RANCANG BANGUN INVERTER FULL BRIDGE SATU FASA MENGGUNAKAN TEKNIK DYNAMIC EVOLUTION CONTROL
(Skripsi)
Oleh HABIB SUTRIHARJO
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017
ABSTRAK RANCANG BANGUN INVERTER FULL BRIDGE SATU FASA MENGGUNAKAN TEKNIK DYNAMIC EVOLUTION CONTROL Oleh HABIB SUTRIHARJO Inverter merupakan jenis konverter elektronika daya yang berfungsi untuk mengkonversi daya listrik searah (dc) menjadi bentuk daya listrik bolak-balik (ac). Salah satu teknik kontrol baru yang banyak diterapkan pada konverter elektronika daya adalah dynamic evolution control, teknik kontrol ini memiliki beberapa kelebihan yaitu perhitungan sederhana, respon cepat dan dapat mengontrol banyak parameter secara bersamaan. Dynamic evolution control akan mengontrol parameter pada inverter berupa tegangan keluaran, tegangan masukan dan arus beban menggunakan DSP (Digital Signal Processor) TMS320F2812 untuk menghasilkan sinyal PWM sebagai pemicu switching mosfet pada inverter. Penelitian ini bertujuan untuk menghasilkan gelombang keluaran inverter berupa sinusoidal murni dan mengetahui pengaruh perubahan nilai m sebagai parameter kecepatan respon penurunan fungsi error pada dynamic evolution control terhadap gelombang keluaran inverter. Pada penelitian ini dilakukan simulasi menggunakan Simulink Matlab sebagai evaluasi dari perangkat keras yang telah dibuat. Dari hasil pengujian yang dilakukan didapatkan gelombang keluaran inverter menggunakan teknik dynamic evolution control berbentuk sinusoidal murni dan nilai m berkisar antara 7.500 sampai 25.000 merupakan nilai yang paling optimal untuk menurunkan fungsi error gelombang keluaran inverter. Hasil pengujian perangkat keras yang dilakukan telah sesuai dengan hasil pengujian simulasi pada Simulink Matlab. Kata kunci : Inverter, Dynamic Evolution Control, Simulink Matlab, DSP TMS320F2812.
ABSTRACT PROTOTYPE OF SINGLE PHASE FULL BRIDGE INVERTER USING DYNAMIC EVOLUTION CONTROL BY HABIB SUTRIHARJO
Inverter is one type of power electronic that has a function to convert direct current to alternating current. One of new controlling method applied in power electronic converter named dynamic evolution control, this method offers some advantages, like a simply calculation, fast response and able to control several parameters in the same time. Those parameters were controlled by dynamic evolution included on inverter as output voltage, input voltage and current load using DSP (Digital Signal Processor) TMS320F2812 for obtaining PWM signal as mosfet switching trigger in inverter. This research is aimed to obtain an inverter output voltage in pure sinusoidal waveform and to determine the influence of m value changes as a parameter of the response speed decrease error function on dynamic evolution control against the inverter output waveform. Hardware evaluation process in this research operated by using Simulink Matlab simulation. Results showed that the inverter output waveform using dynamic evolution control produced pure sinusoidal waveform and obtained 7.500 until 25.000 of m values which was the most optimal values used in order to decrease error function in inverter output waveform. Hardware test results were suitable compared to Simulink Matlab simulation results. Keywords : Inverter, Dynamic Evolution Control, Simulink Matlab, DSP TMS320F2812
RANCANG BANGUN INVERTER FULL BRIDGE SATU FASA MENGGUNAKAN TEKNIK DYNAMIC EVOLUTION CONTROL
Oleh HABIB SUTRIHARJO Skripsi Sebagai Salah Satu Syarat untuk Mencapai Gelar SARJANA TEKNIK Pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG BANDAR LAMPUNG 2017
: RANCANG BANGUN IM'ERTER FULL BRIDGE SATU f'ASA MENGGUMMN
Judul Skripsi
TEKNIK DYNAMIC EVOLUTIOJ'Y COIYTROL :tnna Mahasiswa omor Pokok Mahasiswa : 1115031042 Program Studi
: Teknik Elektra
fakultas
: Teknik
/.
MENYETUJUI Komisi Pembimbing
Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T.
Ir. Abdul Haris, M.T.
NIP. 19710415 199803 1 005
NIP. 19630801199603 1 001
-'
2. Ketua Jurusan Teknik Elektra
.I Dr. Ing. Ardlan Ulvan, S.T., M.Sc. NIP. 19731128 199903 1 005
MENGESAHKAN
1. Tim Penguji
Ketua
: Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T.
Sekretaris
: Ir.1\bdul Haris, M.T.
L
Penguji ..._ Bukan Pembimbing : Dr. Eng. Endah Komalasari, S.T., M.T.
Tanggal Lulus Ujian Skripsi: 11 April 2017
SURAT PERNYATAAN
Dengan ini saya menyatak:an bahwa dalam skripsi ini tidak terdapat karya yang pemah dilakukan orang lain dan sepanjang sepengetahuan saya tidak terdapat karya atau pendapat yang ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini sebagaimana yang disebutkan di dalam daftar pustaka. Selain itu saya menyatak:an pula bahwa skripsi ini dibuat oleh saya sendiri.
Apabila penyataan saya tidak benar, maka saya bersedia dikenai sanksi sesuai dengan hukum yang berlaku.
Bandar Lampung, 20 Maret 2017
Habib Sutriharjo NPM. 1115031042
RIWAYAT HIDUP
Penulis dilahirkan di Gunung Batin, Lampung Tengah pada tanggal 5 April 1993. Penulis merupakan anak ketiga dari tiga bersaudara pasangan Bapak H. Kodhim Basuki dan Ibu Hj. Dasirah.
Pendidikan formal penulis dimulai dari TK Satya Dharma Sudjana III Gunung Madu, Lampung Tengah dari tahun 1999 - 2000. Penulis melanjutkan pendidikan dasar di SDN 1 Gunung Madu, Lampung Tengah dari tahun 2000 – 2005 kemudian meneruskan pendidikan di SMP Satya Dharma Sudjana dari tahun 2005 – 2008 dan SMAN 9 Bandar Lampung pada tahun 2008 sampai 2011.
Pada tahun 2011 penulis terdaftar sebagai mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung melalui jalur Seleksi Nasional Masuk Perguruan Tinggi Negeri (SNMPTN) Tertulis. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif dalam kegiatan kemahasiswaan sebagai Anggota Divisi Minat dan Bakat Himatro Unila dan Staf Ahli Kementrian Aksi dan Propaganda BEM Unila pada tahun 2012 - 2013 kemudian Ketua Divisi Minat dan Bakat Himatro Unila pada tahun 2013 – 2014. Penulis juga aktif sebagai sebagai asisten praktikum antara lain Praktikum Dasar Konversi Energi Elektrik, Praktikum Mesin Elektrik dan Praktikum Elektronika Daya. Pada Tahun 2015, penulis pernah melakukan kerja praktik di PT. PLN (Persero) Distribusi Jakarta Raya dan Tangerang dengan judul “Pengoperasian dan Pemeliharan Perlengkapan Hubung Bagi Tegangan Rendah (PHB-TR) di PT. PLN (Persero) Distribusi Jakarta Raya dan Tangerang”.
MOTTO
“ Tidak akan muncul gemerlapnya bintang yang berkilau sebelum ada kelamnya malam. Tidak akan ada warna – warni pelangi yang mencerahkan sebelum berakhir turunnya hujan. Percayalah, dibalik kesulitan yang dihadapi akan ada hal indah yang menanti.“ ( Habib Sutriharjo )
“ Maka sesungguhnya setelah kesulitan itu ada kemudahan. Sungguh setelah kesulitan itu ada kemudahan.” ( Q.S. Al Insyirah : 5 - 6
)
Kupersembahkan ini untuk : Ayah dan Ibu Tercinta H. Kodhim Basuki & Hj. Dasirah
Kakakku Tersayang Shouma Yekti Nugroho S.H. Jauhar Arif Rahman S.E. Nova Andriyani A.Md. Dini Ambarwati S.E.
Keponakanku Tersayang Dzaka, Dzaki dan Zena
SANWACANA
Segala puji bagi Allah SWT atas segala nikmat tak terhingga yang telah diberikan kepada Penulis sehingga dapat menyelesaikan skripsi ini. Sholawat serta salam senantiasa Penulis sanjung agungkan kepada Nabi Besar Muhammad SAW yang selalu dinantikan syafaatnya di hari akhir kelak. Skripsi dengan judul “Rancang Bangun Inverter Full Bridge Satu Fasa Menggunakan Teknik Dynamic Evolutin Control” ini merupakan syarat untuk meraih gelar Sarjana Teknik di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lampung. Selama melaksanakan pengerjaan skripsi ini Penulis banyak mendapatkan pengalaman yang sangat berharga. Penulis juga telah mendapat begitu banyak dukungan baik moril, materi, motivasi, bimbingan dan saran dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini Penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1.
