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 vektor

ruang (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