bab iii metode penelitianrepository.upi.edu/27456/6/s_te_1104217_chapter 3.pdf · adalah mosfet....

42

Susi Susanti, 2016 Rancang Bangun Inverter Sebagai Driver Motor Induksi 3 Fasa Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

BAB III

METODE PENELITIAN

Pada skripsi ini metode penelitian yang digunakan adalah eksperimen (uji

coba). Tujuan yang ingin dicapai adalah membuat suatu alat yang dapat

mengkonversi tegangan DC ke AC. Penelitian eksperimen ini dimulai dengan

perancangan sistem perangkat keras (hardware) pada alat ini.

3.1 Diagram Blok Alat

Inverter memerlukan sumber tegangan DC sebagai suplai tegangannya.

Karena inverter merupakan alat yang digunakan untuk mengkonversi tegangan

DC ke tegangan AC. Berdasarkan hasil studi pustaka, pola penyaklaran yang

digunakan pada alat ini adalah rangkaian Sinusoidal PWM. Hal ini dipilih karena

pola penyaklaran sinusoidal PWM dapat mengatur besarnya tegangan dan

frekuensi output yang dihasilkan oleh inverter. Pada rangkaian sinusoidal PWM

terdapat pembangkit gelombang segitiga dan pembangkit gelombang sinusoidal.

Untuk menghasilkan gelombang output kotak maka perlu adanya perbandingan

oleh komparator. Sehingga rangkaian sinusoidal PWM menghasilkan gelombang

kotak yang selanjutnya digunakan sebagai pengatur pensaklaran MOSFET pada

inverter ini. Rangkaian inverter yang akan dirancang menggunakan topologi VSI.

Pada topologi ini terdapat enam buah MOSFET yang pada masing-masing leg

terdapat dua buah MOSFET. MOSFET pada rangkaian inverter ini berfungsi

sebagai saklar.

Pada rangkaian inverter, gelombang output yang dihasilkan berbentuk

quasi-sinusoidal yang didalamnya masih terdapat kandungan harmonisa yang

cukup tinggi sehingga memerlukan filter pasif low-pass untuk mengurangi

kandungan harmonisanya. dampak dari pemasangan filter pasif low-pass pada sisi

output adalah gelombang output berbentuk sinusoidal murni yang artinya

kandungan harmonisa dari gelombang output inverter sudah berkurang. Untuk

mengetahui kinerja inverter apakah sudah baik atau belum maka dipasang beban

berupa motor induksi tiga fasa. Pemasangan beban ini bertujuan untuk

mengetahui regulasi tegangan yang dihasilkan oleh inverter yang telah dirancang.

43


Sumber DC Inverter 3 FasaFilter Pasif

Low - PassBeban

Rangkaian

SPWM

Gambar 3.1 Diagram blok sistem

3.2 Spesifikasi Inverter Tiga Fasa

Spesifikasi inverter yang akan dirancang dapat dijadikan sebagai acuan

untuk membuat inverter kedalam bentuk hardware. Sumber tegangan yang

digunakan untuk mencatu inverter berasal dari sumber tegangan DC. Inverter

yang akan dirancang memiliki spesifikasi daya output dan tegangan output

sebesar 1000 VA dan 380 Volt line to line. Bentuk gelombang yang dihasilkan

oleh inverter ini berupa sinusoidal murni (pure sine wave). Diharapkan efisiensi

yang dihasilkan oleh inverter yang dirancang mencapai 90% dan THD yang

timbul sebesar < 5%. Dengan pertimbangan bahwa beban yang digunakan adalah

motor induksi tiga fasa.

Tabel 3.1 Spesifikasi Perancangan Inverter Tiga Fasa

Nama Keterangan

Tegangan 380 Volt line to line

Daya Semu 1000 VA

Bentuk Gelombang Sinuoidal Murni (pure sine wave)

THD <5%

Efisiensi 90%

Ukuran (187,96 x 107,95) mm

44


3.3 Diagram Alir (flowchart) Perancangan Sistem

Pembuatan alat ini diawali dengan melakukan perancangan rangkaian.

