Laporan Praktikum Elektronika Daya Single Phase Inverter; 3 Phase Inverter as Motor Drive; Buck with Simulink; Single Phase Inverter with Simulink; Three Phase Inverter with Simulink
Wildan Tajudin Alhijri
7811040001
2 D4 SPE
Progam Studi D4 Sistem Pembangkitan Energi Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
A. Single Phase Inverter A.1 Gambar rangkaian
Gambar rangkaian inverter satu phase
Gambar SPWM unipolar
A.2 Nilai komponen Vin DC = 100 V Induktor = 1 mH Kapasitor = 700uF A.3 Hasil Praktikum V mod 0,6 0,7 0,8 0,9
Vout rms sblm filter 59,9 64,5 68,7 72,6
THD (%)
110 93 80,5 67
Vout rms setelah filter 43,33 50,53 57,6 64,8
THD (%)
effisiensi
1,51 1,37 1,28 1,26
75,3 % 75,9 % 76 % 77 %
A.4 Analisa Inverter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengubah sinyal tegangan input DC menjadi sinyal AC pada tegangan output. Cara kerja inverter ini adalah dengan mengatur saklar-saklar menggunakan Sinusoidal Pulse Width Module (SPWM). Pada
simulasi kali ini menggunakan inverter single phase dengan SPWM unipolar. SPWM adalah PWM yang sinyal modulasinya menggunakan sinyal sinus.
Gambar perubahan sinyal SPWM
Untuk jenis SPWM kali ini adalah jenis unipolar, SPWM ini merupakan SPWM yang memiliki dua buah komparator untuk mengatur saklar atau mosfet, sehingga sinyal carrier yang berupa sinyal segitiga membandingkan dua buah sinyal modulasi yaitu positif dan negatif. Sehingga dihasilkan sinyal seperti berikut.
Gambar proses perubahan sinyal pada SPWM unipolar
Kita dapat mengetahui perbedaan dari gelombang input dan output setelah melewati inverter sebagai berikut
(a)
(b)
Gambar sinyal sebelum masuk inverter (a) sesudah melewati inverter (b)
Dari gambar tersebut dapat diketahui perbadaan pada sinyal input dan sinyal output. Pada sinyal input menunjukkan masih berupa sinyal DC tetapi setelah melewati inverter sinyal berubah menjadi sinyal kotak yang ON dan OFF serta ada yang negatif dan positif sehingga menyerupai sinyal sinus. Pada kondisi sinyal seperti tersebut nilai Total Harmonic Distorsion atau biasa disebut THD bernilai sangat tinggi hingga mencapai nilai diatas 100%, seperti yang terjadi pada tegangan modulasi 0,6. THD sendiri sangat merugikan karena dapat menyebabkan rugi-rugi yang sangat besar pada jaringan dan pada sisi beban dapat menyebabkan peralatan listrik cepat panas dan rusak walaupun belum mencapai titik kerja optimalnya. Maka dari itu dilakukan filtering , yaitu menambahkan rangkaian filter berupa Induktor dan Kapasitor. Dengan dipasangnya rangkaian filter tersebut makan arus harmonisa akan mengalir pada reaktansi yang lebih rendah. Dengan pemasangan kapasitor, arus dengan frekuensi tinggi akan mengalir melalui kapasitor. Hal tersebut dikarenakan kapasitor memiliki impedansi yang rendah pada frekuensi tinggi. Agar tegangan beban bebas harmonisa filter kapasitor ini dipasang paralel dengan beban, maka semua riak arus akan mengalir melewati kapasitor bukan ke beban. Lalu untuk pemasangan filter induktor dipasang secara seri terhadap beban, sehingga arus yang mengalir melalui induktor akan sulit berubah berbanding lurus dengan besarnya nilai induktor. Sehinggga dapat kita bandingkan bagai mana hasil sinyal output sebelum diberi filter dan sesudah filter.