Bapak Prof. Dr. Ir. Hasriadi Mat Akin, M.P., selaku Rektor Universitas Lampung.
2.
Bapak Prof. Suharno, M.Sc., Ph.D., selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Lampung.
3.
Bapak Dr. Ing. Ardian Ulvan, S.T., M.Sc., selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
4. Bapak Dr. Herman Halomoan Sinaga, S.T., M.T., selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung.
5.
Bapak Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T., selaku Pembimbing Utama atas kesediannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses penyelesaian skripsi ini.
6.
Bapak Ir. Abdul Haris, M.T., selaku Pembimbing Pendamping atas kesediannya untuk memberikan bimbingan, saran dan kritik dalam proses penyelesaian skripsi ini.
7.
Ibu Dr. Eng. Endah Komalasari, S.T., M.T., selaku Penguji dan Kepala Lab. Konversi Energi Elektrik periode 2012 – 2016 yang telah memberikan masukan dan saran-saran dalam skripsi ini serta memberikan kepercayaan kepada Penulis untuk menjadi asisten Lab. Konversi Energi Elektrik.
8.
Bapak Ir. Noer Soedjarwanto, M.T., selaku Kepala Lab. Konversi Energi Elektrik atas nasihat dan kepercayaannya kepada Penulis untuk dapat menyelesaikan skripsi di Lab. Konversi Energi Elektrik.
9.
Bapak Dr. Eng. Lukmanul Hakim, S.T., M.Sc., selaku Pembimbing Akademik atas bimbingan, saran, motivasi dan doa yang telah diberikan kepada Penulis dari awal masa perkuliahan sampai akhir penyelesaian skripsi.
10. Seluruh Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Lampung. Terima kasih atas segala ilmu, wawasan, pengalaman, motivasi dan doa yang telah diberikan kepada Penulis selama kuliah. 11. Seluruh Staff dan Civitas di Jurusan Teknik Elektro dan Fakultas Teknik Universitas Lampung. Terima kasih atas bantuannya dalam hal administrasi
dan lain-lain, khususnya Mbak Dian Rustiningsih S.P., Mas Daryono dan Mas Riyadi. 12. Ayahku H. Kodhim Basuki dan Ibuku Hj. Dasirah. Terima kasih atas doa, dukungan, dan kasih sayang yang tidak terhingga kepada Penulis. 13. Kakakku Mas Shouma, Mbak Nova, Mas Jauhar dan Mbak Dini serta Keponakanku Dzaka, Dzaki dan Zena. Terima kasih atas motivasi, doa dan kasih sayang yang terus diberikan kepada Penulis. 14. Teknisi Lab. KEE Pak Sugiarto S.T. dan segenap Asisten Lab. KEE 2011 Adit, Richard, Rejani, Frian, Apriwan, Denny. Seluruh Asisten Lab. KEE 2010 Kak Nanang, Kak Maulana, Kak Melzi, Kak Nuril, Kak Radi, Kak Rahmat, Kak Jaya, Mbak Devi. 15. Seluruh Asisten Lab. KEE 2012 Guntur, Aji, Yayan, Lifani, Rio, Panji, Darma dan Asisten Lab. KEE 2013 Hardy, Agung, Rendi, Nabila, Pitia, Deri, Fikri, Paian, Gusti, Andre, Hekson serta staff Lab. KEE lainnya yang tidak dapat disebutkan satu persatu. 16. Teman – Teman Elevengineer 2011 Adit Hartanto, Adit P, Adit Riski, Andreas, Alin, Annida, Aji, Arosyik, Alex, Agi, Abidin, Andi, (Alm) Arief, Anang, Bastian, Choi, Denny, Dirya, Deden, Darma, Edi, Eliza, Frisky, Fenti, Fanny, Farid, Frian, Fikri, Faris, Fadil, Grienda, Gusmau, Gata, Havif, Hajar, Iwan, Imam, Iyon, Jerry, Made, Mariyo, Najib, Nur, Oka, Pras, Petrus, Rejani, Richard, Rina, Rani, Restu, Ryan Penceng, Rei, Randi, Reza, Sigit, Vina, Yunita, Yusuf, Yoga, Yazir.
17. Keluarga besar Teknik Elekto Unila yang tidak dapat Penulis sebutkan satu persatu. “Kalian Luar Biasa”. 18. Tyas Kharimah Tindani S.Pd.. Terima kasih atas segala doa, motivasi dan perhatiannya selama ini kepada Penulis. 19. Mie Ramen Smalan Balam, Chibi – Chibi Biologi dan KKN Pesawaran Indah. Terima kasih atas segala kenangan indah yang pernah dibuat, semoga kenangan ini akan selalu teringat selamanya. 20. Semua pihak yang telah membantu serta mendukung Penulis dari awal kuliah hingga terselesaikannya skripsi ini yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak terlepas dari kesalahan dan jauh dari kesempurnaan, oleh karena itu masukan serta saran dan kritik yang membangun sangat Penulis harapkan demi perbaikan di masa yang akan datang. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Bandar Lampung, 20 Maret 2017 Penulis,
Habib Sutriharjo
DAFTAR ISI
halaman DAFTAR ISI ...................................................................................................
i
DAFTAR TABEL ..........................................................................................
v
DAFTAR GAMBAR ......................................................................................
vi
I. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .....................................................................................
1
1.2 Tujuan Penelitian ...................................................................................
2
1.3 Manfaat Penelitian .................................................................................
3
1.4 Rumusan Masalah .................................................................................
3
1.5 Batasan Masalah ....................................................................................
3
1.6 Hipotesis ................................................................................................
4
1.7 Sistematika Penulisan ............................................................................
4
II. TINJUAN PUSTAKA 2.1 Inverter ..................................................................................................
6
2.1.1 Prinsip Kerja Inverter .................................................................
7
2.2 Pulse width Modulation ( PWM ) .........................................................
9
2.3 DSP TMS320F2812PGFA ....................................................................
11
2.4 Code Composer Studio v3.3 dan DSP Emulator ...................................
16
2.5 Gate Driver Mosfet ...............................................................................
19
2.6 Dynamic Evolution Control...................................................................
21
2.6.1 Jalur Evolusi (Evolution Path) ....................................................
22
2.6.2 Jalur Evolusi dengan Fungsi Eksponensial .................................
23
2.6.3 Fungsi Dynamic Evolution ..........................................................
24
2.6.4 Analisa Sistem Konverter ............................................................
26
2.6.5 Proses Sintesis .............................................................................
26
2.6.6 Pembangkitan Duty Cycle PWM.................................................
26
i
III. METODE PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat Penelitian ............................................................
28
3.2 Alat dan Bahan ...................................................................................
28
3.3 Metode Penelitian ..............................................................................
30
3.3.1 Studi Literatur ..........................................................................
30
3.3.2 Perancangan Model Simulasi ....................................................
30
a. Perancangan Rangkaian Inverter Full Bridge .......................
30
b. Perancangan Dynamic Evolution Control..............................
31
3.3.3 Pengujian Model Simulasi ........................................................
31
3.3.4 Pengambilan Data Simulasi ......................................................
32
3.3.5 Perancangan Perangkat Keras ...................................................
32
3.3.6 Realisasi Pembuatan Perangkat Keras ......................................
32
3.3.7 Pengujian Perangkat Keras .......................................................
33
3.3.8 Pengambilan Data Perangkat Keras ..........................................
36
3.3.9 Analisa dan Pembahasan...........................................................
36
3.4 Diagram Alir Tugas Akhir ..................................................................
36
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Perancangan Model Simulasi ..............................................................
38
4.1.1 Perancangan Model Rangkaian Inverter Full Bridge Satu Fasa
38
4.1.2 Perancangan Dynamic Evolution Control.................................
40
4.2 Pengaruh Perubahan Nilai m terhadap Fungsi Error Gelombang Keluaran ..............................................................................................
47
4.2.1 Perubahan Nilai m saat Beban R ..............................................
47
4.2.2 Perubahan Nilai m saat Beban RL ...........................................
50
4.2.3 Perubahan Nilai m saat Beban RC ............................................
53
4.2.4 Perubahan Nilai m saat Beban RLC .........................................
55
4.3 Pengaruh Perubahan Arus Beban terhadap Fungsi Error Gelombang Keluaran..............................................................................................
