BAB III KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE ...repository.unika.ac.id/21093/4/15.F1.0028...
Transcript of BAB III KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE ...repository.unika.ac.id/21093/4/15.F1.0028...
21
BAB III
KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE
VECTOR MODULATION (SVM) BAB III KENDALI SEDERHANA VVVF INVERTER BERBASIS SPACE
VECTOR MODULATION (SVM)
3.1 Pendahuluan
Pada bab ini akan dijelaskan mengenai metodologi yang digunakan dalam
desain dan implementasi alat, termasuk komponen yang digunakan dalam
prosedur pembuatan alat tugas akhir yaitu Variable Voltage Variable Frequency
(VVVF) Inverter untuk motor induksi tiga fasa berbasis Space Vektor Modulation
(SVM). Teknik kendali yang digunakan dalam mengimplementasi alat yaitu
dengan menggunakan sistem loop terbuka. Untuk mempermudah pemahaman
dapat dilihat pada diagram blok kendali di bawah ini :
Referensi Sinyal Kontrol Output Lookup table Driver IR 2132
(Set point)
Gambar-3.1 Diagram Blok Desain Kendali SVM
3.2 Simulasi dan Desain
Simulasi alat dilakukan untuk menganalisa sistem yang dibuat agar
memenuhi kriteria serta keluaran sesuai yang diharapkan. Dalam proses desain
diharapkan alat yang dibuat mempunyai keandalan yang baik serta dalam bentuk
ringkas dan mudah dalam penggunaan.
KONTROL
-Right Aligned
seq SVM
-dsPIC tipe
33FJ128MC202
PLANT -Three phase
three leg
inverter
-IGBT
-Three phase
induction
motor
22
Berdasarkan prinsip motor induksi, untuk mengatur kecepatan motor
dengan VVVF (Variable Voltage Variable Vrequency) Inverter harus seimbang
antara perbandingan tegangan dan frekuensi seperti pada Gambar-berikut :
Frequency
Volt
age
Hz
V
V / Hz Control
Gambar-3.2 Perbandingan tegangan dan frekuensi pada VVVF Inverter
Agar tidak terjadi arus berlebih, maka terjadi hubungan antara tegangan
dan frekuensi seperti berikut :
fL
V
wL
VI
2 (3-1)
di mana :
I = arus
V = tegangan
w = omega
L = induktansi
f = frekuensi
23
Desain implementasi alat tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar-3.3
berikut :
(B)
(A)
(C)
(Sap) (Sbp) (Scp)
(San) (Sbn) (Scn)
E
Power
SupplyMicrochip
dsPIC 33FJ128MC202
Signal Controller
Driver Optocoupler
HCPL 2531 & IR2132
Three Phase
Induction Motor
Current
Sensor
Gambar-3.3 Desain Blok Sistem
3.2.1 Sistem Kontrol
Pada tugas akhir ini menggunakan Digital Signal Control, tipe yang
digunakan yaitu dsPIC33FJ128MC202. Konfigurasi pin dapat dilihat pada
Gambar-3.4 berikut :
Reset
ADC I/O port
I/O port
Gambar-3.4 Konfigurasi pin dsPIC33FJ128MC202
Mikrokontroler ini memiliki jumlah pin sebanyak 28, di mana memiliki
konfigurasi tersendiri tiap kaki pin yang terdapat pada dsPIC33FJ128MC202.
Kelebihan dari mikrokontroler ini yaitu adanya fasilitas PWM internal dengan
24
menggunakan sumber tegangan 3,3V DC. Master Clear atau MCLR berfungsi
untuk mereset sinyal pada kontroler. Vss adalah sumber positif untuk pin
input/output. Terdapat dua PORT di dalam Mikrokontroler yaitu PORT A dan
PORT B.
Implementasi alat pada Tugas Akhir ini menggunakan metode Space
Vector Modulation berbasis digital dengan kontrol utama berupa Digital Signal
Controller (DSC) dan dilengkapi rangakaian buffer pada output DSC. Pin Buffer
74HC541 dapat dilihat pada Gambar-3.5 berikut :
Gambar-3.5 Konfigurasi pin IC Buffer 74HC541
Pada Gambar-di atas konfigurasi pin A8 sampai dengan pin A1 memiliki
fungsi sebagai input dari Mikrokontroler. Pin Y8 sampai Pin Y1 berfungsi sebagai
keluaran ke driver. IC buffer ini membutuhkan tegangan input sebesar 5V.
