan pada unjuk kerja yang tinggi
(kecepatan eksekusi program, MIPS-Million Instruction Per Second, jumlah bit
operasi dan proses sanpling). Selain itu memberikan kemudahan dan
kesederhanaan dalam perancangan perangkat keras serta mempunyai
fleksibelitas untuk dikembangkan pada sistem kendali yang lehih kompleks.
Dalam perancangan algoritma program, menggunakan metode Lookup Table
sehingga memberikan efisiensi dan penyederhanaan dalam hal proses komputasi
yang ada dan alokasi penggunaan memori. Dari hasil perancangan dan
implementasi alat yang telah dilakukan, sistem ini mampu beroperasi dengan
unjuk kerja yang cukup baik, pada sisi kontrol maupun sisi daya. Inverter Tiga
Fasa dengan Metode Modulasi Vektor Ruang dengan nilai DC Link yang sama
mampu menghasilkan amplituda tegangan keluaran yang lebih tinggi dengan
tingkat distorsi sinyal yang lebih rendah jika dibandingkan dengan metode
Sinusoidal Pulse Width Modulation biasa.
Kata Kunci: Space Vector Modulation, dsPIC, Lookup Table, Transformasi
Clarke,Inverter Tiga Fasa.KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, karena dengan segala rahmat dan hidayaNya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta laporannya sebagai bagian dari tugas studi mahasiswa Program Sarjana Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
Laporan Tugas Akhir ini disusun berdasarkan atas dasar kajian, data pengamatan, hasil penelitian implementasi alat secara nyata dan berbagai literatur yang diperoleh selama kuliah di Program Studi S1-Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
Pada Kesempatan ini penulis tak lupa mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah banyak membantu selama pengerjaan Tugas Akhir beserta laporannya, yaitu:
1. Tuhan Yang Maha Esa yang selalu melindungi dan memberkati setiap hal yang dilakukan.
2. Bapak dan Ibu yang telah memberikan dukungan baik moril maupun materil.
3. Dr. Ir. Slamet Riyadi, MT. ; selaku dosen pembimbing dalam pelaksanaan dan penyelesaian Tugas Akhir ini, yang telah banyak memberikan dukungan materil, saran, kritik, dan semangat hingga penyusunan laporan Tugas Akhir.
4. Dr. Florentinus Budi Setiawan, ST., MT. ; selaku dosen wali dan Ketua Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang yang telah memberikan ijin dan fasilitas pelaksanaan Tugas Akhir.
5. Seluruh Dosen, Laboran, dan Karyawan Program Studi Teknik Elektro, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang.
6. Seluruh teman Program Studi Teknik Elektro, terutama angkatan 2010 lainnya.
Dan semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu yang telah membantu dalam pelaksanaan Tugas Akhir dan laporan ini. Penulis menyadari bahwa laporan ini masih banyak kekurangannya, diharapkan saran maupun kritik dari berbagai pihak untuk perbaikan di masa yang akan datang.
Akhirnya besar harapan penulis bahwa laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi khususnya di lingkungan Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Katolik Soegijapranata Semarang dan Indonesia pada umumnya.
Semarang, April 2014 Penulis
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ........................................................................................ i HALAMAN PENGESAHAN .......................................................................... ii ABSTRAK ....................................................................................................... iv KATA PENGANTAR ..................................................................................... v DAFTAR ISI .................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... ix DAFTAR TABEL ............................................................................................ xii
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ..................................................................................
1 1.2 Pembatasan Masalah .........................................................................
2 1.3 Tujuan dan Manfaat ..........................................................................
2 1.4 Metodologi Penelitian .......................................................................
4 1.5 Sistematika Penulisan .......................................................................
5 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Studi Pendahuluan ............................................................................
6 2.2 Topologi VSI Tiga Fasa-Tiga Lengan ..............................................
