S TE 1104217 Chapter 3

(1)

Susi Susanti, 2016

Rancang Bangun Inverter Sebagai Driver Motor Induksi 3 Fasa

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

BAB III

METODE PENELITIAN

Pada skripsi ini metode penelitian yang digunakan adalah eksperimen (uji coba). Tujuan yang ingin dicapai adalah membuat suatu alat yang dapat mengkonversi tegangan DC ke AC. Penelitian eksperimen ini dimulai dengan perancangan sistem perangkat keras (hardware) pada alat ini.

3.1 Diagram Blok Alat

Inverter memerlukan sumber tegangan DC sebagai suplai tegangannya. Karena inverter merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi tegangan DC ke tegangan AC. Berdasarkan hasil studi pustaka, pola penyaklaran yang digunakan pada alat ini adalah rangkaian Sinusoidal PWM. Hal ini dipilih karena pola penyaklaran sinusoidal PWM dapat mengatur besarnya tegangan dan frekuensi output yang dihasilkan oleh inverter. Pada rangkaian sinusoidal PWM terdapat pembangkit gelombang segitiga dan pembangkit gelombang sinusoidal. Untuk menghasilkan gelombang output kotak maka perlu adanya perbandingan oleh komparator. Sehingga rangkaian sinusoidal PWM menghasilkan gelombang kotak yang selanjutnya digunakan sebagai pengatur pensaklaran MOSFET pada inverter ini. Rangkaian inverter yang akan dirancang menggunakan topologi VSI. Pada topologi ini terdapat enam buah MOSFET yang pada masing-masing leg terdapat dua buah MOSFET. MOSFET pada rangkaian inverter ini berfungsi sebagai saklar.

(2)

Sumber DC Inverter 3 Fasa Filter Pasif

Low - Pass Beban

Rangkaian SPWM

Gambar 3.1 Diagram blok sistem

3.2 Spesifikasi Inverter Tiga Fasa

Spesifikasi inverter yang akan dirancang dapat dijadikan sebagai acuan untuk membuat inverter kedalam bentuk hardware. Sumber tegangan yang digunakan untuk mencatu inverter berasal dari sumber tegangan DC. Inverter yang akan dirancang memiliki spesifikasi daya output dan tegangan output sebesar 1000 VA dan 380 Volt line to line. Bentuk gelombang yang dihasilkan oleh inverter ini berupa sinusoidal murni (pure sine wave). Diharapkan efisiensi yang dihasilkan oleh inverter yang dirancang mencapai 90% dan THD yang timbul sebesar < 5%. Dengan pertimbangan bahwa beban yang digunakan adalah motor induksi tiga fasa.

Tabel 3.1 Spesifikasi Perancangan Inverter Tiga Fasa

Nama Keterangan

Tegangan 380 Volt line to line

Daya Semu 1000 VA

Bentuk Gelombang Sinuoidal Murni (pure sine wave)

THD <5%

Efisiensi 90%

(3)

3.3 Diagram Alir (flowchart) Perancangan Sistem

Pembuatan alat ini diawali dengan melakukan perancangan rangkaian. Perancangan rangkaian yang dimaksud adalah merancang sistem hardware. Setelah proses perancangan selesai, maka langkah selanjutnya adalah pembelian komponen yang diperlukan untuk membuat sistem hardware. Setelah semua komponen yang dibutuhkan dibeli, kemudian rangkai komponen-komponen tersebut sesuai dengan rangkaian yang telah dirancang. Apabila rangkaian telah berjalan dengan baik dan sudah sesuai dengan yang diharapkan maka tahap selanjutnya yang dilakukan adalah pembuatan layout PCB. Layout PCB dibuat dengan menggunakan softwareEagle 7.4.0.

(4)

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu Start

Pembuatan Layout PCB

Pencetakan PCB

Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan inverter

3.4 Deskripsi Kerja Alat

Deskripsi alat digunakan sebagai acuan dari perancangan alat yang dibuat agar dalam perencanaan terarah dan sesuai dengan tujuan penelitian. Secara umum prinsip kerja dari inverter adalah untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Pada inverter yang dibuat, pola penyaklaran yang digunakan menggunakan rangkaian Sisnusoidal PWM. Rangkaian Sinusoidal PWM terdiri dari dua sinyal masukan yaitu sinyal referensi berupa sinyal sinusoidal dan sinyal

carrier berupa sinyal segitiga serta output yang dihasilkan oleh rangkaian

(5)

pengaturan secara manual. Pada alat yang dirancang ini, saklar yang digunakan adalah MOSFET. Pemilihan MOSFET sebagai saklar didasarkan pada frekuensi penyaklaran yang cukup tinggi. Semakin tinggi frekuensi penyaklaran maka tegangan yang dihasilkan oleh inverter akan semakin mendekati sinusoidal.