Perancangan rangkaian yang dimaksud adalah merancang sistem hardware.

Setelah proses perancangan selesai, maka langkah selanjutnya adalah pembelian

komponen yang diperlukan untuk membuat sistem hardware. Setelah semua

komponen yang dibutuhkan dibeli, kemudian rangkai komponen-komponen

tersebut sesuai dengan rangkaian yang telah dirancang. Apabila rangkaian telah

berjalan dengan baik dan sudah sesuai dengan yang diharapkan maka tahap

selanjutnya yang dilakukan adalah pembuatan layout PCB. Layout PCB dibuat

dengan menggunakan software Eagle 7.4.0.

Setelah PCB selesai dibuat, maka langkah yang ditempuh adalah melakukan

pengecekan jalur terlebih dahulu agar tidak terjadi hubung singkat atau antar jalur

pada PCB tidak terhubung. Apabila pengecekan jalur sudah selesai dilakukan dan

sudah dipastikan bahwa jalur yang telah dibuat sudah sesuai dengan perancangan,

maka langkah selanjutnya adalah pemasangan komponen pada PCB. Tahap

selanjutnya pengetesan kinerja alat. Setelah pengetesan selesai, tahap selanjutnya

yang dilakukan adalah analisis. Tujuan dari analisis adalah untuk mengetahui

spesifikasi dan kekurangan dari alat yang sudah dibuat.

45


Start

Studi Literatur

A

Berdasarkan implementasi lapangan

Perencangan Rangkaian

Pengecekan Rangkaian

Analisis Pensaklaran

Simulasi Rangkaian

(PSIM 9.0)

Apakah sudah

berfungsi?

Perancangan Alat

Apakah sudah

sesuai?

Tidak

Ya

Ya

Pembuatan Layout PCB

Pencetakan PCB

Tidak

Tidak

A

Apakah sudah

dapat digunakan?

Pengujian Alat

Ya

Pengecekan jalur PCB

Analisis Alat

Hasil pengujian

Selesai

Kesimpulan

Gambar 3.2 Diagram alir pembuatan inverter

3.4 Deskripsi Kerja Alat

Deskripsi alat digunakan sebagai acuan dari perancangan alat yang dibuat

agar dalam perencanaan terarah dan sesuai dengan tujuan penelitian. Secara

umum prinsip kerja dari inverter adalah untuk mengubah tegangan DC menjadi

tegangan AC. Pada inverter yang dibuat, pola penyaklaran yang digunakan

menggunakan rangkaian Sisnusoidal PWM. Rangkaian Sinusoidal PWM terdiri

dari dua sinyal masukan yaitu sinyal referensi berupa sinyal sinusoidal dan sinyal

carrier berupa sinyal segitiga serta output yang dihasilkan oleh rangkaian

Sinusoidal PWM berupa sinyal kotak. Sinyal kotak diperoleh dari perbandingan

antara sinyal sinusoidal dan sinyal segitiga. Rangkaian Sinusoidal PWM berfungsi

sebagai pengatur pola penyaklaran agar ketika saklar ON tidak memerlukan

46


pengaturan secara manual. Pada alat yang dirancang ini, saklar yang digunakan

adalah MOSFET. Pemilihan MOSFET sebagai saklar didasarkan pada frekuensi

penyaklaran yang cukup tinggi. Semakin tinggi frekuensi penyaklaran maka

tegangan yang dihasilkan oleh inverter akan semakin mendekati sinusoidal.