58
4.4 Pengaruh Gejala Transien terhadap Gelombang Keluaran Inverter ....
62
ii
4.4.1 Pengaruh Gejala Transien saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 2 A……………………………………...
63
4.4.2 Pengaruh Gejala Transien saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 4 A………………………………………
64
4.4.3 Pengaruh Gejala Transien saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 6 A……………………………………….
65
4.4.4 Pengaruh Gejala Transien saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 8 A……………………………………….
66
4.4.5 Pengaruh Gejala Transien saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 10 A…………………………………….
67
4.5 Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras .......................................
68
4.5.1 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Daya Inverter Full Bridge………………………………………………………………..
69
4.5.2 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Gate Driver ........
72
4.5.3 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Filter LC .............
75
4.5.4 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Sensor Tegangan Masukan.....................................................................................
77
4.5.5 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Sensor Arus ........
81
4.5.6 Hasil Perancangan dan Realisasi Rangkaian Sensor Tegangan Keluaran.....................................................................................
83
4.5.7 Hasil Perancangan dan Pemrogram Dynamic Evolution Control pada DSP…………………………………………………….
86
4.5.8 Tampilan Perangkat Keras keseluruhan ...................................
92
4.6 Hasil Pengujian Perangkat Keras .........................................................
93
4.6.1 Hasil Pengujian Rangkaian Daya Inverter Full bridge.............
93
4.6.2 Hasil Pengujian Rangkaian Gate Driver...................................
95
4.6.3 Hasil Pengujian Rangkaian Filter LC…………………………
97
4.6.4 Hasil Pengujian Sensor Tegangan Masukan ............................
100
4.6.5 Hasil Pengujian Sensor Arus...................................................
102
4.6.6 Hasil Pengujian Sensor Tegangan Keluaran………......…… ..
103
4.6.7 Hasil Pengujian Program Dynamic Evolution Control pada DSP 104
iii
4.7 Pengujian Keseluruhan Sistem ............................................................
109
4.7.1 Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 12 V : 220 V ..............................................................................
110
4.7.2 Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 9 V : 220 V................................................................................
112
4.7.3 Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 6 V : 220 V ................................................................................
113
V. KESIMPULAN DAN SARAN 5.1 Kesimpulan ........................................................................................
116
5.2 Saran ..................................................................................................
117
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
iv
DAFTAR TABEL
Tabel
Halaman
2.1
Deskripsi Hardware TMS320F2812PGFA .........................................
14
2.2
Tabel Kebenaran / Karakteristik IC HCPL 3120 .................................
20
4.1
Parameter Nilai Tiap Komponen pada Model Rangkaian Inverter Full Bridge ...................................................................................................
v
39
DAFTAR GAMBAR
Gambar
Halaman
2.1
Rangkaian Inverter Full Bridge ...........................................................
6
2.2
Ilustrasi Rangkaian Inverter Empat Saklar ..........................................
7
2.3
Gelombang Keluaran Inverter pada Keadaan S1 & S2 On..................
8
2.4
Gelombang Keluaran Inverter pada Keadaan S3 & S4 On..................
8
2.5
Gelombang Keluaran Inverter dengan Beban Resistif.........................
9
2.6
Pulse Width Modulation .......................................................................
10
2.7
Proses Pencuplikan Sinyal Kontinyu ...................................................
12
2.8
Pemrosesan Sinyal pada DSP...............................................................
13
2.9
Arsitektur Harvard ...............................................................................
13
2.10
DSP TMS320F2812PGFA ...................................................................
13
2.11
Diagram Blok Fungsional DSP TMS320F2812PGFA ........................
15
2.12
USB Emulator XDS-510 TI DSP........................................................
17
2.13
Tampilan Halaman Menu Setup CCS v3.3 ..........................................
17
2.14
Tampilan Halaman Home CCS v3.3 ...................................................
18
2.15
Konfigurasi Pin IC HCPL 3120 ...........................................................
19
2.16
Sistem Minimum IC HCPL 3120 .........................................................
20
2.17
(a) Respon Dinamis Sistem Orde Dua dalam Domain Waktu (b) Kurva Error pada Sistem................................................................
2.18
22
(a) Peningkatan Respon pada Sistem (b) Grafik Error Ideal...........................................................................
23
2.19
Jalur Evolusi Eksponensial ..................................................................
24
2.20
Pembangkitan Sinyal PWM .................................................................
27
3.1
Diagram Alir Pengujian Perangkat Keras ............................................
35
3.2
Diagram Alir Penelitian .......................................................................
37
4.1
Pemodelan Rangkaian Inverter Full Bridge Satu Fasa ........................
39
4.2
Perancangan Model Dynamic Evolution Control ................................
44
4.3
Pemodelan Inverter Full Bridge Terintegrasi Dynamic Evolution Control45
4.4
(a) Hasil Pengujian Simulasi Gelombang Tegangan Keluaran
vi
(b) Hasil Pengujian Simulasi Gelombang Arus Keluaran....................
46
4.5
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDV saat Beban R .....................
48
4.6
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDI saat Beban R ......................
49
4.7
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDV saat Beban RL...................
50
4.8
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDI saat Beban RL....................
52
4.9
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDV saat Beban RC ..................
53
4.10
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDI saat Beban RC ...................
54
4.11
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDV saat Beban RLC ................
56
4.12
Kurva Perubahan Nilai m terhadap THDI saat Beban RLC .................
57
4.13
Kurva Perubahan Arus Beban terhadap THDV ....................................
59
4.14
Kurva Perubahan Arus Beban terhadap THDI .....................................
61
4.15
Gelombang Keluaran Inverter saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 2 A 63
4.16
Gelombang Keluaran Inverter saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 4 A 64
4.17
Gelombang Keluaran Inverter saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 6 A 65
4.18
Gelombang Keluaran Inverter saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 8 A 66
4.19
Gelombang Keluaran Inverter saat Perubahan Beban 1 A Menjadi 10 A 67
4.21
Rangkaian Inverter Full Bridge Satu Fasa dengan Empat Switch .......
69
4.22
Skematik Rangkaian Daya Inverter Full Bridge ..................................
70
4.23
PCB Layout Rangkaian Daya Inverter Full Bridge .............................
71
4.24
Perangkat Keras Rangkaian Daya Inverter Full Bridge ......................
71
4.25
Skematik Rangkaian Gate Driver ........................................................
73
4.26
PCB Layout Perangkat Keras Rangkaian Gate Driver ........................
74
4.27
Perangkat Keras Rangkaian Gate Driver .............................................
74
4.28
Perangkat Keras Rangkaian Filter LC..................................................
76
4.29
Skematik Rangkaian Sensor Tegangan Masukan Inverter ..................
78
4.30
Bagan Perbandingan Gain pada Sensor Tegangan Masukan Inverter .
79
4.31
Rangkaian Regulator Tegangan ...........................................................
79
4.32
PCB Layout Rangkaian Sensor Tegangan Masukan Inverter ..............
80
4.33
Perangkat Keras Rangkaian Sensor Tegangan Masukan Inverter .......
80
4.34
Skematik Sensor Arus Inverter ............................................................
82
4.35
Perangkat Keras Rangkaian Sensor Arus .............................................
82
4.36
Skematik Sensor Tegangan Keluaran Inverter ....................................
84
vii
4.37
Bagan Perbandingan Gain pada Sensor Tegangan Keluaran Inverter .
85
4.38
PCB Layout Rangkaian Sensor Tegangan Keluaran............................
85
4.39
Perangkat Keras Rangkaian Sensor Tegangan Keluaran .....................
86
4.40
Menu Target Support Package TC 2 ....................................................
87
4.41
Memasukkan Board yang Digunakan ke dalam Project Simulink.......
87
4.42
Blok Custom Board yang Telah Diatur ................................................
88
4.43
Menu C281x DSP Chip Support ..........................................................
89
4.44
Blok Parameter C281x ADC................................................................
90
4.45 Blok Parameter Timer C281x PWM dengan Pengaturan Sinyal Carrier 5kHz....................................................................................................... 4.46
91
Program Keseluruhan Dynamic Evolution Control pada Simulink Matlab91
4.47 Pengkoneksian Simulink Matlab dengan CCS Menggunakan Incremental Build ......................................................................................................
92
4.48
Tampilan Perangkat Keras Keseluruhan ..............................................
93
4.49
Pengujian Rangkaian Model Simulasi Inverter Full Bridge ................
94
4.50
Hasil Pengujian Rangkaian Model Simulasi Inverter Full Bridge ......
94
4.51
Hasil Pengujian Perangkat Keras Inverter Full Bridge........................
95
4.52
Hasil Pengujian Perangkat Keras Rangkaian Gate Driver dengan Duty Cycle 30 % ...........................................................................................
4.53
Hasil Pengujian Perangkat Keras Rangkaian Gate Driver dengan Duty Cycle 50 % ...........................................................................................
4.54
96
97
Pengujian Rangkaian Model Simulasi Inverter Full Bridge dengan Filter LC .........................................................................................................