(a)
(b) Gambar sinyal sebelum filter (a) dan sesudah filter (b)
Terlihat jelas pada sinyal output sebelum melewati filter memiliki banyak harmonisa yang menyebabkan nilai THD sangat tinggi jika di rata-rata mencapai 80%, sedangkan pada sinyal output setelah melewati filter sangat sedikit harmonisanya sehingga memiliki nilai THD yang sangat kecil pula yaitu sekitar kurang lebih 1,4%. Selanjutnya dilakukan variasi pada sinyal modulasi sehingga terdapat perubahan pada sinyal output, THD dan effisiensi seperti pada tabel hasil praktikum. Perubahan sinyal output, THD dan effisiensi terhadap perubahan sinyal modulasi dapat dilihat pada grafik sebagai berikut:
Grafik tegangan output terhadap sinyal modulasi
Grafik THD terhadap modulasi
Grafik Effisiensi terhadap modulasi
Dari grafik yang telah didapatkan dapat diketahui jika nilai modulasi meningkat maka tegangan output akan meningkat juga atau tegangan output linier terhadap sinyal modulasi. Hal tersebbut erjadi pada tegangan output sebelum maupun sesudah melewati filter. Untuk grafik THD terhadap modulai terlihat adanya perbedaan yang sangat mencolok antara THD sebelum melewati filter dan sesudah melewati filter. Pada THD sebelum meleati filter memiliki nilai yang sangat tinggi dibandingkan THD setelah melewati filter. Untuk THD sebelum melewati filter perubahan terhadap sinyal modulasi sangat besar, pada modulasi 0,6 meiliki nilai 110% sedangkan pada modulasi 0,9 memiliki nilai 67%. Tetapi untuk THD setelah melewati filter perubahan terhadap sinyal modulasi cenderung konstan dan stabil yaitu berkisar antara 1,25% sampai 1,52%, untuk THD setelah filter yang tertinggi diperoleh dengan sinyal modulasi 0,6 dan untuk nilai terendah pada modulasi 0,9. Sehingga perubahan THD sebelum maupun sesudah filter sebenarnya memiliki fungsi yang sama terhadap sin yal modulasi yaitu mengalami penurunan pada sinyal modulasi yang bernilai tinggi. Untuk grafik effisisensi terhadap modulasi dapat diketahui bahwa effisiensi cenderung meningkat sesuai dengan nilai modulasi yang bertambah, tetapi pada modulasi 0,7 dan 0,8 effisiensi mengalami kenaikan yang sangat kecil, bahkan cenderung konstan. Untuk nilai effisiensi didapatkan dari perhitungan dengan rumus A.5 Kesimpulan Kesimpulan yang didapatkan dari simulasi inverter satu phase kali ini adalah semakin besar nilai modulasi (modulasi < 1) maka akan semakin besar pula nilai teganan output, Total Harmonic Distorsion (THD) dan effisiensi. Dan juga nilai THD akan menurun drastis bila dalam rangkaian ditambahkan filter.
B. 3 Phase Inverter as Motor Drive B.1 Gambar rangkaian
B.2 Nilai komponen Vin DC = 500 V Kapassitor = 3000uF Induktor = 1 mH Motor dengan 6 kutub B.3 Hasil Praktikum Frekuensi 60 58 56 54 52 50
RPM teori 1200 1160 1120 1080 1040 1000
RPM 1199,92 1159,78 1119,84 1079,85 1039,74 999,7
VLL rms 376,05 399,84 343,93 331,11 319,10 309,01
V/Frek 6,2675 6,204 6,141 6,131 6,136 6,180
B.4 Analisa Inverter tiga phase merupakan gabungan dari tiga buah inverter satu phase. Dalam rangkaian inverter tiga phase memiliki enambuah saklar yang diatur oleh sebuah SPWM, tetapi dalam SPWM ini memiliki tiga buah sinyal modulasi dan sebuah sinyal carrier. Inverter tiga phase sendiri dibedakan menjadi dua menurut sudut konduksinya, yaitu 120° dan 180°. Dalam praktikum kali ini menggunakan inverter tiga phase dengan konduksi 120°.