12
2.3 Modulasi Vektor Ruang .................................................................... 16
2.3.1. Konsep Vektor Ruang ........................................................... 16
2.3.2. Sintesis Vektor Tegangan ...................................................... 20
2.3.3. Pola Pensaklaran Space Vector Modulation .......................... 22
BAB II METODOLOGI, DESAIN DAN IMPLEMENTASI POLA SWITCHING BERBASIS SPACE VECTOR MODULATION PADA INVERTER TIGA FASA MENGGUNAKAN dsPIC 3.1 Proses Desain dan Simulasi ..............................................................
24 3.2 Implementasi Perangkat Keras (Hardware) ......................................
27
3.2.1 Sistem Kontrol/Kendali .......................................................... 28
3.2.2 Sistem Daya ............................................................................ 32
3.2.3 Sistem Catu Daya ................................................................... 39 3.3 Implementasi Perangkat Lunak (Software) dan Algoritma ..............
41 3.3.1 dsPIC Programmer/Debugger................................................. 41
3.3.2 C Language Compiler ............................................................. 42
3.3.3 Software/Program Algorithms Design ................................... 43
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Simulasi Power Simulator (PSIM) ...................................................
48 4.2 Pengujian Laboratorium ...................................................................
50
4.2.1 Pengujian Pada Sisi Rangkaian Kontrol Sinyal SVPWM ...... 50
4.2.2 Pengujian Pada Sisi Rangkaian Daya Inverter SVPWM ....... 56 4.3 Pembahasan ......................................................................................
59 BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan .......................................................................................
60 5.2 Saran .................................................................................................
61 DAFTAR PUSTAKA ...................................................................................... 62 LAMPIRAN ..................................................................................................... 63
DAFTAR GAMBAR
Gambar-2.1. Bagan sistem umum inverter mode switching
6 Gambar-2.2. Blok Diagram Hysterisis PWM
7 Gambar-2.3. (a) Proses Hysterisis PWM (b) Switching saklar statik
7 Gambar-2.4. Teknik Modulasi Tiga Fasa Sinusoidal Pulse Width
8 Modulation Gambar-2.5. (a) Sinusoidal Pulse Width Modulation satu fasa (b) Tiga Fasa
9 Gambar-2.6. Over Modulasi
10
rd
Gambar-2.7. (a) Rangkaian 3 Harmonics Injection SPWM (b) Proses
11 Modulasi Gambar-2.8. Konfigurasi Inverter Tiga Fasa Tiga Lengan
13 Gambar-2.9. Kemungkinan konfigurasi switching inverter tiga fasa tiga
13 lengan Gambar-2.10. Vektor tegangan three phase six step inverter pada trayektori
14 Gambar-2.11. Sinyal gate dan tegangan keluaran three phase six step
15
inverter pada domain waktu (t)
Gambar-2.12. Komponen fundamental dan tegangan antar fasa
15 Gambar-2.13. (a) Sin-Cos Signal pada domain waktu (b) Trayektori Sin-Cos 16 Gambar-2.14. Perbandingan tegangan keluaran maksimum pada SVM dan
17 SPWM Gambar-2.15. Transformasi sumbu- abc ke dalam vektor tegangan sumbu αβ 18 Gambar2.16. Pembentukan vektor dari tegangan fasa abc