Diagram logika IC buffer 74HC541 dapat dilihat pada Gambar-3.6 berikut :
Gambar-3.6 Konfigurasi Gerbang IC Buffer 74HC541
25
Layout sistem kontrol DSC tipe dsPIC 33FJ128MC202 dapat dilihat pada
Gambar-3.7 berikut :
(a) (b) Gambar-3.7 (a) Layout driver dsPIC33FJ128MC202 dan (b) buffer 74HC541 dilengkapi
dengan regulator 3,3 V DC
Tugas akhir ini menggunakan Optocoupler IC HCPL 2531 serta IR2132.
IC HCPL 2531 dapat dilihat pada Gambar-3.8 berikut :
VCC
Vout1
Vout2
GND
Anoda 1
Katoda 1
Katoda 2
Anoda 2
Gambar-3.8 Konfigurasi pin HCPL 2531
Optocoupler 2531 membutuhkan masukan tegangan 12V DC pada pin
VCC dan ground. Keluaran HCPL akan menjadi masukan untuk driver IR2132
sebegai kontrol gate IGBT. IR2132 dapat beroperasi pada offset tegangan
maksimal 600V. Konfigurasi pin IR2132 dapat dilihat Gambar-3.9 berikut :
26
Lengan 1 Atas
Lengan 2 Atas
Lengan 3 Atas
Lengan 1,2,3 gate IGBT
Gate IGBT
Sinyal SVM dari
HCPL2531
Gambar-3.9 Konfigurasi pin IR2132
Suatu catu daya yang ringkas dibutuhkan untuk menyuplai tegangan driver
sesuai kebutuhan masing-masing. Catu daya yang digunakan pada tugas akhir ini
yaitu Isolated B1205s dan B1212s seperti Gambar-3.10 berikut :
Gambar-3.10 DC/DC Isolated B1212s/B1205s
[https://www.acalbfi.com/uk/Power-supplies/DC-DC/PCB-mounted/p/Unregulated-DC-
DC-Converter-Miniature-SIP-DIP-Package/0000005AX4]
DC/DC isolated B1212s digunakan untuk mensuplai tegangan 12 V DC
sedangkan B1205s untuk mensuplai 12 V DC. Spesifikasi B1205s dan B1205s
dapat dilihat pada Tabel-3.1 berikut :
27
Tabel-3.1 Spesifikasi B1212s & B1205s
Tipe
Input Output
Voltage (VDC) Voltage
(VDC)
Current
(mA)
Nominal Range Max min
B1205s 12
10.8-
13.2
5 400 40
B1212s 12 167 17
3.2.2 Sistem Daya
Rangkaian daya (Power Circuit) direalisasikan setelah rangkaian kontrol
selesai dibuat. Rangkaian daya pada Tugas Akhir ini bertujuan meneruskan sinyal
digital Space Vector Modulation (SVM) yang telah dibangkitkan melalui
dsPIC33FJ128MC202.
Rangkaian daya memiliki sistem grounding yang berbeda karena adanya
dua saklar pada satu lengan. Keluaran gelombang sinusoidal tiga fasa yang
dihasilkan pada rangkaian daya difungsikan untuk mengendalikan beban yaitu
motor induksi tiga fasa. Rangkaian daya terdiri dari driver gate saklar statik dan
driver inverter tiga fasa tiga lengan.
Dalam mengimplemntasi inverter tiga fasa berbasis SVM ini digunakan
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Fairchild Semiconductor tipe
FGL60N100BNTD. IGBT seri ini memiliki konfigurasi tiga kaki pada umumnya,
di mana tiga kaki tersebut yaitu gate, collector, dan emitor. Konfigurasi pin
IGBT tipe FGL60N100BNTD dapat di lihat pada Gambar-3.11 berikut :
Gambar-3.11 IGBT tipe FGL60N100BNTD
28
Tegangan input dapat mempengaruhi saklar dan kecepatan motor, maka
dari itu tegangan yang masuk ke dalam IGBT diusahakan diatur dengan arus tidak
boleh melebihi 60A sesuai dengan kapasitas IGBT tersebut seperti pada Tabel 3.2.
Dengan melihat kapasitas yang dimiliki IGBT tersebut mampu digunakan pada
VVVF Inverter yang dibuat.