Gambar proses perubahan sinyal di SPWM dengan tiga sinyal modulasi
Kali ini inverter difungsikan sebagai pengatur putaran motor AC dengan mengatur nilai frekuensi dari 50Hz sampai 60Hz dengan range 2Hz. Dalam hal ini motor AC yang digunakan memiliki 6 buah kutub (pole). Dari perubahan frekuensi tersebut didapatkan putaran per menit atau biasa disebut dengan RPM. Untuk mendapatkan nilai RPM tersebut dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan perhitungan dan simulasi. Untuk perhitungan digunakan rumus sebagai berikut:
Sedangkan untuk simulasi didapatkan hasil sebagai berikut:
Pada frekuensi 50Hz
Pada frekuensi 52Hz
Pada frekuensi 54Hz
Pada frekuensi 56Hz
Pada frekuensi 58Hz
Pada frekuensi 60Hz
Jika dibandingkan antara nilai RPM perhitungan dan simulasi tidak jauh berbeda bahkan bisa dikatakan sama. Selain mengetahui nilai RPM, dalam simulasi juga diketahui nilai VLL_rms. Sehingga didapatkan nilai V/f. Nilai V/f yang didapatkan pada seluruh variasi frekuensi adalah hampir sama.
Gambar grafik V/f terhadap vrekuensi
Seperti yang diketahui dari grafik di atas selama perubahab frekuensi nilai V/f cenderung tetap atau konstan. Hal tersebut menunjukkan bahwa perubahan frekuensi tidak terlalu berpengaruh pada nilai V/f. Dengan begitu dapat dikatakan juga bahwa dalam rangkaian simulasi diatas berfungsi menjaga nila V/f tetap konstan walaupun adanya perubahan frekuensi atau RPM. B.5 Kesimpulan Kesimpulan yang dapat diambil dalam praktikum kali ini adalah rangkaian inverter tiga phase berfungsi untuk menjaga nilai V/f tetap konstan walaupun adanya perubahab frekuensi dan RPM.
C. Buck with Simulink C.1 Rangkaian
C.2 Nilai komponen Vdc in = 50 Volt RL = 1Ω dan 400uH RC = 0,5Ω dan 100uF R = 20Ω C.3 Hasil Praktikum Duty Cycle 40 % 50 % 60 % 70 %
Vout 18,7 V 22,98 V 27,82 V 32,68 V
Iout 0,9085 A 1,149 A 1,391 A 1,63 A
C.4 Analisa Simulink adalah salah satu fasilitas yang ada dalam matlab, simulink ini fungsinya sama dengan PSIM yang selama ini digunakan untuk simulasi. Pada praktikum simulasi kali ini yang dilakukan variasi adalah nilai duty cycle , yaitu 40%,50%,60%, dan 70%. Dengan hasil simulasi seperti berikut (gambar kiri adalah arus out dangambar kanan tegangan out) :
Pada duty cycle 40%
Pada duty cycle 50%
Pada duty cycle 60%
Pada duty cycle 70%
Secara umum bentuk sinyal output pada variasi duty cycle pada tegangan maupun arus sama. Pada sinyal output sebelum mencapai titik yang konstan ada tegangan maupun arus yang mencapai titik yang tertinggi hal tersebut dipengaruhi oleh besar nilai induktor dan kapasitor yang dapat menghilangkan rugi-rugi. Jika dibandingkan dengan simulasi pada PSIM sebagai berikut : Duty Cycle
0,4 0,5 0,6 0,7
PSIM 18,5 V 23,2 V 28 V 32,8 V
Tegangan Output Simulink 18,17 V 22,98 V 27,82 V 32,68 V
Teori 20 V 25 V 30 V 35 V
Jika dibandingkan seperti tabel di atas ada sedikit perbedan yaitu tegangan output dengan simulasi PSIM memiliki hasil lebih tinggi dibandingkan dengan simulasi simulink.
Dan jika dibandingkan dengan teori yang mendekati adalah simulasi menggunakan PSIM. Hal tersebut dikarenakan PSIM memang ditujukan untuk khusus simulasi rangkaian listrik. C.5 Kesimpulan Kesimpulan pada praktikum kali ini adalah simulink dapat melakukan fungsi sama dengan PSIM tetapi untuk hasil simulasi yang mendekati teori adalah simulasi dengan PSIM.