98
4.55
Hasil Pengujian Rangkaian Model Simulasi Filter LC ........................
99
4.56
(a) Hasil Keluaran Inverter Sebelum Menggunakan Filter LC (b) Hasil Keluaran Inverter Setelah Menggunakan Filter LC ..............
100
4.57
Hasil Pengujian Perangkat Keras Sensor Tegangan Masukan .............
101
4.58
Hasil Pengujian Perangkat Keras Sensor Arus ....................................
102
4.59
Hasil Pengujian Perangkat Keras Sensor Tegangan Keluaran .............
103
4.60
Model Pengujian Dynamic Evolution Control pada DSP ....................
106
4.61
Hasil Pengujian Dynamic Evolution Control pada Scope Simulink Matlab………………………………………………………………… 106
viii
4.62
Hasil Keluaran Sinyal PWM pada Pengujian Dynamic Evolution Control………………………………………………………………………..
4.63
107
Hasil Pengujian Dynamic Evolution Control yang Terintegrasi dengan Rangkaian Daya Inverter Full Bridge ..................................................
108
4.64
Proses Pengujian Inverter dengan Transformator Step Up..................
110
4.65
Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 12 V : 220 V .........................................................................................
4.66
Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 9 V : 220 V ...........................................................................................
4.67
111
112
Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator 6 V : 220 V ...........................................................................................
ix
114
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Konverter elektronika daya berfungsi untuk mengkonversikan energi listrik dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Salah satu konverter elektronika daya yang banyak dikembangkan adalah inverter yang berfungsi untuk mengkonversi daya listrik searah (Direct current/ dc) menjadi bentuk daya listrik bolak-balik (Alternating current/ ac). Inverter banyak digunakan pada peralatan elektronik, pengontrolan kecepatan motor ac, UPS (Uninterrupted power Supply) dan sumber energi terbarukan seperti solar cell. Salah satu teknik kontrol baru yang banyak diterapkan pada konverter elektronika daya adalah dynamic evolution control. Dynamic evolution control telah diterapkan pada beberapa penelitian – penelitian sebelumnya yaitu untuk kontrol synchronous buck DC - DC converter[1], fuel cell DC – DC converter[2] dan bidirectional DC – DC converter[3]. Pada penelitian kali ini teknik dynamic evolution control akan diterapkan pada inverter full bridge satu fasa untuk mengontrol gelombang keluaran inverter. Pemilihan teknik dynamic evolution control dibandingkan teknik kontrol lain disebabkan karena dynamic evolution control memiliki beberapa kelebihan
2
dibandingkan teknik kontrol lain yaitu perhitungan yang sederhana, memiliki respon yang cepat dan juga dapat mengontrol banyak parameter dari inverter secara bersamaan seperti tegangan keluaran, tegangan masukan, tegangan referensi dan arus beban. Oleh karena itu diharapakan penggunaan dynamic evolution control pada inverter full bridge satu fasa dapat mengontrol gelombang keluaran inverter dan membentuk gelombang keluaran inverter menjadi gelombang sinusoidal.
1.2 Tujuan Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: a. Merancang dan membangun inverter dengan teknik dynamic evolution control untuk menghasilkan gelombang keluaran inverter yang berbentuk sinusoidal. b. Memvariasikan nilai m pada dynamic evolution control dan mengamati perubahan gelombang keluaran inverter yang terjadi. c. Membandingkan hasil pengujian perangkat keras inverter menggunakan teknik dynamic evolution control dengan hasil simulasinya menggunakan Simulink Matlab dengan tujuan sebagai evaluasi dalam keberhasilan pembuatan perangkat keras.
3
1.3 Manfaat Manfaat yang diharapkan tercapai pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Dihasilkan sebuah inverter dengan teknik dynamic evolution control yang dapat menghasilkan gelombang keluaran inverter yang berbentuk sinusoidal. 2. Mengetahui perubahan bentuk gelombang keluaran inverter terhadap perubahan nilai m pada dynamic evolution control. 3. Dengan berhasilnya pemakaian dynamic evolution control dapat menggantikan teknik kontrol konvensional sebelumnya yang digunakan pada inverter.
1.4 Rumusan Masalah Rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana merancang dan membangun perangkat keras inverter dengan teknik dynamic evolution control. 2. Bagaimana pengaruh perubahan nilai m pada dynamic evolution control terhadap bentuk gelombang keluaran inverter. 3. Bagaimana memodelkan pengggunaan dynamic evolution control pada Simulink Matlab dan memvalidasi hasil simulasi dengan pengujian perangkat keras inverter.
1.5 Batasan Masalah Beberapa hal yang membatasi masalah dalam pembahasan tugas akhir ini adalah:
4
1. Menggunakan teknik dynamic evolution control pada inverter untuk menghasilkan gelombang keluaran inverter berbentuk sinusoidal. 2. Menggunakan software Simulink Matlab untuk mensimulasikan teknik dynamic evolution control pada inverter. 3. Pengujian dilakukan dengan memvariasikan nilai m pada dynamic evolution control dan membandingkan bentuk gelombang keluaran inverter pada setiap perubahannya. 4. Membandingkan hasil simulasi dengan hasil pengujian perangkat keras inverter.
1.6 Hipotesis Hipotesis dari penelitian ini adalah dengan menggunakan teknik dynamic evolution control pada inverter dapat membuat gelombang keluaran inverter berbentuk gelombang sinusoidal.
1.7 Sistematika Penulisan Sistematika penulisan tugas akhir ini terdiri dari beberapa bab, yaitu: BAB I PENDAHULUAN Pada bab ini menjelaskan tentang latar belakang, tujuan, manfaat, rumusan masalah, batasan masalah, hipotesis, dan sistematika penulisan. BAB II TINJAUAN PUSTAKA Pada bab ini menjelaskan mengenai landasan teori secara garis besar yang berhubungan dengan penelitian yang dilakukan.
5
BAB III METODE PENELITIAN Pada bab ini menjelaskan tentang langkah-langkah yang dilakukan pada penelitian. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN Pada bab ini berisi mengenai hasil pengujian dan pembahasan terhadap hasil penelitian yang diperoleh. BAB V PENUTUP Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil penelitian serta saran-saran untuk penelitian selanjutnya. DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Inverter Inverter merupakan suatu rangkaian elektronika daya yang berfungsi mengkonversi daya listrik searah (Direct current/ dc) menjadi bentuk daya listrik bolak-balik (Alternating current/ ac). Di dalam rangkaian inverter terdapat beberapa komponen penting yang digunakan seperti saklar semikonduktor, induktor, kapasitor dan resistor. Saklar yang digunakan pada inverter harus mempunyai respon cepat untuk berubah dari keadaan on menjadi off ataupun sebaliknya, oleh karena itu digunakan saklar semikonduktor jenis mosfet (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Gambar 2.1 menjelaskan rangkaian inverter jenis jembatan penuh (Full bridge inverter) yang menggunakan 4 saklar mosfet.
VDC
Beban
Gambar 2.1 Rangkaian Inverter Full Bridge
7
2.1.1
Prinsip Kerja Inverter Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan rangkaian seperti pada Gambar 2.2 dengan sumber masukan tegangan dc dan memiliki empat saklar yang telah dirangkai seperti di bawah ini dengan pengoperasian waktu saklar yang telah diatur yaitu waktu operasi saklar 1 (S1) dan saklar 2 (S2) sama, waktu operasi saklar 3 (S3) dan saklar 4 (S4) sama, dan antara saklar 1 (S1) saklar 2 (S2) dan saklar 3 (S3) saklar 4 (S4) memiliki waktu operasi yang berbeda.
Gambar 2.2 Ilustrasi Rangkaian Inverter Empat Saklar Perbedaan waktu operasi saklar tersebut yang menimbulkan rekayasa aliran listrik yang mengalir pada rangkaian di atas. Ketika S1 dan S2 dalam keadaan on (Close) dan S3 serta S4 dalam keadaan off (Open) maka aliran dari dc supply akan mengalir melalui S1 kemudian melewati positif beban setelah itu mengalir melalui S2 dan menuju dc supply, aliran listrik pada rangkaian saat keadaan ini ditunjukkan oleh Gambar 2.3 sehingga pada keadaan tersebut keluaran gelombang pada beban akan berada di posisi positif.
8
Gambar 2.3 Gelombang Keluaran Inverter pada Keadaan S1 & S2 On Dan sebaliknya ketika S3 dan S4 dalam keadaan on dan S1 serta S2 dalam keadaan off
maka aliran dari sumber tegangan dc akan
mengalir melalui S3 kemudian menuju negatif beban selanjutnya mengalir melului S4 dan menuju sumber tegangan dc, aliran listrik pada rangkaian saat keadaan ini ditunjukkan oleh Gambar 2.4 sehingga pada keadaan tersebut keluaran gelombang pada beban akan berada di posisi negatif.
