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
ii
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 disetujui pada tanggal ……….2014 dan siap untuk diajukan ke ujian tugas akhir.
Semarang,……….April 2014
Menyetujui
Pembimbing
(Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.) 058.1.1992.110
Ketua Program Studi Teknik Elektro
(Dr. Florentinus Budi Setiawan ,ST., MT.) 058.1.1993.150
Koordinator Tugas Akhir
(Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.) 058.1.1992.110
Dekan Fakultas Teknik
(Ir. Budi Setiyadi , MT.) 0.58.1.1989.051
iii
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
iv
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.
v
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.
vi
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
vii 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
viii
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
ix
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
Modulation
8
Gambar-2.5. (a) Sinusoidal Pulse Width Modulation satu fasa (b) Tiga Fasa 9 Gambar-2.6. Over Modulasi 10 Gambar-2.7. (a) Rangkaian 3rd Harmonics Injection SPWM (b) Proses
Modulasi
11
Gambar-2.8. Konfigurasi Inverter Tiga Fasa Tiga Lengan 13 Gambar-2.9. Kemungkinan konfigurasi switching inverter tiga fasa tiga
lengan
13
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
inverter pada domain waktu (t)
15
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
SPWM
17
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 hardware3 Phase Inverter-SVM 27
x
Gambar-3.5. Blok hardware sistem 28 Gambar-3.6. Layout sistem minimum dsPIC33FJ16GS502 dan buffer
dilengkapi regulator tegangan 3,3V
28
Gambar-3.7. Realisasi rangkaian kontrol SVM 29 Gambar-3.8. Konfigurasi pin dsPIC33FJ16GS502 ( Sumber: Microchip
Co.Ltd.)
29
Gambar-3.9. Rangkaian daya pada SVM 32 Gambar-3.10. Desain Target dan layout PCB driver 33 Gambar-3.11. Driver Power IGBT 33 Gambar-3.12. Konfigurasi HCPL2531 (Source: QT Electronics Co. Ltd.) 34 Gambar-3.13. Konfigurasi pin dan desain sistim minimum IR2312
(Source: International Rectifier Cp. Ltd.)
35
Gambar-3.14. Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D 36 Gambar-3.15. Konfigurasi pin Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D
(Source: Semikron Co. Ltd.)
37
Gambar-3.16. Dummy load beban resistif-induktif 38 Gambar-3.18. Multiwinding transformator 39 Gambar-3.19. Desain linear regulator 40 Gambar-3.20. dsPIC programmer/debugger 41 Gambar-3.21. MikroC PRO for dsPIC 42 Gambar-3.22. Flowchart teknik Space Vector Modulation 43 Gambar-3.23. Flowchart penentuan sektor pada teknik SVM 44 Gambar-3.24. Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis sektor#1 46 Gambar-3.25. Sinyal SVM Ha, Hb, Hc dari persamaan matematis
sektor#1-sektor#6
47
Gambar-4.1. Sinyal referensi Va, Vb, Vc akuisisi Power Simulator 48 Gambar-4.2. Sinyal Vα, Vβ hasil Transformasi Clarke akuisisi Power
Simulator
48
Gambar-4.3. Sinyal Magnitude (merah) dan Teta (biru) hasil Transformasi akuisisi Power Simulator
xi
Gambar-4.4. Sinyal SVM (Space Vector Modulation) akuisisi Power Simulator
49
Gambar-4.5. Sinyal SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation) akuisisi Power Simulator
49
Gambar-4.6. Sinyal sinusoida keluaran inverter tiga fasa algoritma Space Vector Modulation akuisisi Power Simulator
50
Gambar-4.7. Sinyal SVM dan SVPWM masing-masing fasa pada sektor#1 51 Gambar-4.8. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#1 52 Gambar-4.9. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#2 52 Gambar-4.10. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#3 52 Gambar-4.11. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#4 52 Gambar-4.12. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#5 53 Gambar-4.13. Sinyal SV-PWM tiga fasa pada sektor#6 53 Gambar-4.14. Sinyal SV-PWM fasa A pada sektor#1 sampai dengan #6 53 Gambar-4.15. Sinyal SV-PWM fasa B pada sektor#1 sampai dengan #6 54 Gambar-4.16. Sinyal SV-PWM fasa C pada sektor#1 sampai dengan #6 54 Gambar-4.17. Sinyal Space Vector tiga fasa pada sektor#1 sampai #6 54 Gambar-4.18. Visualisasi proses modulasi sinyal Space Vector tiga fasa
dengan sinyal carrier gigi gergaji
55
Gambar-4.19. Pola pensaklaran lengkap SVPWM tiga fasa 55 Gambar-4.20. Tegangan AC keluaran fasa-fasa inverter dengan beban
resistif
56
Gambar-4.21. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban resistif
56
Gambar-4.22. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban R-L 57 Gambar-4.23. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 15 Hz 57 Gambar-4.24. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 23 Hz 58 Gambar-4.25. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 35 Hz 58 Gambar-4.26. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter frekuensi 50 Hz 58 Gambar-4.27. Instrument dan proses pengukuran Space Vector Inverter 59
xii
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