Gambar 3.3 Rangkaian inverter dengan pola penyaklaran Sinusoidal PWM

Tabel 3.2 Keterangan gambar rangkaian inverter

No Komponen Keterangan

1

Sumber DC

2

MOSFET

3

Sumber AC

47


4

Sumber Segitiga

5

On – off controller

6

Gerbang NOT

7

Volt meter

8

Resistor

9

Komparator

Dari gambar 3.3 diatas dapat dijelaskan bahwa tahapan kerja dari inverter

sebagai berikut:

1. Ketika power supply DC on maka arus akan mengalir ke komponen

MOSFET.

2. Ketika power supply DC on, power supply pada rangkaian Sinusoidal

PWM juga akan on. Sehingga osilator segitiga dan osilator sinusoidal

akan bekerja menghasilkan sinyal referensi dan sinyal carrier. Kedua

sinyal yang dihasilkan dari osilator akan dibandingkan dan menghasikan

sinyal kotak yang berfungsi sebagai pola penyaklaran MOSFET.

3. Dalam waktu yang telah ditentukan sesuai dengan sinyal kotak yang

dihasilkan dari perbandingan dua buah osilator, MOSFET akan bekerja

untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC.

4. Pada masing – masing leg inverter terdapat dua buah MOSFET, yang

mana ketika setiap keadaan positif, negatif atau nol terdapat satu buah

MOSFET yang on. Sehingga gelombang output inverter berbentuk quasi

sinusoidal.

48


3.5 Pembuatan Perangkat Keras (Hardware)

Pembuatan layout perangkat keras pada alat ini menggunakan bantuan

software Eagle 7.4. Hardware terdiri dari dua buah rangkaian, diantaranya

rangkaian inverter dan rangkaian sinusoidal PWM.

3.5.1 Rangkaian Sinusoidal PWM

Rangkaian sinusoidal PWM terdiri dari dua buah osilator. Osilator-

osilator tersebut adalah osilator segitiga dan osilator sinusoidal. Osilator

segitiga berfungsi untuk menghasilkan sinyal carrier berupa sinyal

segitiga dan osilator sinusoidal yang berfungsi untuk menghasilkan sinyal

referensi berupa sinyal sinusoidal.

Gambar 3.4 Rangkaian Sinusoidal PWM

3.5.2 Rangkaian Osilator Segitiga

Rangkaian osilator segitiga tersusun atas komponen resistor,

kapasitor dan op amp. Untuk membangkitkan sinyal segitiga diperlukan

dua buah op amp serta komponen resistor dan kapasitor. Osilator segitiga

digunakan sebagai pembangkit sinyal carrier yang berfungsi untuk

mengatur frekuensi penyalaan MOSFET pada inverter.

C1

1nF

VCC

12V

R6

220 Ω

R7

1.5MΩ

R8

330 Ω R9

330 Ω

R10

330 Ω

R11

330 Ω

C2

10uF

C3

10uF

C4

10uF

C5

10uF

VCC

12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

VCC

12V

R1

220 Ω

R5

220 Ω

U1B

LM348N

5

6

11

4

7

U1C

LM348N

10

9

11

4

8

U2A

LM348N

3

2

11

4

1

U2B

LM348N

5

6

11

4

7

U2C

LM348N

10

9

11

4

8

U2D

LM348N

12

13

11

4

14

R2

3300 Ω

R3

150 Ω

R4

150 Ω

U1A

LM348N

3

2

11

4

1

U1D

LM348N

12

13

11

4

14

49


Rangkaian ini menggunakan IC LM348 yang memiliki 14 pin

dengan supply tegangan Vcc+ sebesar 9 V dan Vcc- sebesar 0 V. Tegangan

referensi untuk op amp sebesar 4.5 V. Pada IC LM348 didalamnya

terdapat empat buah op amp. Osilator segitiga menggunakan dua buah op

amp yang terdapat pada IC LM348. Pin yang digunakan untuk membuat

osilator segitiga dari IC LM348 diantaranya, pin 5 yang merupakan input

positif, pin 6 untuk input negatif dan pin 7 sebagai output pada op amp

pertama osilator segitiga. Op amp kedua menggunakan pin 10 yang

merupakan input positif, pin 9 untuk input negatif dan pin 8 sebagai

output.