Gambar 2.4 Gelombang Keluaran Inverter pada Keadaan S3 & S4 On Oleh karena itu ketika keadaan empat saklar tersebut bekerja secara terus menerus sesuai dengan waktu operasi yang telah diatur maka
9
gelombang keluaran yang dimiliki inverter dengan beban bersifat resistif akan berbentuk seperti yang terlihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Gelombang Keluaran Inverter dengan Beban Resistif Bekerjanya saklar mosfet pada inverter diatur oleh PWM (Pulse Width Modulation) yang mengeluarakan sinyal berupa tegangan untuk mengatur gate mosfet agar dapat berubah kondisi baik on maupun off.
2.2 Pulse width Modulation ( PWM ) PWM (Pulse Width Modulation) atau modulasi lebar pulsa merupakan suatu teknik yang membandingkan sinyal referensi (Vr) dengan sinyal Carrier (Vc)[4].
Sinyal carrier yang biasa digunakan berupa gelombang segitiga
ataupun gelombang gigi gergaji. Prinsip dasar dari teknik PWM adalah ketika besarnya amplitudo sinyal referensi (Vr) lebih besar dari amplitudo sinyal carrier (Vc) maka dihasilkan sinyal high atau on dan jika besar amplitudo sinyal referensi (Vr) berada lebih kecil dari amplitudo sinyal carrier (Vc) maka dihasilkan sinyal low atau off. Proses membandingkan sinyal referensi
10
dengan sinyal carrier terlihat pada Gambar 2.6 sehingga dapat menghasilkan nilai duty cycle pada PWM dari perbandingan kedua gelombang tersebut.
Gambar 2.6 Pulse Width Modulation[4] ton pada gambar di atas menunjukkan lama waktu tegangan keluaran berada di posisi high atau on sedangkan toff merupakan lama waktu tegangan keluaran berada di posisi low atau off. Penjumlahan lama waktu dari ton dengan toff disebut dengan T yang biasa dikenal dengan satu perioda gelombang.
T= ton + toff
(2.1)
11
Dari besarnya ton dan toff ini maka dapat ditentukan besarnya duty cycle yaitu perbandingan antara waktu ketika gelombang berada dalam keadaan on dibagi dengan total waktu antara gelombang dalam keadaan on dan gelombang dalam keadaan off sehingga duty cycle dapat ditulis seperti pada persamaan di bawah ini. Duty Cycle =
𝑡𝑜𝑛 𝑡𝑜𝑛 +𝑡𝑜𝑓𝑓
𝑥 100%
(2.2)
Duty cycle inilah yang akan menentukan waktu kerja pada komponen saklar semikonduktor sehingga akan menjadi pulsa penyalaan yang mengontrol keadaan on dan off pada saklar. Oleh karena itu prinsip kerja dari PWM untuk mengontrol kerja dari saklar semikonduktor adalah ketika Vcontrol/ Vreff memiliki amplitudo lebih besar dari gelombang segitiga maka PWM akan mengeluarkan kondisi high yang menyebabkan saklar dalam keadaan on sehingga saklar menutup, sebaliknya ketika Vcontrol/ Vreff memiliki amplitudo lebih kecil dari gelombang segitiga maka PWM akan mengeluarkan kondisi low yang menyebabkan saklar dalam keadaan off sehingga saklar akan membuka. Sinyal PWM dapat dihasilkan dari dua jenis komponen yaitu komponen analog dan komponen digital. Salah satu contoh komponen analog adalah dari beberapa jenis IC (Integrated Circuit) sedangkan komponen digital salah satunya dihasilkan oleh mikrokontroler dan DSP (Digital Signal Processor).
2.3 DSP TMS320F2812PGFA[5] Digital signal processor (DSP) merupakan mikroprosesor yang memiliki arsitektur untuk mengoptimalkan kebutuhan operasional pemrosesan sinyal
12
digital dengan cepat. DSP dapat memproses data secara real-time, sehingga sangat ideal untuk aplikasi yang tidak mentolerir adanya keterlambatan. dalam awal pemrosesan data pada DSP, data diterima dalam sinyal analog berbentuk sinyal kontinyu dan kemudian sinyal kontinyu tersebut diubah menjadi sinyal digital dengan cara mencuplik (Sampling) sinyal kontinyu sehingga menjadi sinyal diskrit, keseluruhan proses tersebut terjadi di unit ADC (Analog to Digital Converter). Proses pencuplikan sinyal kontinyu menjadi sinyal diskrit terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Proses Pencuplikan Sinyal Kontinyu Setelah sinyal diubah representasinya menjadi deretan data diskrit, selanjutnya data ini dapat diolah oleh prosesor menggunakan suatu algoritma pemrosesan yang diimplementasikan dalam program. Hasil dari pemrosesan akan dilewatkan ke suatu DAC (Digital to Analog Converter) dan LPF (Low Pass Filter) untuk dapat diubah menjadi sinyal kontinyu kembali. Pemrosesan sinyal pada DSP diilustrasikan pada Gambar 2.8.
13
Gambar 2.8 Pemrosesan Sinyal pada DSP[5] Antar chip pada DSP memiliki arsitektur khusus yang dikenal dengan sebutan arsitektur Harvard, yang memisahkan antara jalur data dengan jalur kode. Arsitektur ini memberikan keuntungan yaitu adanya kemampuan untuk mengolah perhitungan matematis dengan cepat, misal dalam satu siklus dapat melakukan suatu perkalian matrix.
Gambar 2.9 Arsitektur Harvard[5] Salah satu tipe DSP yang biasa digunakan adalah DSP TMS320F2812PGFA dengan gambar hardware seperti pada Gambar 2.10 dan deskripsi hardware tercantum pada Tabel 2.1.
Gambar 2.10 DSP TMS320F2812PGFA
14
Tabel 2.1 Deskripsi Hardware TMS320F2812PGFA[5] Instruction Cycle (at 150 MHz) Single-Access RAM (SARAM) (16-bit word) 3.3-V On-Chip Flash (16-bit word) Code Security for On-Chip Flash/SARAM Boot ROM OTP ROM
6.67 ns 18K
External Memory Interface Event Managers A and B (EVA and EVB) • General-Purpose (GP) Timers
Ya EVA, EVB
128K Ya Ya Ya
4
•
Compare (CMP)/PWM
16
•
Capture (CAP)/QEP Channels
6/2
Watchdog Timer 12-Bit ADC •
Channels
32-bit CPU Timers SPI SCIA, SCIB CAN McBSP Digital Input/ Output Pins (Shared) External Interrupts Supply Voltage Packaging
Ya Ya 16 3 Ya SCIA, SCIB Ya Ya 56 3 1.8-V Core, 3.3-V I/O 179-pin GHH 176-pin PGF
DSP TMS320F2812PGFA memiliki diagram blok fungsional seperti pada Gambar 2.11 berikut ini.
15
Gambar 2.11 Diagram Blok Fungsional DSP TMS320F2812PGFA[5] DSP TMS320F2812 dapat diprogram menggunakan perangkat lunak Code Composer Studio yang berfungsi sebagai IDE (Integrated Development Environment), sehingga pemrograman pada komputer akan dilakukan pada perangkat lunak Code Composer Studio dan setelah program selesai dibuat maka program tersebut dapat di-upload pada DSP dengan cara menghubungkan komputer dan DSP TMS320F2812 menggunakan DSP emulator.
16
2.4 Code Composer Studio v3.3 dan DSP Emulator Code Composer Studio (CCS) merupakan suatu program yang digunakan dalam pengembangan aplikasi dari mikrokontroler dan prosesor yang berasal dari Texas Instrument termasuk salah satunya DSP TMS320F2812. Pada CCS terdapat menu debug yang berfungsi untuk menjalankan program yang telah dibuat dan kemudian akan di-upload pada DSP. CCS juga dapat diintegrasikan dengan Simulink Matlab sehingga dalam pemrogramannya menggunakan libraries yang tersedia pada Simulink. Sedangkan DSP emulator merupakan penghubung (Interface) antara CCS yang terdapat pada komputer dengan DSP sebagai target hardware yang akan diprogram. Kedua hal ini merupakan suatu hal wajib yang harus dimiliki untuk memprogram DSP, oleh karena itu sebelum melakukan pemrograman DSP maka diperlukan penginstalan CCS dan USB Emulator DSP pada perangkat komputer yang digunakan. Salah satu DSP emulator yang terintegrasi dengan DSP TMS320F2812 adalah USB emulator XDS-510 TI DSP dan Driver USB emulator
XDS-510 TI DSP kompetibel dengan operating
system Microsoft Windows versi Windows 7 dan Windows XP. Tampilan USB emulator XDS-510 TI DSP dapat dilihat pada Gambar 2.12.
