DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR
BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA
LAPORAN TUGAS AKHIR
Oleh :
F. DIAN FAJAR WALUYO
12.50.0015
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA
SEMARANG
ii
LEMBAR PENGESAHAN
Laporan Tugas Akhir dengan judul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA” 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 .... November 2016.
Semarang, .... November 2016 Menyetujui,
Pembimbing Koordinator Tugas Akhir
Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT. 058.1.1992.110
Dr. Ir. Ign. Slamet Riyadi, MT. 058.1.1992.110
Mengetahui,
Dekan Fakultas Teknik Ketua Progdi Teknik Elektro
Ir. Drs. Djoko Setijowarno, MT., IPM. 058.1.1988.032
iii
PERNYATAAN
KEASLIAN LAPORAN TUGAS AKHIR (SKRIPSI)
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir yang berjudul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA” 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, .... November 2016
iv
ABSTRAK
Indonesia merupakan negara agraris di mana sebagian besar penduduknya bermata pencaharian di bidang pertanian. Oleh karena itu pertanian merupakan salah satu sektor perekonomian Indonesia. Akan tetapi pekerjaan ini sudah banyak ditinggalkan karena terkendala sistem perairan yang kurang mendukung. Ini disebabkan oleh sumber air yang terbatas, ataupun sistem irigrasi yang letaknya lebih rendah dari daerah persawahan.
Untuk mengalirkan air dari sumber air atau sistem irigrasi menuju persawahan yang letaknya lebih tinggi, petani biasanya menggunakan pompa air. Di mana pompa air yang sering digunakan adalah pompa air diesel karena di persawahan belum terjangkau listrik PLN. Padahal pompa air diesel menggunakan bahan bakar minyak yang harganya sangat mahal dan juga jumlahnya terbatas.
Oleh karena itu pada laporan tugas akhir ini mengkaji tentang Pompa Air
Brushless DC (BLDC) Tenaga Surya. Tugas akhir yang dibuat menggunakan pompa air rumah tangga yang dimodifikasi dari motor kapasitor menjadi motor BLDC. Driver yang digunakan untuk memutar motor BLDC berupa inverter tiga fasa. Di mana driver ini juga berperan sekaligus sebagai Maximum Power Point Tracker (MPPT). Suatu model analisis dan simulasi dilakukan menggunakan
software Power Simulator. Dan Implementasi menggunakan mikrokontrol dsPIC30f4012. Dan sebagai tahap akhir dilakukan uji coba menggunakan 3 panel surya untuk menggerakan pompa air BLDC.
v
KATA PENGANTAR
Puji dan Syukur penulis haturkan kepada Allah Bapa yang ada di Surga, Tuhan Yesus dan Ibu Maria, karena atas berkat, rahmat dan mukjizat-Nya yang senantiasa menyertai penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir beserta Laporan Tugas Akhir yang berjudul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA”. Tugas akhir beserta laporan ini sebagai tugas penulis untuk menyelesaikan perkuliahan di Program Studi S1 Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata.
Dalam proses pembuatan tugas akhir dan penyusunan laporan, penulis mendapat bimbingan dan support dari berbagai pihak baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Pada kesempatan kali ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang kepada :
1. Tuhan Yesus Kristus yang senantiasa memberi rahmat, berkat, kemudahan dan kelancaran pelaksanaan Tugas Akhir dan penyusunan laporan.
2. Orang tua, kakak dan adik penulis yang selalu memberi semangat dan dukungan baik secara moril maupun materiil kepada penulis.
3. Bapak Dr. Ign. Slamet Riyadi, MT. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir, yang telah membimbing dalam pelaksanaan Tugas Akhir ini dan yang memberikan saran, kritik, dan semangat serta subsidi komponen kepada penulis.
vi
5. Bapak Ir. Dr. Florentinus Budi Setiawan, MT., IPM. selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro, yang telah memfasilitasi laboratoruim dan perlengkapannya.
6. Seluruh Dosen dan Karyawan Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Katolik Soegijapranata Semarang, terutama Bapak Juang.
7. Bapak Alfon yang telah mengurus KRS saya dengan sepenuh hati. 8. Mas Enggar yang telah membantu terutama pada mekanik pompa air.
9. Teman-teman seperjuangan yaitu teman-teman elektro angkatan 2012 terimakasih sudah menemani dan saling berdinamika bersama selama kuliah. 10.Teman-teman Elektro angkatan 2009, 2010, 2011 dan 2013 terima kasih atas
doa dan dukungannya.
11.Teman-teman Fakultas Teknik Program Studi Teknik Elektro Universitas Katolik Soegijapranata.
