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 disetujui pada tanggal ……………………….2014 dan siap untuk diajukan ke ujian tugas akhir.
Semarang,…………….April 2014
Menyetujui Koordinator Tugas Akhir
Pembimbing
(Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.) 058.1.1992.110
(Dr. Ir. Slamet Riyadi , MT.) 058.1.1992.110
Dekan Fakultas Teknik
Ketua Program Studi Teknik Elektro
(Ir. Budi Setiyadi , MT.) 0.58.1.1989.051
(Dr. Florentinus Budi Setiawan ,ST., MT.) 058.1.1993.150
ii
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
iii
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.
iv
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.
v
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
vi
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
vii
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
viii
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
Gambar-2.7. (a) Rangkaian 3rd 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
ix
Gambar-3.5. Blok hardware sistem
28
Gambar-3.6. Layout sistem minimum dsPIC33FJ16GS502 dan buffer
28
dilengkapi regulator tegangan 3,3V Gambar-3.7. Realisasi rangkaian kontrol SVM
29
Gambar-3.8. Konfigurasi pin dsPIC33FJ16GS502 ( Sumber: Microchip
29
Co.Ltd.) 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
35
(Source: International Rectifier Cp. Ltd.) Gambar-3.14. Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D
36
Gambar-3.15. Konfigurasi pin Six Pack IGBT Semikron SKM22GD123D
37
(Source: Semikron Co. Ltd.) 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-
47
sektor#6 Gambar-4.1. Sinyal referensi Va, Vb, Vc akuisisi Power Simulator
48
Gambar-4.2. Sinyal Vα, Vβ hasil Transformasi Clarke akuisisi Power
48
Simulator Gambar-4.3. Sinyal Magnitude (merah) dan Teta (biru) hasil Transformasi akuisisi Power Simulator
x
49
Gambar-4.4. Sinyal SVM (Space Vector Modulation) akuisisi Power
49
Simulator Gambar-4.5. Sinyal SV-PWM (Space Vector Pulse Width Modulation)
49
akuisisi Power Simulator Gambar-4.6. Sinyal sinusoida keluaran inverter tiga fasa algoritma Space
50
Vector Modulation akuisisi Power Simulator 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
55
dengan sinyal carrier gigi gergaji Gambar-4.19. Pola pensaklaran lengkap SVPWM tiga fasa
55
Gambar-4.20. Tegangan AC keluaran fasa-fasa inverter dengan beban
56
resistif Gambar-4.21. Tegangan AC keluaran fasa-netral inverter dengan beban
56
resistif 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
xi
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
xii