17
Gambar 2.12 USB Emulator XDS-510 TI DSP Code Composer Studio v3.3 merupakan salah versi CCS yang kompetibel dengan operating system Microsoft Windows versi Windows 7 dan Windows XP. Sebelum melakukan pemrograman pada CCS, hal pertama yang perlu dilakukan adalah dengan mengidentifikasikan board DSP dan tipe prosesor DSP yang digunakan pada program setup CCS v3.3 seperti yang terlihat pada Gambar 2.13.
Gambar 2.13 Tampilan Halaman Menu Setup CCS v3.3
18
Pemilihan tipe board DSP harus sesuai dengan board yang digunakan begitu juga dengan prosesornya, jika pemilihan board dan prosesor tidak sesuai maka CCS v3.3 tidak akan dapat mengkoneksikannya dengan board yang ada sehingga tidak akan dapat dilakukan pemrograman. Setelah pemilihan board dan prosesor telah sesuai maka selanjutnya adalah memilih Save & Quit sehingga secara otomatis akan membuka program CCS v3.3. Pada awal program CCS v3.3 antara DSP dengan program CCS belum terkoneksi sehingga tidak akan dapat dilakukan pemrograman, oleh karena itu perlu dilakukan pengkoneksian dengan cara memilih menu debug pada toolbar menu dan memilih submenu connect atau dapat juga dengan menggunakan tombol short cut yaitu Alt + C. Tampilan halaman home yang telah terkoneksi dengan DSP dapat dilihat seperti pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14 Tampilan Halaman Home CCS v3.3
19
2.5 Gate Driver Mosfet Pada DSP ketika sinyal low maka tegangan yang dikeluarkan sebesar 0 Volt dan ketika sinyal high yang dikeluarkan maka besar tegangan yang dikeluarkan sebesar 3.3 Volt, tegangan saat sinyal high yang terlalu kecil ini tidak akan dapat memicu gate pada mosfet karena mosfet hanya bekerja sebagaimana fungsinya jika mosfet tersebut bekerja pada kondisi saturasinya. Kondisi saturasi mosfet ini dapat dibentuk dengan memberikan tegangan gate-source berkisar antara 12 - 15 Volt. Oleh karena itu diperlukan rangkaian penguat / pemicu gate pada mosfet yang disebut sebagai rangkaian gate driver. Pada penelitian ini rangkaian gate driver dibuat dengan menggunakan IC HCPL 3120, yang berfungsi menguatkan tegangan PWM kontrol DSP dari 3.3 Volt menjadi 15 Volt. Konfigurasi pin dari IC HCPL 3120 ini dijelaskan pada Gambar 2.15 berikut:
Gambar 2.15 Konfigurasi Pin IC HCPL 3120[6] Pada dasarnya IC HCPL adalah IC Optocoupler, dimana prinsipnya mengkonversi sinyal kontrol menjadi cahaya. Cahaya ini kemudian akan diterima oleh receiver (Dapat berupa photodiode atau phototransistor) berupa tranduser yang menghasilkan tegangan yang lebih besar dengan
20
karakteristik yang sama dengan tegangan input. Karakteristik dari IC HCPL 3120 ini dijelaskan pada Tabel 2.2 berikut: Tabel 2.2 Tabel Kebenaran / Karakteristik IC HCPL 3120[6] LED
Vcc - VEE
Vo
Off
0 – 30 V
Low
On
0 – 11 V
Low
On
11 – 13.5 V
Transition
On
13.5 – 30 V
High
Karakteristik dari IC HCPL ini adalah ketika LED on dengan tegangan catu daya berkisar antara 13.5 – 30 Volt maka tegangan keluaran (Vo) akan high (15 Volt). Dan ketika LED off dengan tegangan catu daya berkisar antara 13.5 – 30 Volt maka tegangan keluaran (Vo) akan low (0 Volt). Sistem minimum dari IC HCPL 3120 dijelaskan pada Gambar 2.16 dibawah ini:
Gambar 2.16 Sistem Minimum IC HCPL 3120[6]
21
2.6 Dynamic Evolution Control Dynamic evolution control (DEC) merupakan salah satu teknik kontrol baru untuk
mengontrol
rangkaian
elektronika
daya
yang
dalam
pengembangannya telah banyak diaplikasikan pada beberapa penelitian seperti dynamic evolution control untuk konverter synchronous buck DCDC[1], dynamic evolution control untuk konverter fuel cell DC-DC[2], dynamic evolution control pada bidirectional konverter DC-DC untuk penghubung penyimpan engergi ultrakapasitor dengan sistem kendaran listrik fuel cell[3], dan beberapa penelitian lainnya. Dynamic evolution control merupakan turunan dari bentuk dasar teori kendali, terutama kendali umpan balik. Dimana ketika ada perbedaan antara keluaran dengan masukan yang dijadikan sebagai referensi pada suatu sistem kendali, maka itu menunjukkan keadaan error dan harus dihilangkan dalam waktu yang singkat. Sesuai dengan teori tersebut, maka pada dynamic evolution control, keadaan error dipaksa untuk menuju nol dengan mengikuti kurva tertentu yang berbentuk seperti jalur yang disebut jalur evolusi. Jalur evolusi ini membuat error akan terus berkurang sejalan dengan bertambahnya waktu. Mendesain dynamic evolution control pada suatu konverter harus terlebih dahulu memperhatikan langkah-langkah berikut ini: 1. Melakukan pemilihan jalur evolusi (Evolution Path) 2. Membuat fungsi dynamic evolution 3. Menganalisis sistem konverter yang digunakan 4. Memasukkan sistem konverter ke persamaan dynamic evolution
22
5. Menghasilkan duty cycle PWM yang telah terkontrol 2.6.1 Jalur Evolusi (Evolution Path) [1] Langkah pertama yang perlu dilakukan untuk mendesain dynamic evolution control pada suatu sistem adalah menentukan jalur evolusi yang menjamin keadaan error akan menuju nol dalam waktu yang singkat. Pada respon dinamis sistem orde dua terlihat dari Gambar 2.17. (a) besarnya keluaran gelombang dari suatu sistem akan mendekati nilai referensinya seiring bertambahnya waktu. Sedangkan pada Gambar 2.17 (b) terlihat dari nilai error sistem tersebut pada awalnya mengalami overshoot kemudian berosilasi dan selanjutnya terus menuju nol seiring dengan bertambahnya waktu.
Gambar 2.17 (a) Respon Dinamis Sistem Orde Dua dalam Domain Waktu (b) Kurva Error pada Sistem Dari grafik di atas terlihat bahwa overshoot dan osilasi pada sistem tersebut merupakan besarnya error pada sistem, sehingga diperlukan teknik kontrol untuk mengontrol respon keluaran dari sistem agar dapat menghilangkan overshoot dan osilasi yang terjadi pada sistem. Hal ini
23
terlihat dari Gambar 2.18 (a) bahwa besarnya keluaran sistem respon yang ideal akan bergerak dari nilai nol kemudian meningkat sampai ke batas nilai referensinya dan terus mempertahankan nilainya. Dan pada Gambar 2.18 (b) terlihat grafik error yang ideal yaitu berawal dari nilai positif dan turun menuju nol seiring bertambahnya waktu kemudian mempertahankan nilai tersebut.
Gambar 2.18 (a) Peningkatan Respon pada Sistem (b) Grafik Error Ideal Oleh karena itu sesuai dengan teori di atas, jalur evolusi dibuat seideal mungkin sehingga dapat mengikuti grafik error ideal dan untuk memudahkan penganalisaannya digunakan fungsi eksponensial. 2.6.2 Jalur Evolusi Dengan Fungsi Eksponensial[1] Jalur evolusi dengan pedekatan fungsi eksponensial dapat dilakukan dengan menganggap grafik error ideal merupakan bentuk fungsi eksponensial seperti yang terlihat pada Gambar 2.19.