Dengan menggunakan persamaan (2.6), jika nilai Rf, R1 dan C

sebesar 100KΩ, 47KΩ dan 100 nF dengan rentang frekuensi dari 5.000 Hz

sampai 12.000 Hz maka nilai R yang diperlukan sebesar 1.063Ω.

(2.6)

Karena nilai R yang diperoleh dari perhitungan sebesar 1.063Ω,

maka penulis memilih nilai R sebesar 1.000Ω. Resistor yang digunakan

adalah potensiometer karena nilai R dapat diatur sedemikian rupa sehingga

nilai frekuensi pada osilator segitiga dapat berubah sesuai dengan nilai R

pada potensiometer.

50


Gambar 3.5 Rangkaian osilator segitiga

3.5.3 Rangkaian Osilator Sinusoidal

Rangkaian osilator sinusoidal terdiri dari empat buah op amp,

resistor dan kapasitor. Agar sinyal sinusoidal yang dihasilkan memiliki

amplitudo yang besar dengan nilai harmonisa yang kecil maka diperlukan

empat buah op amp untuk membangkitkannya.

Rangkaian osilator sinusoidal ini menggunakan IC LM348 sebagai

pembangkit sinyal referensi pada PWM. IC LM348 memiliki 14 pin

dengan supply tegangan Vcc+ sebesar 9 V dan Vcc- sebesar 0 V. Tegangan

referensi yang digunakan op amp sebesar 4.5 V. Pada tegangan referensi

diperoleh dari rangkaian pembagi tegangan 9 V.

Gambar 3.6 Rangkaian osilator sinusoidal

Pada IC LM438, pin bagian input positif terdiri dari pin 3, 5, 10

dan 12 sedangkan untuk input negatif terdiri dari pin 2, 6, 9 dan 13 serta

pin untuk output terdiri dari pin 1, 7, 8 dan 14.

U1

LM741CH

3

2

4

7

6

51

U2

LM741CH

3

2

4

7

6

51

C1

1nF

R2

3300 Ω R3

150 Ω

VCC

12V VCC

12V

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

VCC

12VR5

220 Ω

R6

220 Ω

R1

150 Ω

R6

220 Ω

R7

1.5MΩ

R8

330 Ω R9

330 Ω

R10

330 Ω

R11

330 Ω

C2

10uF

C3

10uF

C4

10uF

C5

10uF

VCC

12V

R1

220 Ω

R2

220 Ω

XSC1

A B

Ext Trig+

+

_

_ + _

VCC

12V

U2A

LM348N

3

2

11

4

1

U2B

LM348N

5

6

11

4

7

U2C

LM348N

10

9

11

4

8

U2D

LM348N

12

13

11

4

14

51


Untuk menentukan nilai R pada filter RC bisa dihitung dengan

menggunakan persamaan (2.12). Jika nilai C yang digunakan sebesar 10

uF, maka nialai R yang diperlukan sebesar 318,30 Ω.

| |

(2.12)

Karena nilai R yang diperoleh dari perhitungan sebesar 318,30 Ω,

maka penulis memilih nilai R sebesar 330 Ω. Sinyal keluaran yang

diperoleh dari osilator sinusoidal dapat berupa sinus murni dengan

amplitudo yang besar. Semakin tinggi tahapan filter yang digunakan maka

semakin bagus gelombang yang dihasilkan oleh osilator sinusoidal ini.

3.5.4 Rangkaian Komparator

Rangkaian komparator berfungsi untuk membandingkan sinyal

referensi dan sinyal carrier. Sinyal yang dihasilkan dari komparator adalah

sinyal kotak. Sinyal kotak tersebut digunakan untuk men-drive MOSFET

sehingga MOSFET menyala.

