SVPWM FSTPI sebagai Penggerak Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Berbasis Metode Sensorless Vector Control

Transkripsi

1 SVPWM FSTPI sebagai Penggerak Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Berbasis Metode Sensorless Vector Control Aripriharta 1), Rini Nur Hasanah 2), Teguh Utomo 3) 1) Mahasiswa S2-STL Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya; 2) &3) Dosen Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya 1) 2) 3) Abstract An SVPWM FSTPI has been applied to feed a three phase squirell-cage induction motor (0,5Hp, 220 V, 1430rpm, 50Hz) using sensorless vector control method. The results of simulation, showed the SVPWM FSTPI has a good performance of dynamic cases. Two dynamic conditions have been considered; sudden loss of load and sudden load increase. Index Terms SVPWM FSTPI, sensorless vector control, dynamic model, squirell-cage induction motor Abstrak -Sebuah model SVPWM FSTPI digunakan untuk mencatu motor induksi tiga fasa rotor sangkar 0,5Hp, 220 V, 1430rpm, 50Hz. Skema pengaturan motor induksi berbasis pada metode sensorless vector control yang dikembangkan secara lebih sederhana. Berdasarkan hasil simulasi perangkat lunak, SVPWM FSTPI mampu bekerja optimal pada kasus dinamis, baik ketika torsi beban mendadak dihilangkan atau mendadak dinaikan ke nilai nominalnya. Kata Kunci SVPWM FSTPI, sensorless vector control, model dinamik, motor induksi S I. LATAR BELAKANG VPWM inverter banyak digunakan sebagai catu daya untuk menggerakkan motor induksi pada aplikasi variable speed drive (VSD). Salah satu topologi inverter ini adalah four switch three phase inverter (FSTPI). Apabila tegangan keluaran FSTPI dibentuk teknik space vector pulse width modulation (SVPWM), maka topologinya dikenal sebagai SVPWM FSTPI [1-4]. SVPWM FSTPI lebih ekonomis ketimbang topologi inverter tiga fasa yang konvensional. Jumlah komponen semikondukstornya lebih sedikit, serta rangkaian drivernya lebih sederhana. Akan tetapi, tegangan output SVPWM FSTPI cenderung tidak seimbang akibat salah satu fasanya diambil dari titik sambung kapasitor dc link, sedangkan dua fasa yang lain dibentuk teknik SVPWM. Teknik SVPWM pada FSTPI dapat menghemat prosesor yang digunakan, cukup mikrokontroler 8-bit [5, 10-14]. SVPWM FSTPI dapat diintegrasikan metode vector control untuk mengatur kecepatan maupun torsi motor induksi untuk kasus-kasus perubahan beban yang terjadi secara tiba-tiba. Salah satu metode vector control yang paling ekonomis adalah sensorless vector control, dimana tidak diperlukan adanya sensor kecepatan, maupun sensor posisi. Akan tetapi, metode ini memerlukan estimator kecepatan putar atau posisi rotornya [2-4,13,17]. Selanjutnya, pada penelitian ini dibuat sebuah model SVPWM FSTPI bantuan perangkat lunak. FSTPI mencatu motor induksi tiga fasa rotor sangkar 0,5Hp, 220 V, 1430rpm, 50Hz. Skema pengaturan motor induksi berbasis pada metode sensorless vector control yang dikembangkan secara lebih sederhana. A. SVPWM Inverter II. TEORI DASAR Tegangan keluaran salah satu fasa SVPWM FSTPI diambilkan dari simpul yang terletak di tengah- tengah kapasitor dc-link. Dua fasa yang lain diambilkan dari simpul pada bagian tengah komponen- komponen semikonduktornya. Catu daya dari SVPWM FSTPI berupa tegangan dc, yang besarnya dijaga konstan[3-8]. Gambar 1. Sistem VSD SVPWM FSTPI [9] Pada Gambar 1 di atas terlihat sebuah rangkaian SVPWM FSTPI yang digunakan sebagai penggerak motor induksi tiga fasa rotor sangkar. Pada sistem VSD,