Tabel 3.2 Fitur IGBT FGL60N100BNTDFitur IGBT FGL60N100BNTD
Fitur Spesifikasi / Karakteristik
Rating tegangan maksimal 1000 V
Rating arus maksimal 60 A
3.3 Motor Induksi Tiga Fasa
Untuk mengetahui hasil tegangan keluaran inverter tiga fasa tiga lengan
berbasis Space Vector Modulation pada tugas akhir ini, digunakan beban daya
sebelum motor induksi tiga fasa pada sisi keluaran inverter. Beban daya terdiri
beban resistif dan induktif seperti Gambar-3.12 berikut :
Beban Induktif Beban Resistif
Gambar-3.12 Beban resistif dan beban induktif
Pada implementasi beban daya, beban resistif sebesar 5,6 Ω dan beban
induktif 5mH dipasang dengan rangkaian bintang (star). Beban daya ini
digunakan untuk analisa awal keluaran inverter.
29
Setelah analisa awal telah sesuai dengan beberapa parameter pengukuran,
beban daya diganti dengan motor induksi. Motor induksi yang digunakan pada
tugas akhir ini yaitu motor induksi tiga fasa tipe asynchronous motors seperti pada
Gambar-3.13 di bawah ini :
Gambar-3.13 Motor induksi tiga fasa
Untuk spesifikasi motor induksi tiga fasa yang digunakan dapat dilihat
pada Tabel-3.1 berikut :
Tabel-3.2 Spesifikasi Motor Induksi Tiga Fasa
Model YS7124 Unit
Rated Power
Rated Voltage
Rated Current
Number of Phase
Maximum Speed
Maximum Frequency
Mass
375
380
1.08
3
1400
50
10
W
V
A
-
RPM
Hz
Kg
3.4 Rangkaian Deteksi Arus LEM HX 10-P
Untuk mendapatkan hasil data arus dari keluaran motor induksi
dibutuhkan sebuah sensor arus. Dengan difungsikannya sensor arus ini maka
sensor dapat digunakan untuk membaca hasil data dari motor induksi sehingga
mendapatkan hasil data keluaran motor tersebut. Dengan data arus yang didapat
nantinya akan mumbuktikan bahwa perubahan amplitudo serta frekuensi dapat
30
mempengaruhi arus yang dibutuhkan motor induksi. Oleh sebab itu, digunakan
sensor arus LEM HX 10-P sebagai alat ukur yang digunakan. Gambar-3.14 dan
skema blok dapat dilihat pada Gambar-3.15 berikut :
Gambar-3.14 Sensor arus LEM HX 10-P
[https://media.rs-online.com/t_large/F4358640-01.jpg]
HX10-P
+12 V
-12 V
+12 V
-12 V
-+
+
++
-
-
-
Rn
Gambar-3. 15 Skema blok sensor arus tipe LEM HX 10-P
Cara kerja sensor arus ini yaitu mengubah besaran arus menjadi besaran
tegangan dengan menambah resistor Rn karena keluaran dari LEM HX 10-P
berupa besaran arus. Lalu sinyal ini diperkuat agar sesuai dengan nilai tegangan
yang diperlukan dengan menggunakan OP-AMP.
31
3.5 Implementasi Desain Pemrograman
Algoritma pemrograman VVVF (Variable Voltage Variable Vrequency)
Space Vector Modulation yang diimplementasi dapat dilihat pada alur diagram
berikut :
Look Up Table Method
Clarke Transformation
Magnitude / Angle
Calculation
Sector DeterminationVVVF Duty Cyle (d)
Calculation
Switching Generation
Va, Vb, VcReference
(a,b,c coordinates)
Reference(α,β coordinates)
Vα , Vβ
|V| < θ
Sa, Sb, Sc
Sector |-v| Gambar-3.16 Alur diagram VVVF Inverter berbasis Space Vector Modulation
Gambar-3.16 menjelaskan tentang metode lookup table untuk
membangkitkan referensi tiga fasa (VA,VB,VC). Lookup table adalah suatu teknik
untuk memasukkan data yang telah diolah terlebih dahulu sebelum dimasukkan ke
dalam mikrokontroler. Sampel data yang diambil akan menghasilkan gelombang
analog yang diinginkan. Setelah ini tiap referensi VA,VB,VC akan bergeser 120º
elektrik.
