ANALISIS DAN MINIMISASI RIAK SISI AC DAN SISI DC INVERTER PWM MULTIFASA

Transkripsi

1 ANALISIS DAN MINIMISASI RIAK SISI AC DAN SISI DC INVERTER PWM MULTIFASA TESIS MAGISTER oleh DENI NIM : BIDANG KHUSUS TEKNIK TENAGA ELEKTRIK PROGRAM STUDI ELEKTROTEKNIK PROGRAM PASCASARJANA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008

2 ANALISIS DAN MINIMISASI RIAK SISI AC DAN SISI DC INVERTER PWM MULTIFASA TESIS MAGISTER oleh DENI NIM : Bandung, Juni 2008 Pembimbing Dr.Ir. Pekik Argo Dahono NIP : ii

3 ABSTRAK Pada penelitian ini analisis riak arus keluaran dan masukan inverter PWM multifasa diusulkan. Analisis dimulai dengan mencari persamaan umum nilai rms riak arus keluaran dan masukan inverter PWM multifasa sebagai fungsi sinyal modulasi. Dari persamaan ini kemudian dicari sinyal injeksi yang optimum untuk meminimisasi riak arus keluaran dan masukan inverter pwm multifasa. Dari hasil analisis didapatkan sinyal sinus murni adalah sinyal modulasi yang optimum untuk meminimisasi riak arus keluaran inverter PWM multifasa dengan ggl beban sinusoidal. Analisis lebih lanjut dilakukan untuk inverter lima fasa. Pada ggl beban non-sinusoidal didapatkan bahwa harmonisa kelima merupakan sinyal injeksi optimum yang dapat digunakan untuk mengurangi riak arus keluaran. Harmonisa kelima juga dapat digunakan untuk menaikkan indeks modulasi maksimum dari inverter PWM lima-fasa. Total riak arus keluaran pada kondisi ggl beban non-sinusoidal lebih rendah dibandingkan dengan ggl beban sinusoidal. Pada analisis riak sisi dc didapatkan bahwa riak arus masukan sisi dc inverter PWM lima-fasa tidak dipengaruhi oleh bentuk dari sinyal modulasi dan frekuensi penyaklarannya. Sinyal modulasi optimum yang menghasilkan riak tegangan sisi dc paling minimum pada kondisi ggl sinusoidal adalah sinyal modulasi sinusoidal murni. Hasil percobaan ditunjukan untuk memberikan validitas dari hasil analisis. Kata kunci : Inverter Multifasa, Riak Arus, PWM iii

4 ABSTRACT Analysis and minimization of output current ripple of multiphase PWM inverters is proposed in this thesis. Analysis begins with deriving a general expression for the rms value of output current ripple of multiphase PWM inverters as a function of reference signal. Optimum reference signal that results in minimum output current ripple of multiphase inverters can be derived from this general expression. The analysis shows that the sinusoidal reference signal is the optimum reference signal that gives minimum output current ripple of multiphase inverters under sinusoidal load emf. Further investigation is done for five-phase inverter. Under non-sinusoidal load emf, it is found that fifth harmonic is the optimum injection signal that can be used to reduce the output ripple current five phase PWM inverter. Fifth harmonic can also increase the maximum modulation index. Output current ripple under non-sinusoidal load emf is lower than the one of under sinusoidal load emf. In the analysis of ripple in the DC side five phase PWM inverter, it is shown that the rms value of input current ripple is not influenced by the shape of the reference signal and switching frequency. Optimum reference modulating signal that produces a minimum total ripple in the dc side voltage under sinusoidal load emf is pure sinusoidal modulating signal. Experiment results are also presented to show the validity of derived expression. Keyword : Multiphase Inverter, Current Ripple, PWM iv

5 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkat dan pertolongan-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tesis yang berjudul ANALISIS DAN MINIMISASI RIAK SISI AC DAN DC PADA INVERTER PWM MULTIFASA. Tesis ini diajukan sebagai salah satu syarat wajib untuk memperoleh kesarjanaan strata dua (S-2) di Program Studi Elektroteknik, Program Pascasarjana Institut Teknologi Bandung. Dalam pelaksanaan tesis dan penyusunan laporan ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. Orangtua dan segenap keluarga yang tak henti-hentinya memberi motivasi dan doa. 2. Bapak Dr. Ir. Pekik Argo Dahono selaku pembimbing tugas akhir atas kesabaran, perhatian, bimbingan, ilmu, dukungan dan inspirasi yang penulis dapatkan. 3. Dosen penguji atas waktu dan saran yang telah diberikan: Prof. Dr. Ir Yanuarsyah Haroen, Dr. Ir. M. Nurdin, Ir. Qamaruzzaman M.T. 4. Teman-teman PADRG LPKEE-ITB : Arwindra Rizqiawan, Firman Sasongko dan adik-adik PADRG 2004 (Fendy, Dadan, Dwi). Khususnya, Erick G. Supriatna dan Aji W. Widodo yang telah banyak membantu penulis. 5. Segenap staf dan karyawan LPKEE-ITB, khususnya Bapak Nana Heryana. 6. Dan semua pihak pihak lain yang tidak dapat disebutkan satu per satu. Penulis menyadari bahwa tesis ini masih belum sempurna. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran dan kritik yang membangun. Kritik dan saran dapat dikirimkan ke eebanx@yahoo.com. Akhir kata, penulis berharap laporan ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Bandung, Juni 2008 Untuk : テッサ Penulis v