Gambar 3.3 Rangkaian inverter dengan pola penyaklaran Sinusoidal PWM

Tabel 3.2 Keterangan gambar rangkaian inverter

No Komponen Keterangan

1 Sumber DC

2 MOSFET

(6)

4 Sumber Segitiga

5 On – off controller

6 Gerbang NOT

7 Volt meter

8 Resistor

9 Komparator

Dari gambar 3.3 diatas dapat dijelaskan bahwa tahapan kerja dari inverter sebagai berikut:

1. Ketika power supply DC on maka arus akan mengalir ke komponen MOSFET.

2. Ketika power supply DC on, power supply pada rangkaian Sinusoidal PWM juga akan on. Sehingga osilator segitiga dan osilator sinusoidal akan bekerja menghasilkan sinyal referensi dan sinyal carrier. Kedua sinyal yang dihasilkan dari osilator akan dibandingkan dan menghasikan sinyal kotak yang berfungsi sebagai pola penyaklaran MOSFET.

3. Dalam waktu yang telah ditentukan sesuai dengan sinyal kotak yang dihasilkan dari perbandingan dua buah osilator, MOSFET akan bekerja untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.

(7)

3.5 Pembuatan Perangkat Keras (Hardware)

Pembuatan layout perangkat keras pada alat ini menggunakan bantuan

software Eagle 7.4. Hardware terdiri dari dua buah rangkaian, diantaranya

rangkaian inverter dan rangkaian sinusoidal PWM.

3.5.1 Rangkaian Sinusoidal PWM

Rangkaian sinusoidal PWM terdiri dari dua buah osilator. Osilator-osilator tersebut adalah Osilator-osilator segitiga dan Osilator-osilator sinusoidal. Osilator segitiga berfungsi untuk menghasilkan sinyal carrier berupa sinyal segitiga dan osilator sinusoidal yang berfungsi untuk menghasilkan sinyal referensi berupa sinyal sinusoidal.

Gambar 3.4 Rangkaian Sinusoidal PWM

3.5.2 Rangkaian Osilator Segitiga

Rangkaian osilator segitiga tersusun atas komponen resistor, kapasitor dan op amp. Untuk membangkitkan sinyal segitiga diperlukan dua buah op amp serta komponen resistor dan kapasitor. Osilator segitiga digunakan sebagai pembangkit sinyal carrier yang berfungsi untuk mengatur frekuensi penyalaan MOSFET pada inverter.

(8)

Rangkaian ini menggunakan IC LM348 yang memiliki 14 pin dengan supply tegangan Vcc+ sebesar 9 V dan Vcc- sebesar 0 V. Tegangan

referensi untuk op amp sebesar 4.5 V. Pada IC LM348 didalamnya terdapat empat buah op amp. Osilator segitiga menggunakan dua buah op amp yang terdapat pada IC LM348. Pin yang digunakan untuk membuat osilator segitiga dari IC LM348 diantaranya, pin 5 yang merupakan input positif, pin 6 untuk input negatif dan pin 7 sebagai output pada op amp pertama osilator segitiga. Op amp kedua menggunakan pin 10 yang merupakan input positif, pin 9 untuk input negatif dan pin 8 sebagai

output.

Dengan menggunakan persamaan (2.6), jika nilai Rf, R1 dan C

sebesar 100KΩ, 47KΩ dan 100 nF dengan rentang frekuensi dari 5.000 Hz sampai 12.000 Hz maka nilai R yang diperlukan sebesar 1.063Ω.

(2.6)

(9)

Gambar 3.5 Rangkaian osilator segitiga

3.5.3 Rangkaian Osilator Sinusoidal

Rangkaian osilator sinusoidal terdiri dari empat buah op amp, resistor dan kapasitor. Agar sinyal sinusoidal yang dihasilkan memiliki amplitudo yang besar dengan nilai harmonisa yang kecil maka diperlukan empat buah op amp untuk membangkitkannya.