24
Y
Y0
Y = Y0.e-mt
0
t Gambar 2.19 Jalur Evolusi Eksponensial
Dari grafik di atas terlihat persamaan yang terbentuk adalah:
Y = Y0 e−mt
(2.3)
Dimana : Y adalah besar nilai error Y0 adalah nilai awal Y m adalah nilai yang sebanding dengan kecepatan respon penurunan nilai awal Y Persamaan ini dapat digunakan untuk nilai error awal positif maupun negatif karena dengan mengikuti persamaan ini nilai error akan selalu menuju nol. 2.6.3 Fungsi Dynamic Evolution[1] Tujuan dari dynamic evolution control adalah untuk mengontrol karakteristik dinamis dari suatu sistem sehingga dapat beroperasi dengan keadaan error-nya sebesar nol (Y = 0). Dalam sistem dynamic
25
evolution control, karakteristik dinamis dari suatu sistem konverter dipaksa untuk mengikuti jalur evolusinya. Jalur evolusi ini harus turun menjadi nol seiring dengan bertambahnya waktu dan juga kecepatan respon penurunan nilai pada jalur evolusi harus sebanding dengan perubahan nilai m. Jika Y dijadikan sebagai fungsi error dari suatu konverter dan Y dipaksa mengikuti jalur evolusi fungsi eksponensial seperti Gambar 2.19 sehingga dynamic evolution dari fungsi error (Y) dengan nilai error awal adalah Y0 maka terlihat fungsi error (Y) dipakasa untuk turun menuju nol secara eksponensial bersamaan dengan perubahan nilai m. Dari Persamaan 2.3, turunan dari Y adalah: 𝑑𝑌 𝑑𝑡
= −m. Y0 . e−mt
(2.4)
= −m. Y
(2.5)
Sehingga, 𝑑𝑌 𝑑𝑡
Dari hasil tersebut persamaan dynamic evolution dapat dituliskan dalam persamaan berikut : 𝑑𝑌 𝑑𝑡
+ m. Y = 0, m > 0
(2.6)
Dimana m merupakan salah satu parameter kecepatan respon penurunan jalur evolusi. Persamaan dynamic evolution (2.6) dapat memaksa error (Y) pada sistem untuk turun sampai ke nilai nol secara eksponensial dengan kecepatan repon penurunan nilai Y sebanding dengan peningkatan nilai m.
26
2.6.4 Analisa Sistem Konverter[1] Menganalisa sistem pada konverter bertujuan untuk memperoleh persamaan respon keluaran dari konverter tersebut sehingga dengan persamaan ini akan digunakan untuk merumuskan persamaan dari duty cycle PWM (Pulse width modulation) yang berfungsi mengatur waktu kerja pada mosfet yang digunakan. 2.6.5 Proses Sintesis[1] Proses sintesis merupakan suatu proses memasukkan persamaan sistem konverter yang digunakan ke dalam persamaan dynamic evolution fungsi eksponensial sehingga fungsi error (Y) dari konverter tersebut mengikuti jalur evolusi menuju nol. Proses sintesis pada sistem konverter menghasilkan duty cycle PWM dari konverter tersebut. Persamaan duty cycle diperoleh dari parameter konverter yang akan dikontrol oleh dynamic evolution control seperti tegangan keluaran (Vo), tegangan masukan (Vin) dan arus pada beban (iL). 2.6.6 Pembangkitan Duty Cycle PWM[1] Persamaan duty cycle PWM diperoleh dari hasil perbandingan tegangan hasil pengontrolan (Vcontrol) dengan gelombang berulang yang memiliki frekuensi tetap dan besar puncak gelombang yang konstan seperti gelombang gigi gergaji (Vst). Vcontrol berasal dari hasil pengontrolan tegangan keluaran (Vo), tegangan masukan (Vin), tegangan referensi (Vref) dan arus pada beban (iL). Frekuensi pada gelombang gigi gergaji (Vst) merupakan besar frekuensi pensaklaran dari mosfet yang
27
digunakan. Oleh karena itu dynamic evolution control bekerja di frekuensi pensaklaran yang konstan. Proses pembangkitan sinyal PWM dari hasil perbandingan antara Vcontrol dengan Vst dapat dilihat pada Gambar 2.20. Vin Vo Vref
iL
α (Vin,Vo,Vref,iL)
Vcontrol + PWM Generator
Vst
VSawtooth Wave
-
Gambar 2.20 Pembangkitan Sinyal PWM
VPWM
BAB III METODE PENELITIAN
3.1 Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dan penulisan laporan tugas akhir mulai dilaksanakan pada Bulan Juni 2015 serta direncanakan selesai pada Bulan Februari 2017 dan dilakukan di Laboratorium Terpadu Teknik Elektro Universitas Lampung.
3.2 Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian di antaranya: a.
Instrumen dan komponen yang terdiri dari: 1.
LCR meter
2.
Multitester
3.
Osiloskop
4.
Resistor
5.
Kapasitor
6.
Induktor
7.
Transformator
8.
Mosfet IRFP 250
9.
IC Driver Optocoupler HCPL 3120
10. DSP TMS320F2812PGFA
29
11. Dioda Frekuensi Tinggi 12. Voltage Regulator LM 7815
b.
Perangkat kerja yang terdiri dari: 1.
Komputer/Laptop
2.
Perangkat Lunak Simulink Matlab
3.
Perangkat Lunak Code Composer Studio v3.3
4.
Perangkat Lunak Diptrace
5.
Perangkat Lunak Proteus
6.
Mesin Bor
7.
Mesin Grinda
8.
Power supply
9.
Kabel penghubung
10. Solder 11. Tang Potong 12. Tang Pengupas Kabel
c.
Bahan-bahan, yang terdiri dari: 1.
PCB
2.
Pelarut PCB (Feriklorit)
3.
Heatsink
4.
Timah solder
5.
Papan Kayu
6.
Papan Akrilik
30
3.3 Metode Penelitian Pada penelitian rancang bangun inverter full bridge satu fasa menggunakan teknik dynamic evolution control ini terdiri dari beberapa tahapan pelaksanaan yaitu:
3.3.1 Studi Literatur Pada tahapan studi literatur dilakukan pencarian seputar dasar teori dan bahan materi dari berbagai sumber baik buku, jurnal ataupun materi dari internet yang berkaitan dengan penelitian ini. Beberapa dasar teori tersebut diantaranya adalah: 1. Inverter full bridge satu fasa 2. Dynamic evolution control 3. Pemodelan sistem pada Simulink Matlab 4. Digital signal processor (DSP)
3.3.2 Perancangan Model Simulasi Pada simulasi inverter full bridge satu fasa menggunakan teknik dynamic evolution control terdapat dua subsistem utama yang saling terkait yaitu rangkaian inverter full bridge satu fasa dan dynamic evolution control. a. Perancangan Model Simulasi Rangkaian Inverter Full Bridge Satu Fasa Perancangangan model rangkaian inverter full bridge satu fasa pada Simulink Matlab dilakukan dengan cara membuat rangkaian inverter full bridge yang memiliki sumber tegangan masukan berupa tegangan dc, empat buah mosfet sebagai switching, sinyal PWM yang berasal dari
31
dynamic evolution control untuk memicu gate mosfet, rangkaian filter berupa rangkaian filter LC, beban, serta instrumen pengukur arus dan tegangan untuk diumpan balikkan ke dynamic evolution control.
b. Perancangan Model Simulasi Dynamic Evolution Control Model simulasi dynamic evolution control diperoleh dari persamaan matematis hasil pensubtitusian persamaan sistem kerja pada inverter dengan fungsi dynamic evolution. Hasil subtitusi dari kedua persamaan ini akan menghasilkan persamaan duty cycle PWM yang telah terkontrol dan akan digunakan untuk mengatur switching mosfet pada inverter full bridge. Pada persamaan dynamic evolution control terdapat beberapa parameter masukan yang digunakan yaitu tegangan keluaran inverter, arus keluaran inverter, tegangan masukan inverter berupa tegangan dc serta tegangan referensi sebagai setpoint tegangan keluaran yang diinginkan.
3.3.3 Pengujian Model Simulasi Pengujian model simulasi dilakukan untuk mengecek keseluruhan subsistem yang telah terintegrasi bekerja dengan baik atau tidak, jika bekerja dengan baik maka akan dilakukan tahapan berikutnya yaitu pengambilan data simulasi dan sebaliknya jika masih terdapat kesalahan maka dalam perancangan model simulasi akan diperbaiki. Setelah pengujian model simulasi berhasil, maka tahapan selanjutnya yang dilakukan adalah pengambilan data simulasi.
32
3.3.4 Pengambilan Data Simulasi Pengambilan data simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah nilai m pada subsistem dynamic evolution control yang telah terintegrasi dengan inverter full bridge satu fasa sehingga akan diperoleh keluaran gelombang inverter pada tiap-tiap perubahan nilai m tersebut.
3.3.5 Perancangan Perangkat Keras Pada penelitian ini, tahapan perancangan perangkat keras yang akan dilakukan adalah perancangan rangkaian daya inverter full bridge, perancangan rangkaian gate driver, perancangan rangkaian filter LC serta perancangan rangkaian sensor berupa rangkaian sensor tegangan masukan, sensor tegangan keluaran dan sensor arus. Pada perancangan perangkat keras akan dibuat skematik rangkaian untuk mempermudah dalam analisis rangkaian dan penentuan komponen yang digunakan. Setelah perancangan perangkat keras dilakukan dan skematik rangkaian telah dibuat maka tahapan berikutnya adalah realisasi pembuatan perangkat keras.