6 DAFTAR ISI Halaman Judul i Halaman Lembar Pengesahan ii Abstrak iii Abstract iv Kata Pengantar v Daftar Isi vi Daftar Gambar viii Daftar Tabel ix BAB 1 1 Pendahuluan Latar belakang Studi pustaka Permasalahan dan batasan masalah Tujuan penelitian Metode penelitian Sistematika penulisan 9 BAB 2 10 Analisis Arus Fasa pada Koneksi Beban Bintang dan Poligon untuk Sistem Multifasa Pendahuluan Analisis arus fasa dengan beban terhubung bintang Analisis arus fasa pada beban dengan koneksi poligon Ekuivalensi beban bintang dan poligon Penutup 15 BAB 3 16 Analisis Riak Arus Keluaran Inverter PWM Multifasa Pendahuluan Persamaan umum riak arus keluaran inverter PWM multifasa Bentuk gelombang riak dalam satu periode penyaklaran Persamaan nilai rata-rata kuadrat riak arus keluaran inverter dalam satu periode penyaklaran Minimisasi riak arus keluaran inverter multifasa Nilai RMS riak arus keluaran inverter multifasa s 0 = 0 (modulasi sinus murni) Injeksi hamonisa ke-n Penutup 27 vi

7 BAB 4 28 Analisis Riak Arus Keluaran Inverter PWM Lima Fasa Pendahuluan Riak arus keluaran inverter lima fasa dengan modulasi space-vector Riak arus keluaran inverter lima fasa dengan discontinue-pwm Riak arus keluaran inverter lima fasa dengan ggl non-sinusoidal Percobaan Penutup 41 BAB 5 43 Analisis Riak Arus Keluaran Inverter PWM Lima Fasa dengan Beban Terhubung Bintang Pendahuluan Persamaan riak arus keluaran pada satu periode penyakelaran Analisis riak arus dalam satu periode penyakelaran Riak arus keluaran inverter lima fasa dengan beban bintang Pengaruh sinyal injeksi Percobaan Penutup 52 BAB 6 54 Analisis dan Minimisasi Riak Tegangan dan Arus Sisi DC Inverter PWM Lima Fasa Pendahuluan Analisis Umum Riak Sisi DC Inverter PWM 5 Fasa Analisis Riak Arus Sisi DC Inverter PWM 5 Fasa Analisis dan Minimisasi Riak Tegangan Sisi DC Inverter PWM 5 Fasa Percobaan Penutup 63 BAB 7 64 Kesimpulan dan Saran Kesimpulan Saran 64 Daftar Pustaka 65 vii

8 DAFTAR GAMBAR Gambar 1-1. (a) Blok diagram S PWM (b) Sinyal modulasi dan sinyal segitiga. 4 Gambar 1-2. Perbandingan riak arus keluaran inverter tiga fasa dengan berbagai teknik modulasi, SIN (SPWM), SIN34 (SPWM + 1/4harmonisa ketiga), SIN36 (SPWM + 1/6harmonisa ketiga), dan SVPWM (modulasi space-vector). 5 Gambar 1-3. Vector aktif pada (a) bidang 1 (d-q) dan (b) bidang 2. 5 Gambar 2-1. Skematik beban multifasa terhubung bintang. 11 Gambar 2-2. Skematik beban multifasa terhubung poligon. 13 Gambar 3-1. Skematik rangkaian inverter multifasa. 17 Gambar 3-2. Skematik beban multifasa terhubung poligon. 17 Gambar 3-3. Bentuk gelombang PWM dalam satu periode penyaklaran, (a) sinyal segitiga dengan sinyal modulasi, (b) kondisi penyaklaran fasa 1 dan 2, (c) bentuk tegangan v 12 yang dihasilkan dan (d) bentuk gelombang riak arus. 20 Gambar 4-1. Sinyal modulasi space-vector inveter tiga fasa. 29 Gambar 4-2. Sinyal fundamental lima fasa. 31 Gambar 4-3. Sinyal modulasi space-vector lima fasa. 31 Gambar 4-4. Sinyal modulasi discontinue-pwm lima fasa. 34 Gambar 4-5. Riak arus keluaran inverter pada berbagai teknik modulasi 40 Gambar 4-6. Hasil percobaan dan analisis riak arus keluaran inverter mode ggl sinusoidal pada berbagai teknik modulasi. 41 Gambar 4-7. Hasil percobaan dan analisis riak arus keluaran inverter pada ggl beban sinusoidal dan non-sinusoidal. 42 Gambar 5-1. Skematik rangkaian inverter lima fasa dengan beban terhubung bintang. 43 Gambar 5-2. Sinyal modulasi lima fasa. 46 Gambar 5-3. Sinyal-sinyal dalam satu periode penyakelaran, (a) sinyal modulasi dan segitiga, (b) sinyal kendali sakelar-sakelar, (c) tegangan fasanetral. 48 Gambar 5-4. Perbandingan riak arus keluaran inverter lima fasa dengan beban terkoneksi bintang pada berbagai teknik modulasi 53 Gambar 5-5. Hasil percobaan inverter lima fasa dengan beban terhubung bintang 53 Gambar 6-1. Gelombang PWM pada satu periode switching (a)sinyal modulasi dan sinyal segitiga (b) keadaan switching masing masing fasa (c)arus masukan dc i d 56 Gambar 6-2. Riak arus masukan sebagai fungsi indeks modulasi. 63 viii

9 DAFTAR TABEL Tabel 4-1. Persamaan sinyal modulasi space-vector PWM lima fasa. 32 Tabel 4-2. Persamaan sinyal modulasi discontinue-pwm lima fasa. 34 Tabel 4-3. Nilai rms riak arus keluaran inverter lima fasa pada berbagai teknik modulasi. 39 Tabel 4-4. Parameter percobaan inverter lima fasa. 40 Tabel 5-1. Persamaan nilai rms riak arus keluaran inverter lima fasa dengan beban terhubung bintang pada berbagai teknik modulasi. 52 ix