12.Teman-teman fakultas yang lain yang turut mendukung saya.
13.Gisela Evanti Andriani yang senantiasa telah mendampingi, mendukung dan menghibur penulis dalam proses pelaksanaan maupun penyusunan Tugas Akhir.
14.Teman-teman Tutor di Rumah Belajar GoBook yang selalu memberi saran dan kritikan dan dukungan dalam proses pembuatan laporan skripsi ini.
15.Semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir beserta laporannya yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.
vii
permohonan maaf apabila terdapat hal-hal yang kurang berkenan dalam penulisan Laporan Tugas Akhir ini.
Besar harapan penulis semoga laporan ini dapat memberikan sumbangan yang berarti bagi kemajuan Iptek di lingkungan kampus, masyarakat dan negara.
Semarang, .... November 2016
viii
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL i
LEMBAR PENGESAHAN ii
PERNYATAAN KEASLIAN LAPORAN TUGAS AKHIR iii
ABSTRAK iv
KATA PENGANTAR v
DAFTAR ISI viii
DAFTAR GAMBAR xii
DAFTAR TABEL xviii
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang 1
1.2. Perumusan Masalah 3
1.3. Pembatasan Masalah 3 1.4. Tujuan dan Manfaat 3 1.5. Metodologi Penelitian 4 1.6. Sistematika Penulisan 5
BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1. Pendahuluan 7
2.2. Motor BLDC 8
ix
2.2.3. Sensor Hall Effect 14 2.3. Inverter Tiga Fasa 16 2.4. IGBT Model CPV364M4F 18
2.5. Photovoltaic 19
2.6. Mikrokontroler dsPIC30f4012 23
2.7 Driver 26
2.7.1. IC Opotocoupler HCPL 2531 26 2.7.2. IC Three Phase Bridge Driver IR2132 27 2.8. Catu Daya Switching Push Pull 28
BAB III RANCANGAN DESAIN DAN IMPLEMENTASI POMPA AIR MOTOR BLDC DENGAN SUPLAI DARI PANEL SURYA
3. 1. Pendahuluan 30
3.2. Pompa Air BLDC 32
3.2.1. Stator Pompa Air BLDC 32 3.2.2. Rotor Pompa Air BLDC 35 3.2.3. Sensor Hall Effect 37 3.3. MPPT Perturb and Observe ( PO ) 38
3.4. Sensor 39
3.4.1. Sensor Tegangan 39
3.4.2. Sensor Arus 41
3.5. Rangkaian Driver 42
x
3.6.1. Alogaritma Pemrograman dsPIC30F4012 46
BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA
4.1. Pendahuluan 51
4.2. Hasil Simulasi Pada Software PSIM 51 4.3. Hasil Pengujian Labolatorium 57
4.3.1. Pengujian Pompa Air BLDC dengan Magnet Permanen Sedang Sumber Menggunakan Catu Daya
59
4.3.1.1. Hasil Pengujian Ketika Tanpa PWM
59
4.3.1.2. Hasil Pengujian Ketika PWM Jenis 1
63
4.3.1.3. Hasil Pengujian Ketika PWM Jenis 2
67
4.3.2. Hasil Pengujian Pompa Air BLDC Magnet Permanen Sedang Sumber dari Panel Surya
71
4.3.2.1. Hasil Pengujian Menggunakan Mode Potensio
72
4.3.2.2. Hasil Pengujian Menggunakan Mode MPPT
75
4.3.3. Pengujian Pompa Air BLDC dengan Magnet Permanen Kuat Sumber dari Panel Surya
xi
4.4. Pembahasan 80
BAB V PENUTUP
5.1. Kesimpulan 82
5.2. Saran 83
DAFTAR PUSTAKA 84
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Motor BLDC 9
Gambar 2.2. Stator Motor BLDC 10 Gambar 2.3. Rangkaian ekuivalen stator motor BLDC 10 Gambar 2.4. Kurva karakteristik torka motor BLDC 12 Gambar 2.5. Rotor Motor BLDC 13 Gambar 2.6. Magnet permanen pada rotor dan
elektromagnet pada stator (a) untuk menghasilkan putaran berlawanan arah jarum jam (b) untuk menghasilkan putaran searah jarum jam
14
Gambar 2.7. Sensor Hall Effect 14 Gambar 2.8. Sinyal keluaran hall effect sensor terhadap
kutub magnet
15
Gambar 2.9. Sinyal keluaran hall effect sensor terhadap posisi rotor
16
Gambar 2.10. Inverter tiga fasa 17 Gambar 2.11. (a) IGBT model CPV364M4F (b)
Konfigurasi CPV364M4F
18
Gambar 2.12 Proses konversi energi matahari pada
photovoltaic
20
xiii