19 Gambar-2.17. Vref pada domain (t) yang digeser dari satu sektor ke sektor
20 Gambar-2.18. Sintesis vektor tegangan referensi di sektor 1
20 Gambar-2.19. Waktu sampling dan durasi waktu pensaklaran
21 Gambar-2.20. Jenis pola pensaklaran SVM pada saat sector-1
23 Gambar-3.1. Diagram blok desain kendali SVM
24 Gambar-3.2. Software simulasi PSIM Ver. 9.0
25 Gambar-3.3. Pemodelan dan simulasi PSIM desain Digital SVM
26 Gambar-3.4. Realisasi hardware 3 Phase Inverter-SVM
27 Gambar-3.5. Blok hardware sistem
28 Gambar-3.6. Layout sistem minimum dsPIC33FJ16GS502 dan buffer dilengkapi regulator tegangan 3,3V
39 Gambar-3.19. Desain linear regulator
48 Gambar-4.3. Sinyal Magnitude (merah) dan Teta (biru) hasil Transformasi akuisisi Power Simulator
Simulator
48 Gambar-4.2. Sinyal Vα, Vβ hasil Transformasi Clarke akuisisi Power
47 Gambar-4.1. Sinyal referensi Va, Vb, Vc akuisisi Power Simulator
46 Gambar-3.25. Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis sektor#1- sektor#6
44 Gambar-3.24. Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis sektor#1
43 Gambar-3.23. Flowchart penentuan sektor pada teknik SVM
42 Gambar-3.22. Flowchart teknik Space Vector Modulation
41 Gambar-3.21. MikroC PRO for dsPIC
40 Gambar-3.20. dsPIC programmer/debugger
38 Gambar-3.18. Multiwinding transformator
28 Gambar-3.7. Realisasi rangkaian kontrol SVM
37 Gambar-3.16. Dummy load beban resistif-induktif
36 Gambar-3.15. Konfigurasi pin Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D (Source: Semikron Co. Ltd.)
35 Gambar-3.14. Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D
34 Gambar-3.13. Konfigurasi pin dan desain sistim minimum IR2312 (Source: International Rectifier Cp. Ltd.)
33 Gambar-3.12. Konfigurasi HCPL2531 (Source: QT Electronics Co. Ltd.)
33 Gambar-3.11. Driver Power IGBT
32 Gambar-3.10. Desain Target dan layout PCB driver
29 Gambar-3.9. Rangkaian daya pada SVM
Co.Ltd. )
29 Gambar-3.8. Konfigurasi pin dsPIC33FJ16GS502 ( Sumber: Microchip
49 Gambar-4.4. Sinyal SVM (Space Vector Modulation) akuisisi Power
Simulator
54 Gambar-4.17. Sinyal Space Vector tiga fasa pada sektor#1 sampai #6
58 Gambar-4.27. Instrument dan proses pengukuran Space Vector Inverter
58 Gambar-4.26. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 50 Hz
58 Gambar-4.25. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 35 Hz
57 Gambar-4.24. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 23 Hz
57 Gambar-4.23. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 15 Hz
56 Gambar-4.22. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban R-L
56 Gambar-4.21. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban resistif
55 Gambar-4.20. Tegangan AC keluaran fasa-fasa inverter dengan beban resistif
55 Gambar-4.19. Pola pensaklaran lengkap SVPWM tiga fasa
54 Gambar-4.18. Visualisasi proses modulasi sinyal Space Vector tiga fasa dengan sinyal carrier gigi gergaji
54 Gambar-4.16. Sinyal SV-PWM fasa C pada sektor#1 sampai dengan #6
49 Gambar-4.5. Sinyal SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation) akuisisi Power Simulator
53 Gambar-4.15. Sinyal SV-PWM fasa B pada sektor#1 sampai dengan #6
53 Gambar-4.14. Sinyal SV-PWM fasa A pada sektor#1 sampai dengan #6
53 Gambar-4.13. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#6
52 Gambar-4.12. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#5
52 Gambar-4.11. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#4
52 Gambar-4.10. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#3
52 Gambar-4.9. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#2
51 Gambar-4.8. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#1
50 Gambar-4.7. Sinyal SVM dan SVPWM masing-masing fasa pada sektor#1
49 Gambar-4.6. Sinyal sinusoida keluaran inverter tiga fasa algoritma Space Vector Modulation akuisisi Power Simulator
59
DAFTAR TABEL
Tabel-1.1. Konfigurasi Switching Three Leg Voltage Source Inverter (VSI)
14 Tabel-3.1. Fitur dan spesifikasi penting pada dsPIC33F16FJ502
30 Tabel-3.2. Fitur dan spesifikasi penting pada HCPL 2531
34 Tabel-3.3. Fitur dan spesifikasi penting IR2312
36 Tabel-3.3. Fitur Penting Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D
37 Tabel-3.4. Nilai sinyal modulasi untuk right aligned sequence
45