Rangkaian osilator sinusoidal ini menggunakan IC LM348 sebagai pembangkit sinyal referensi pada PWM. IC LM348 memiliki 14 pin dengan supply tegangan Vcc+ sebesar 9 V dan Vcc- sebesar 0 V. Tegangan

referensi yang digunakan op amp sebesar 4.5 V. Pada tegangan referensi diperoleh dari rangkaian pembagi tegangan 9 V.

Gambar 3.6 Rangkaian osilator sinusoidal

(10)

Untuk menentukan nilai R pada filter RC bisa dihitung dengan menggunakan persamaan (2.12). Jika nilai C yang digunakan sebesar 10 uF, maka nialai R yang diperlukan sebesar 318,30 Ω.

| | (2.12)

Karena nilai R yang diperoleh dari perhitungan sebesar 318,30 Ω, maka penulis memilih nilai R sebesar 330 Ω. Sinyal keluaran yang diperoleh dari osilator sinusoidal dapat berupa sinus murni dengan amplitudo yang besar. Semakin tinggi tahapan filter yang digunakan maka semakin bagus gelombang yang dihasilkan oleh osilator sinusoidal ini.

3.5.4 Rangkaian Komparator

Rangkaian komparator berfungsi untuk membandingkan sinyal referensi dan sinyal carrier. Sinyal yang dihasilkan dari komparator adalah sinyal kotak. Sinyal kotak tersebut digunakan untuk men-drive MOSFET sehingga MOSFET menyala.

(11)

3.5.5 Rangkaian Driver MOSFET

Rangkaian MOSFET driver ini digunakan untuk men-drive

MOSFET agar dapat konduksi. Rangkaian ini menggunakan IC IR2110 dengan suplai tegangan yang digunakan untuk Vcc+ sebesar 10 Volt dan

Vcc- sebesar 0 Volt.

Gambar 3.8 Rangkaian driver MOSFET

Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh rangkaian driver

MOSFET pada gambar 3.8 sebesar 9 Volt dan tegangan minimum sebesar 1.1 Volt. Berdasarkan datasheet MOSFET tipe IRFP460, tegangan

threshold (VGS(TH)) MOSFET berada diantara 2-4 Volt. Sehingga dapat

disimpulkan bahwa arus akan mengalir pada MOSFET ketika tegangan

drain ke source yang berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 9

Volt dan MOSFET tidak aktif ketika tegangan drain ke source yang berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 1.1 Volt.

3.5.6 Rangkaian MOSFET

Rangkaian inverter ini tersusun atas enam buah saklar dengan SPWM sebagai pola penyaklaran inverter. Diantara enam buah MOSFET ini, masing-masing leg pada inveter terdapat dua buah MOSFET yang sefasa dan MOSFET lainnya memiliki beda fasa sebesar 120o. Jenis saklar yang digunakan adalah MOSFET tipe IRFP460 dengan rating tegangan pengalir-sumber (VDS) 500 Vdc dan rating arus 20 A. Pemilihan MOSFET

(12)

Gambar 3.9 Rangkaian MOSFET

3.5.7 Rangkaian Phase Compensator

Rangkaian phase compensator ini terdiri dari rangkaian filter all– pass. Berfungsi untuk mengatur sudut fasa antar masing–masing fasa pada rangkaian osilator sinusoidal. Setiap fasa memiliki perbedaan sudut fasa sebesar 120o.

Gambar 3.10 Rangkaian phase compensator

3.5.8 Filter Pasif Low – Pass

(13)

Dengan menentukan nilai frekuensi putus (cut-off frequency)

sebesar 500 Hz dan nilai kapasitansi sebesar 10uF. Hal ini dikarenakan pada saat frekuensi 500 Hz, pada spektrum filter tidak timbul distorsi. Sehingga untuk menentukan nilai L dapat dihitung menggunakan persamaan (2.11) seperti berikut:

_√

(2.11)

Gambar 3.11 Inverter dengan filter pasif low-pass

Dari perhitungan diatas, diperoleh nilai frekuensi putus (cut-off

frequency), kapasitansi, dan induktansi sebesar 500 Hz, 10uF, dan 10,13