D. Single Phase Inverter with Simulink D.1 Rangkaian
D.2 Nilai komponen Vin = 400V Resistor =1Ω Induktor = 5mH Frekuensi = 50 Hz D.3 Hasil Praktikum V mod 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5
V out (V) 288 273 256,6 239,3 219,4
I out (A) 130,9 116,7 102,2 88,17 73,61
THD v (%) 67,44 80,58 91,68 110,13 129,65
THD i (%) 19,62 19,67 19,66 19,65 19,69
D.4 Analisa Kali ini variasi yang dilakukan terhadap inverter adalah tegangan modulasi yaitu pada range 0,5 sampai 0,9. Jika dilihat dari data yang telah didapatkan dari simulasi diketahui bahwa semakin besar tegangan modulasi maka tegangan output dan arus output juga semakin besar. Sedangkan untuk Total Harmonic Distorsion (THD) tegangan semakin besar nilai modulasi maka akan semakin kecil nilai THD-nya, sedangkan untuk THD arus secara umum memiliki nilai yang sama atau konstan. Nilai THD tersebut diambil pada frekuensi fundamental yaitu pada 50Hz. Perubahan nilai THDv maupun nilai THDi terhadap V modulasi dapat dilihat dari grafik di bawah ini :
Terlihat secara jelas bahwa pada THDv akan menurun jika nilai V modulasi naik dan nilai THDi cenderung konstan terhadap V modulasi. Perbedaan tersebut dikarenakan pada rangkaian hanya terdapat induktor yang berfungsi sebagai filter arus sehingga nilai THDi cenderung konstan dan sulit berubah. Tetapi pada THDv mempunyai nilai yang besar dan tidak konstan dikarenakan pada rangkaian tersebut tidak memiliki filter kapasitor sehingga tegangan yang memiliki frekuensi tinggi tetap mengalir pada beban. Hal tersebut dapat dilihat dengan membandingkan bentuk sinyal tegangan dan arus output sebagai berikut :
(a)
(b)
Gambar sinyal arus output (a) dan tegangan output (b)
Terlihat jelas perbedaan pada sinyal arus output dan sinyal tegangan output, pada arus output memiliki bentuk sinyal yang lebih bagus dan lebih berbentuk sinus. Bandingkan dengan bentuk sinyal tegangan output yang memiliki bentuk sinyal persegi sehingga lebih banyak memiliki komponen arus DC yang dapat menyebabkan kerusakan pada alat elektronik yang pada umumnya membutuhkan sinyal sinus atau AC. Sehingga jika diberi sinyal yang mempunyai komponen DC maka akan terjadi kerusakan pada alat elektronik tersebut.
Untuk perbedaan THDv dan THDi dapat dilihat dari pengukuran pada V modulasi 0,8 seperti berikut :
(a)
(b)
Gambar grafik THD pada arus output (a) dan tegangan output (b)
Terlihat perbedaan pada grafik perubahan THD terhadap frekuensi pada sinyal arus output dan tegangan output dengan frekuensi fundamental senilai 50Hz. Pada arus output nilai THD cenderung menurun sedangkan pada tegangan output nilai THD tidak beraturan dan cenderung lebih tinggi. Jika dilakukan penggantian frekuensi fundamental, yaitu pada 30Hz dan 70Hz untuk tegangan output maupun arus output dapat dilihat pada gambar berikut :
Pada frekuensi fundamental 30 Hz
(a)
(b)
Gambar grafik THD pada arus output (a) dan tegangan output (b)
Pada frekuensi fundamental 70 Hz
(a)
(b)
Gambar grafik THD pada arus output (a) dan tegangan output (b)
Saat dilakukan perubahan nilai frekuensi fundamental adap perbedaan pada nilai frekuensi fundamental pada 30Hz, 50Hz, dan 70Hz. Pada frekuensi fundamental 30 Hz memiliki nilai THD yang lebih tinggi dibandingkan dengan frekuensi fundamental 50Hz dan 70Hz, pada tegangan output yaitu 251,13% maupun arus output yaitu 108,25%. Bandingkan pada frekuensi fundamental 70Hz, yaitu 99,47% pada tegangan output dan 18,47% pada arus output. D.5 Kesimpulan Kesimpulan yang didapat adalah nilai THD cenderung menurun terhadap nilai tegangan modulasi yang semakin besar. Nilai THD pada tegangan cenderung lebih tinggi dibandingkan nilai THD pada arus, yang dikarenakan pada rangkaian tidak terdapat filter kapasitor. Jika dilakukan perubahan pada frekuensi fundamental diketahui pada frekuensi fundamental yang rendah memiliki nilai THD yang lebih tinggi dibandingkan dengan frekuensi fundamental yang tinggi.