Gambar 3.7 Rangkaian komparator

52


3.5.5 Rangkaian Driver MOSFET

Rangkaian MOSFET driver ini digunakan untuk men-drive

MOSFET agar dapat konduksi. Rangkaian ini menggunakan IC IR2110

dengan suplai tegangan yang digunakan untuk Vcc+ sebesar 10 Volt dan

Vcc- sebesar 0 Volt.

Gambar 3.8 Rangkaian driver MOSFET

Tegangan maksimum yang dihasilkan oleh rangkaian driver

MOSFET pada gambar 3.8 sebesar 9 Volt dan tegangan minimum sebesar

1.1 Volt. Berdasarkan datasheet MOSFET tipe IRFP460, tegangan

threshold (VGS(TH)) MOSFET berada diantara 2-4 Volt. Sehingga dapat

disimpulkan bahwa arus akan mengalir pada MOSFET ketika tegangan

drain ke source yang berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 9

Volt dan MOSFET tidak aktif ketika tegangan drain ke source yang

berasal dari rangkaian driver MOSFET sebesar 1.1 Volt.

3.5.6 Rangkaian MOSFET

Rangkaian inverter ini tersusun atas enam buah saklar dengan

SPWM sebagai pola penyaklaran inverter. Diantara enam buah MOSFET

ini, masing-masing leg pada inveter terdapat dua buah MOSFET yang

sefasa dan MOSFET lainnya memiliki beda fasa sebesar 120o. Jenis saklar

yang digunakan adalah MOSFET tipe IRFP460 dengan rating tegangan

pengalir-sumber (VDS) 500 Vdc dan rating arus 20 A. Pemilihan MOSFET

tipe ini didasarkan pada tegangan yang digunakan pada inverter

merupakan tegangan tinggi. Pemanfaatan MOSFET pada aplikasi lainnya

yaitu untuk aplikasi saklar dengan kecepatan tinggi pada power supply,

konverter, kontrol motor dan rangkaian bridge.

53


Gambar 3.9 Rangkaian MOSFET

3.5.7 Rangkaian Phase Compensator

Rangkaian phase compensator ini terdiri dari rangkaian filter all–

pass. Berfungsi untuk mengatur sudut fasa antar masing–masing fasa pada

rangkaian osilator sinusoidal. Setiap fasa memiliki perbedaan sudut fasa

sebesar 120o.

Gambar 3.10 Rangkaian phase compensator

3.5.8 Filter Pasif Low – Pass

Rangkaian filter pasif low-pass digunakan untuk mengurangi

distorsi pada gelombang keluaran inverter. Pemasangan filter pasif low-

pass bertujuan agar gelombang keluaran inverter adalah gelombang

sinusoidal murni. Filter yang digunakan adalah jenis filter pasif low- pass

dengan komponen pasif LC.

54


Dengan menentukan nilai frekuensi putus (cut-off frequency)

sebesar 500 Hz dan nilai kapasitansi sebesar 10uF. Hal ini dikarenakan

pada saat frekuensi 500 Hz, pada spektrum filter tidak timbul distorsi.

Sehingga untuk menentukan nilai L dapat dihitung menggunakan

persamaan (2.11) seperti berikut:

√

(2.11)

Gambar 3.11 Inverter dengan filter pasif low-pass

Dari perhitungan diatas, diperoleh nilai frekuensi putus (cut-off

frequency), kapasitansi, dan induktansi sebesar 500 Hz, 10uF, dan 10,13

mH. Dengan penggunaan desain filter seperti diatas, maka distorsi yang

ditimbulkan oleh inverter dapat dikurangi. Sehingga gelombang keluaran

inverter setelah dipasang filter menjadi gelombang sinusoidal murni.

bab iii metode penelitianrepository.upi.edu/27456/6/s_te_1104217_chapter 3.pdf · adalah mosfet....

Documents