Upload
hadieu
View
235
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
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
Dr. Ing. Ardlan Ulvan, S.T., M.Sc. NIP. 19731128 199903 1 005
.I
2. Ketua Jurusan Teknik Elektra
Ir. Abdul Haris, M.T. NIP. 19630801199603 1 001
Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T. NIP. 19710415 199803 1 005
-'
Komisi Pembimbing
MENYETUJUI /. : Teknik fakultas
: Teknik Elektra Program Studi
omor Pokok Mahasiswa : 1115031042
:tnna Mahasiswa
: RANCANG BANGUN IM'ERTER FULL BRIDGE SATU f'ASA MENGGUMMN TEKNIK DYNAMIC EVOLUTIOJ'Y COIYTROL
Judul Skripsi
Tanggal Lulus Ujian Skripsi: 11 April 2017
Penguji ..._ Bukan Pembimbing : Dr. Eng. Endah Komalasari, S.T., M.T.
L : Ir.1\bdul Haris, M.T. Sekretaris
: Dr. Ahmad Saudi Samosir, S.T., M.T. Ketua
1. Tim Penguji
MENGESAHKAN
Habib Sutriharjo
NPM. 1115031042
Bandar Lampung, 20 Maret 2017
Apabila penyataan saya tidak benar, maka saya bersedia dikenai sanksi sesuai
dengan hukum yang berlaku.
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.
SURAT PERNYATAAN
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
i
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
ii
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
iii
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
iv
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
v
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 ................................................................................................... 39
vi
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................................................................ 22
2.18 (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
vii
(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
viii
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....................................................................................................... 91
4.46 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 % ........................................................................................... 96
4.53 Hasil Pengujian Perangkat Keras Rangkaian Gate Driver dengan Duty
Cycle 50 % ........................................................................................... 97
4.54 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
ix
4.62 Hasil Keluaran Sinyal PWM pada Pengujian Dynamic Evolution
Control……………………………………………………………………….. 107
4.63 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 ......................................................................................... 111
4.66 Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator
9 V : 220 V ........................................................................................... 112
4.67 Hasil Pengujian Inverter dengan Rasio Belitan Transformator
6 V : 220 V ........................................................................................... 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.
Gambar 2.1 Rangkaian Inverter Full Bridge
VDC Beban
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) 6.67 ns
Single-Access RAM (SARAM)
(16-bit word)
18K
3.3-V On-Chip Flash (16-bit
word)
128K
Code Security for On-Chip
Flash/SARAM
Ya
Boot ROM Ya
OTP ROM Ya
External Memory Interface Ya
Event Managers A and B (EVA
and EVB)
EVA, EVB
• General-Purpose (GP)
Timers
4
• Compare (CMP)/PWM 16
• Capture (CAP)/QEP
Channels
6/2
Watchdog Timer Ya
12-Bit ADC Ya
• Channels 16
32-bit CPU Timers 3
SPI Ya
SCIA, SCIB SCIA, SCIB
CAN Ya
McBSP Ya
Digital Input/ Output Pins
(Shared)
56
External Interrupts 3
Supply Voltage 1.8-V Core, 3.3-V I/O
Packaging 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]
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]
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
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 DC-
DC[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
Gambar 2.19 Jalur Evolusi Eksponensial
Dari grafik di atas terlihat persamaan yang terbentuk adalah:
Y = Y0e−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
Y0
Y
t 0
Y = Y0.e-mt
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)
Sehingga,
𝑑𝑌
𝑑𝑡= −m. Y (2.5)
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.
Gambar 2.20 Pembangkitan Sinyal PWM
iL
Vo
Vin
Vref
α (Vin,Vo,Vref,iL)
+
PWM
Generator
-
VPWM
Vcontrol
VSawtooth Wave Vst
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 di-
upload 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
Tidak
Pengujian
Berhasil
Pengujian
Berhasil
Pengujian
Berhasil
Pengujian
Berhasil
Pengujian
Berhasil
Pengujian
Berhasil
Ya
Ya
Ya
Ya
Ya
Ya
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Tidak
Gambar 3.1 Diagram Alir Pengujian Perangkat Keras
Mulai
Merancang Rangkaian Daya Inverter Full Bridge
Pengujian Rangkaian Daya Inverter Full Bridge
Merancang Rangkaian Gate Driver
Pengujian Rangkaian Gate Driver
Pengujian Filter LC
Merancang Filter LC
Merancang Sensor Tegangan Masukan, Arus dan
Tegangan Keluar Inverter
Pengujian Sensor Tegangan Masukan, Arus dan
Tegangan Keluar Inverter
Membuat Program Dynamic Evolution Control
Pengujian Program Dynamic Evolution
Control pada DSP
Merangkai Perangkat Keras dan DSP Secara Keseluruhan
Pengujian Perangkat Keras dan DSP Secara
Keseluruhan
Pengambilan Data dan Pembahasan
Selesai
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 :
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 183-
190.
[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 519-
1992 : 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.