3.3.6 Realisasi Pembuatan Perangkat Keras Pada realisasi pembuatan perangkat keras terdapat dua tahapan yang perlu dilakukan yaitu realisasi pembuatan perangkat keras dan pembuatan kode program pada DSP TMS320F2812. Pada realisasi pembuatan perangkat keras dilakukan dengan membuat skematik rangkaian inverter full bridge, rangkaian gate driver, rangkaian filter LC, sensor arus inverter, sensor tegangan masukan inverter serta sensor tegangan keluaran inverter ke
33
dalam PCB layout kemudian memasang seluruh komponen sesuai dengan skematik yang telah dirancang. Sedangkan untuk pemrograman pada DSP dibuat menggunakan Simulink Matlab yang telah terintegrasi dengan Code Composer Studio v3.3 sebagai program yang digunakan dalam pengembangan aplikasi dari DSP TMS320F2812. Pemrograman pada DSP dibuat dengan memodelkan persamaan dynamic evolution control pada Simulink Matlab kemudian mengkoneksikannya dengan Code Composer Studio v3.3 dan akan diupload dari komputer menuju DSP menggunakan XDS 510 USB (Universal Serial Bus) Emulator. Setelah perangkat keras inverter full bridge dan program pada DSP telah selesai dibuat maka tahapan berikutnya adalah melakukan pengujian pada keseluruhan perangkat keras tersebut.
3.3.7 Pengujian Perangkat Keras Pengujian perangkat keras perlu dilakukan untuk memastikan perangkat keras dapat bekerja dengan baik dan sesuai dengan teori yang ada. Sebelum melakukan pengujian perangkat keras secara keseluruhan, yang pertama dilakukan adalah pengujian pada tiap-tiap bagian penyusun seperti rangkaian inverter full bridge, rangkaian gate driver, rangkaian sensor arus dan sensor tegangan serta DSP controller. Setelah semua bekerja dengan baik maka masing-masing bagian tersebut dihubungkan untuk menjadi sebuah sistem yang utuh kemudian hasil pengujian perangkat keras dibandingkan dengan hasil simulasi untuk melihat hasil
34
pengujian telah sesuai atau tidak dengan hasil simulasi, jika tidak sesuai maka akan kembali ke tahapan perancangan perangkat keras kembali. Tahapan pengujian perangkat keras inverter full bridge satu fasa menggunakan teknik dynamic evolution control dapat direpresentasikan dalam diagram alir yang ditunjukkan pada Gambar 3.1 sebagai berikut:
35 Mulai
Merancang Rangkaian Daya Inverter Full Bridge
Tidak Pengujian Rangkaian Daya Inverter Full Bridge
Pengujian Berhasil
Ya Merancang Rangkaian Gate Driver
Tidak Pengujian Rangkaian Gate Driver
Pengujian Berhasil
Ya
Merancang Filter LC
Tidak Pengujian Filter LC
Pengujian Berhasil
Ya Merancang Sensor Tegangan Masukan, Arus dan Tegangan Keluar Inverter
Tidak Pengujian Sensor Tegangan Masukan, Arus dan Tegangan Keluar Inverter
Pengujian Berhasil
Ya Membuat Program Dynamic Evolution Control
Tidak Pengujian Program Dynamic Evolution Control pada DSP
Pengujian Berhasil
Ya Merangkai Perangkat Keras dan DSP Secara Keseluruhan
Tidak Pengujian Perangkat Keras dan DSP Secara Keseluruhan
Pengujian Berhasil
Ya Pengambilan Data dan Pembahasan
Selesai
Gambar 3.1 Diagram Alir Pengujian Perangkat Keras
36
3.3.8 Pengambilan Data Perangkat Keras Metode pengambilan data pada perangkat keras sama dengan metode pengambilan data pada pemodelan simulasi yaitu dengan mengubah-ubah nilai m pada dynamic evolution control yang telah terprogram di dalam DSP sehingga akan diperoleh keluaran gelombang inverter pada tiap-tiap perubahan nilai m tersebut.
3.3.9 Analisa dan Pembahasan Pada tahapan terakhir penelitian yaitu analisa dan pembahasan akan diketahui pengaruh perubahan nilai m pada dynamic evolution control terhadap keluaran gelombang inverter full bridge. Selain itu, hasil simulasi pada Simulink Matlab dan hasil pengambilan data pada perangkat keras akan dibandingkan untuk evaluasi keberhasilan pembuatan perangkat keras.
3.4 Diagram Alir Tugas Akhir Metode penelitian Rancang Bangun Inverter Full Bridge Satu Fasa Menggunakan Teknik Dynamic Evolution Control ini digambarkan pada diagram alir dibawah ini :
37
Gambar 3.2 Diagram Alir Penelitian
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan Adapun kesimpulan dari Rancang Bangun Inverter Full Bridge Satu Fasa Menggunakan Teknik Dynamic Evolution Control adalah sebagai berikut: 1. Pada penelitian ini telah berhasil dibuat perangkat keras inverter full bridge satu fasa menggunakan teknik dynamic evolution control yang menghasilkan gelombang keluaran berbentuk sinusoidal. 2. Dari pengujian perubahan nilai m pada inverter full bridge menggunakan teknik dynamic evolution control, dengan range nilai m dari 2.500 sampai 50.000, memperlihatkan bahwa nilai m yang optimal dalam menurunkan fungsi error berkisar antara 7.500 sampai 25.000. 3. Hasil pengujian perangkat keras inverter full bridge satu fasa menggunakan teknik dynamic evolution control telah sesuai dengan hasil simulasi pada Simulink Matlab.
117
5.2 Saran Adapun saran dari penelitian Rancang Bangun Inverter Full Bridge Satu Fasa Menggunakan Teknik Dynamic Evolution Control adalah sebagai berikut: 1. Pada pembuatan perangkat keras yang telah dilakukan, umpan balik berupa tegangan masukan, arus beban dan tegangan keluaran untuk dynamic evolution control belum diterapkan sepenuhnya, oleh karena itu untuk penelitian selanjutnya agar dapat diterapkan pada perangkat keras yang dibuat sehingga dapat melihat kinerja teknik dynamic evolution control secara komprehensif. 2. Pada pengujian inverter menggunakan transformator step up rasio 9 V : 220 V dan rasio 6 V : 220 V, bentuk gelombang keluaran pada sisi sekunder transformator mengalami cacat, sehingga bentuk gelombang keluaran tidak sinusoidal murni, hal ini disebabkan karena kurangnya jumlah belitan pada sisi primer transformator yang berakibat menurunnya impedansi pada belitan primer. Oleh karena itu untuk penelitian selanjutnya agar dapat dilakukan pembuatan trasformator step up dengan jumlah belitan pada sisi primer yang sesuai untuk menaikkan tegangan keluaran inverter menjadi 220 Vrms dengan bentuk gelombang keluaran sinusoidal murni.
DAFTAR PUSTAKA
[1]Samosir,
A.S.,
Yatim,
A.H.M. 2010. Dynamic Evolution Control for
Synchronous Buck DC – DC Converter : Theory, Model and Simulation. Simulation Modelling Practice and Theory. Volume: 18. Issue Number: 5. Halaman 663-676. [2]Samosir, A.S., Sutikno T., Yatim, A.H.M. 2011. Dynamic Evolution Control for fuel cell DC – DC Converter. TELKOMNIKA, Vol. 9, No. 1. Halaman 183190. [3]Samosir, A.S., Yatim, A.H.M. 2008. Dynamic Evolution Control of Bidirectional DC – DC Converter for Interfacing Ultracapacitor Energy Storage to Fuel Cell Electric Vehicle System. Australasian Universities Power Engineering Conference (AUPEC ‘08). [4]Salih K.G.. 2013. Implementation Of The SPWM Technique For Harmonic Elimination Using Microcontroller. University Of Mosul. [5]Texas Instruments Inc.. 2001. Data Sheet TMS320F2810, TMS320F2812 Digital Signal Processor. http://www.alldatasheet.com.
[6]Hewlett Packard. 2.0 Amp Output Current IGBT Gate Driver Optocoupler Technical Data. HTTP://www.alldatasheet.com. [7]Samosir, A.S., Yatim, A.H.M.. 2009. Dynamic Evolution Controller For Single Phase Inverter Aplication. IEEE Symposium on Industrial Electronics & Applications (ISIEA). [8]The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993. IEEE Std 5191992 : IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power System. http://www.scribd.com. [9]STMicroelectronics.
2000.
Data
Sheet
IRFP250
N-Channel
Mosfet.
http://www.alldatasheet.com. [10]McGraw-Hill. 2006. Electronic Filter Design Handbook. Digital Engineering Library @ McGraw-Hill (http://www.digitalengineeringlibrary.com). [11]Itead Studio. 2013. Electronic Brick of Current Sensor ACS712 5 A. http://www.iteadstudio.com.