Tahap selanjutnya, referensi VA, VB, dan VC diolah menggunakan
transformasi Clarke lalu diubah menjadi Vα dan Vβ yang bergeser 90º elektrik satu
sama lain. Magnitude dan sudut/arah seperti pada Gambar-3.16 adalah
32
representasi parameter vektor yang dihasilkan dari dua sinyal referensi dalam
perhitungan Magnitude/Angle Calculation.
Pada duty cycle calculation didapatkan nilai dx, dy, dz yang digunakan
untuk pengambilan sampel data setiap vektor. Pengaturan duty cyle digunakan
untuk mengatur lebar pulsa tegangan keluaran serta frekuensi tertentu, inilah yang
disebut VVVF Inverter. Untuk menentukan modulasi vektor ruang tiap sektor
dapat dilihat pada Gambar-3.17 di bawah ini :
Teta<=60
Teta<=120
Teta<=180
Teta<=240
Teta<=300
(tx,ty)=f(V1,V2)
(tx,ty)=f(V2,V3)
(tx,ty)=f(V3,V4)
(tx,ty)=f(V4,V5)
(tx,ty)=f(V5,V6)
(tx,ty)=f(V6,V1)
SVM
Bas
ed P
WM
Sw
itch
ing
YES
NO
YES
YES
YES
YES
Magnitude &
teta
NO
NO
NO
NO
Gambar-3.17 Penentuan tiap sektor pada teknik SVM
33
Dari diagram di atas dapat diketahui bahwa data berupa sudut fasa dan
magnitude dari vektor tegangan referensi terletak di sektor mana. Misalkan,
apabila diketahui nilai sudut fasa berada di antara sudut 60<=120, maka vektor
ruang yang dilalui sinyal referensi terdapat pada sektor 2. Pada sektor 2, maka
terletak diantara dua buah vektor aktif V2 dan V3, begitu juga proses sektor yang
lainnya. Langkah berikutnya yaitu penghitungan nilai durasi untuk vektor
tegangan yang mengapit tiap sektor. Dari pilihan teknik modulasi vektor ruang
yang ada, akan diketahui urutan pensaklaran tiap lengan inverter. Tugas akhir ini
menggunakan teknik modulasi vektor ruang tipe Right Aligned Sequence. Untuk
memahami persamaan matematis tipe Right Aligned Sequence dapat dilihat pada
Tabel-3.3 berikut :
Tabel-3.3 Tabel matematis nilai modulasi SVM tipe Right Aligned Sequence [7].
Sektor Sinyal Modulasi
Sector#1
0ᵒ ≤ θ ≤ 60ᵒ HcarrierTs
tzHa
5,0
HcarrierTs
txtzHb
5,0
HcarrierTs
tytxtzHc
5,0
Sector#2
60ᵒ ≤ θ ≤ 120ᵒ HcarrierTs
tytzHa
5,0
HcarrierTs
tzHb
5,0
HcarrierTs
tytxtzHc
5,0
Sector#3
120ᵒ ≤ θ ≤ 180ᵒ HcarrierTs
tytxtzHa
5,0
HcarrierTs
tzHb
5,0
HcarrierTs
txtzHc
5,0
34
Sector#4
180ᵒ ≤ θ ≤ 240ᵒ HcarrierTs
tytxtzHa
5,0
HcarrierTs
tytzHb
5,0
HcarrierTs
tzHc
5,0
Sector#5
240ᵒ ≤ θ ≤ 300ᵒ HcarrierTs
txtzHa
5,0
HcarrierTs
tytxtzHb
5,0
HcarrierTs
tzHc
5,0
Sector#6
300ᵒ ≤ θ ≤ 360ᵒ HcarrierTs
tzHa
5,0
HcarrierTs
tytxtzHb
5,0
HcarrierTs
tytzHc
5,0
Setelah didapatkan nilai modulasi, selanjutnya diproses dengan
menggunakan software Microsoft Excel untuk mengetahui hasil perhitungan
dengan menggunakan grafik sebelum diimplementasi dalam bahasa C
pemrograman. Contoh nilai modulasi pada sektor#1 – sektor#6 yang telah diolah
di Microsoft Excel dapat dilihat pada Gambar-3.18 berikut :
Gambar-3.18 Kurva Space Vector Modulation pada sektor#1 – sektor#6