E. Three Phase Inverter with Simulink E.1 Rangkaian
E.2 Nilai komponen Vin = 400V Resistor =1Ω Induktor = 1mH Frekuensi = 50 Hz E.3 Hasil Praktikum V mod
0,6 0,7 0,8 0,9
VLL rms (V)
221,9 238 253,1 266,3
Iout Iout a (A) 75,86 87,9 100,3 112,4
THD
9,78% 9,55% 9,30% 9,25%
Iout b (A) 75,18 87,13 99,42 111,4
THD
14,04% 13,98% 13,75% 13,73%
Iout c (A) 74,99 86,83 99,14 111
THD
21,53% 21,68% 21,38% 21,5%
E.4 Analisa Inverter tiga phase kali ini yang digunakan adalah inverter dengan konduksi 120° dengan memvariasikan nilai tegangan modulasi. Dapat dilihat bahwa pada nilai tegangan modulasi yang rendah seperti 0,6 maka dihasilkan tegangan output yang kecil yaitu 221,9V dibandingkan dengan nilai tegangan modulasi yang tinggi seperti 0,9 yaitu 266,3V. Hasil tersebut juga terjadi pada arus output pada masing-masing phase, yaitu arus output mempunyai nilai yang kecil pada tegangan modulasi yang kecil dan mempunyai nilai yang tinggi pada tegangan modulasi yang tinggi. Tapi jika dilihat secara seksama ada perbedaan arus output dan Total Harmonic Distorsion (THD), dengan nilai tegangan modulasi yang sama pada phase a memiliki nilai arus output yang paling tinggi dibandingkan dengan arus pada phase b dan phase c. Tetapi untuk nilai THD malah sebaliknya, pada phase a nilai THD-nya lebih rendah dibandingkan pada phase b dan phase c.
Gambar grafik THD tiap phase terhadap tegangan modulasi
Terlihat jelas THD pada phase c memiliki nilai yang lebih tinggi dibanding THD pada phase yang lain. Untuk perbedaan nilai THD pada tiap phasa dapat dilihat pada hambar berikut, dengan tegangan modulasi 0,7 :
Phase a
Phase b
Phase c
Dapat terlihat bahwa untuk bentuk gelombangnya sama tetapi titik mulai dari tiap gelombang berbeda, hal tersebut menunjukkan bahwa arus yang dihasilkan berbeda yang tentunya memiliki nilai THD yang berbeda pada frekuensi fundamental yang sama yaitu 50Hz. Secara umum tren grafik perubahan nilai THD terhadap frekuensi mirip yaitu naik pada titik mulai sampai frekuensi 50Hz lalu menurun secara kontinou. Perbedaan titik mulai pada tiap arus output tersebeut dikarenakan pensaklaran yang dilakukan sehingga didapatkan arus yang memiliki beda phase. Pada semua phase memiliki titik mulai yang sama, tetapi yang membedakan adalah nilai arus tersebut
memulai. Pada arus phase a memulai pada arus positif, sedangkan pada arus phase b memulai pada phase negatif, pada arus phase c memulai pada arus positif tetapi mempunyai nilai mulai yang lebih rendah dari phase a. E.5 Kesimpulan Dari simulasi inverter tiga phase menggunakan simulink dapat diketahui bahwa arus yang dihasilkan pada tiap phase memiliki titik mulai yang berbeda sehingga memiliki nilai Total Harmonic Distorsion (THD) yang berbeda pula. Pada phase yang terakhir memiliki nilai THD yang paling besar dibanding dengan phase a dan phase b.