Gambar 2.14. Kurva Karakteristik Photovoltaic (a) Daya terhadap tegangan (b) Arus terhadap tegangan
22
Gambar 2.15 Konfigurasi pin dsPIC30F4012 24 Gambar 2.16. Konfigurasi pin HCPL 2531 27 Gambar 2.17. Konfigurasi pin IR 2132 28 Gambar 2.18. Rangkaian Push Pull (a) Full Bridge (b)
Half Bridge
29
Gambar 3.1. Diagram blok system 31 Gambar 3.2. Stator pada motor BLDC 33 Gambar 3.3. Bentuk lilitan pada stator 33 Gambar 3.4. (a) Hubungan Lilitan antar kutub
(b) Rangkaian ekuivalen
34
xiv
Gambar 3.15. Skema sistem minimum dsPIC30F4012
dan buffer
46
Gambar 3.16. Flowchart Pemrograman 50 Gambar 4.1. Skema simulasi menggunakan Power
Simulator Gambar 4.6. Rangkaian Implementasi Alat 58 Gambar 4.7 Gelombang arus dari catu daya (d = 1,
skala 5ms/div, 5A/div)
59
Gambar 4.8. Output Mikrokontrol (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5
60
Gambar 4.9. Gelombang tegangan dan arus per fasa skala (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic
61
Gambar 4.10. Gelombang Van,Vbn,Vcn dalam satu screen (skala 5ms/div, 20V/div)
62
Gambar 4.11. Gelombang tegangan antar fasa (skala 5ms/div, 50V/div)
62
Gambar 4.12. Kecepatan pompa air Bldc sumber catu daya (d=1)
xv
Gambar 4.13. Output Mikrokontrol PWM jenis 1 (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5 (skala 5ms/div, 5V/div)
64
Gambar 4.14. Gelombang tegangan dan arus per fasa PWM jenis 1 (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic
65
Gambar 4.15. Gelombang Van,Vbn,Vcn dalam satu screen PWM jenis 1 (skala 5ms/div, 50V/div)
66
Gambar 4.16. Tegangan antar fasa PWM1 PWM jenis 1 (skala 5ms/div, 50V/div)
66
Gambar 4.17. Kecepatan Pompa Air Bldc Sumber Catu Daya duty1
67
Gambar 4.18. Output Mikrokontrol PWM jenis 2 (a) RE0, RE1, RE2 dan RE3 (b) RE0, RE4 dan RE5 (skala 5ms/div, 5V/div)
68
Gambar 4.19. Gelombang tegangan dan arus per fasa PWM jenis 2 (skala 5ms/div, CH1 20V/div, CH2 10A/div) (a) Van, Ia (b) Vbn, Ib (c) Vcn, Ic
69
Gambar 4.20. Gelombang tegangan dan arus PWM jenis 2 (skala 5ms/div, 50V/div (a)
xvi
Van,Vbn,Vcn dalam satu screen (b) Tegangan antar fasa
Gambar 4.21. Kecepatan pompa air Bldc sumber catu daya duty2
71
Gambar 4.22. Gelombang Ia dan RE0 mode potensio (skala 5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
72
Gambar 4.23. Gelombang Ia dan RE0 mode potensio (skala 500us/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
72
Gambar 4.24. (a) Gelombang Ipv dan RE0 (skala 5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) (b) Gelombang Ipv dan RE0 diperbesar (skala 500us/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
73
Gambar 4.25. Hasil pengukuran tegangan dan arus PV (mode potensio)
74
Gambar 4.26. Kecepatan pompa air BLDC dan debit airnya (mode potensio)
74
Gambar 4.27. Ia dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
75
Gambar 4.28. Ia dan RE0 (skala 1ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
75
Gambar 4.29. Gelombang Ipv dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
xvii
Gambar 4.30. Hasil Pengukuran tegangan dan arus PV (mode MPPT)
76
Gambar 4.31. Kecepatan pompa air BLDC dan debit airnya (mode MPPT)
77
Gambar 4.32. (a) Gelombang Ia dan RE0 (skala
2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div) (b) Gelombang Ia dan RE0 diperbesar (skala 1ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
78
Gambar 4.33. Gelombang Ipv dan RE0 (skala 2,5ms/div, CH1 5A/div, CH2 5V/div)
79
Gambar 4.34. Hasil pengukuran tegangan dan arus PV (magnet kuat)
79
Gambar 4.35. Kecepatan pompa air BLDC 2 dan debit airnya
xviii