2 motor induksi dapat dioperasikan dalam hubungan Y maupun. Konfigurasi hubungan belitan stator motor induksi berpengaruh pada bentuk sektor SVPWM pada FSTPI [1, 7, 9-11]. sektor-sektor pada bidang. Proses switching inilah yang menghasilkan tegangan keluaran (v) dari SVPWM FSTPI seperti dalam Tabel 1. Apabila ditinjau bahwa stator motor induksi tiga fasa rotor sangkar dihubung Y, maka tegangan stator fasa ke netral diperoleh berdasarkan persamaan-persamaan berikut ini[1, 10], (1) (2) (3) Gambar 2. Sektor SVPWM inverter tiga fasa konvensional [7] v 10, v 20,v 30 adalah tegangan fasa R, S, dan T ke titik n, v 1, v 2,v 3 adalah tegangan fasa R, S, dan T ke titik netral v N0 adalah tegangan titik netral (N) ke titik n, dalam volt Belitan stator motor induksi tiga fasa rotor sangkar dianggap simetris, maka diperoleh komponen tegangan [1], (4) (5) Gambar 3. Sektor SVPWM pada topologi FSTPI[7] Tegangan keluaran SVPWM inverter tiga fasa merupakan hasil konversi dari tegangan masukan dc menggunakan teknik SVPWM. SVPWM adalah teknik modulasi vektor ruang yang diterapkan menggunakan sistem koordinat kartesian. Pada teknik SVPWM konvensional, bidang dibagi menjadi enam buah sektor (Gambar 2). Sedangkan pada FSPTI hanya terdapat empat buah sektor seperti dalam Gambar 3. Tabel 1. Proses switching FSTPI [7] 0 0 adalah komponen v dalam sumbu (real) adalah komponen v dalam sumbu (imajiner) Pada SVPWM harus didefinisikan terlebih dahulu sebuah vektor referensi, misalkan v dalam bidang. Pendekatan yang digunakan oleh vektor referensi v berdasar kepada pemilihan urutan switching q 1, q 2, q3, dan q4. Berikut ini adalah persamaan v[1]; m adalah indeks modulasi tegangan masukan FSTPI, dalam volt pergeseran sudut v terhadap sumbu (6) Tegangan referensi SVPWM FSTPI (V ref ) digambarkan dalam bentuk vektor. Hubungan kesetaraan volt sekon pada setiap sektornya digunakan sebagai acuan dalam memperhitungkan besarnya duty cycle sinyal SVPWM. Kemudian besarnya duty cycle ini digunakan untuk mengitung lamanya waktu on pasangan komponen semikonduktor saat Vref melintasi Gambar 4. Algorithma pembentukan pulsa SVPWM FSTPI [12]

3 Berdasarkan pers. 6, v berputar pada bidang kecepatan d /dt. Akibat perputaran v, maka terbentuk lintasan bundar yang radiusnya tergantung pada amplitudo v. Berdasarkan [1] diperoleh algorithma pembentukan pulsa SVPWM untuk FSTPI seperti ditunjukkan pada Gambar 4. B. Sensorless vector control Perkembangan teknologi elektronika daya dan prosesormikro memberi andil besar dalam pengambangan metode pengaturan kecepatan maupun torsi motor induksi tiga fasa rotor sangkar. Secara fisik, motor ini hanya mendapat eksitasi dari sisi satornya saja. Sedangkan rotornya diinduksi berdasarkan prinsip Lenz-Faraday. Metode vector control bertujuan untuk membuat agar motor induksi dapat diperlakukan sama seperti motor dc penguatan terpisah. Dengan adanya metode vector control, kecepatan dan torsi motor dapat diatur secara terpisah, memisahkan komponen arus statornya maupun rotornya[13]. Salah satu alternatif metode vector control yang lebih ekomonis adalah sensorless vector control. Pada metode ini penggunaan sensor diminimalisir. Sebagai gantinya diperlukan model estimator untuk memperkirakan besarnya parameter yang biasanya diperoleh melalui sensor-sensor tersebut. Sensorless berarti bahwa sistem tersebut tidak menggunakan sensor kecepatan, maupun sensor posisi [8-9,11, 13-14]. Biasanya sistem sensorless ini berbasis pada metode indirect, yakni fluksi rotor tidak disensor secara langsung sensor magnet, misalnya Hall efect, melainkan diperoleh berdasarkan perhitungan dari variabel variabel statornya. Ini sesuai Gambar 4 di bawah ini [8]. rugi-rugi dan saturasi diabaikan. Model space vector ini diformulasikan menggunakan kerangka acuan sembarang. Kerangka acuan ini merupakan sistem koordinat dua dimensi, K yang berputar kecepatan sembarang, ω K. Bila bidang acuan sembarang berputar kecepatan 0, ω K = 0, maka model motor induksi tiga fasa rotor sangkar akan berorientasi pada statornya. Substitusi ω K = 0 ke dalam persamaan-persamaan acuan sembarangnya menghasilkan model space vector dalam bidang [13-14].. Model fluksi [17] : Model Arus [17] : Model mekanik [17] : (7) (8) (9) (11) (12) (13) (14) (10) (15) Gambar 4. Metode Sensorless Vector Control (diadaptasi dari [8]) C. Model Motor Induksi Pada kasus vector control, motor induksi tiga fasa rotor sangkar biasanya dimodelkan menggunakan model dinamisnya. Parameter motor induksi seperti induktansinya, dapat berubah-ubah setiap ada perubahan sudut rotornya. Kendala-kendala yang dihadapi dapat diatasi menggunakan model dinamis motor induksi yang dikenal sebagai model space vector. Model space vector diformulasikan beberapa asumsi, yakni: parameter-parameter pada setiap fasa motor ini dalam kondisi setimbang, celah udara seragam, III. METODOLOGI PENELITIAN Penelitian ini dikembangkan metode desain eksperimental. Tahapan awal merupakan desain atau pengembangan model SVPWM FSTPI dan model sensorless vector control. Pada tahap ini diperlukan data-data sekunder dari datasheet motor induksi tiga fasa. Kemudian, berdasarkan data-data tersebut dipilih komponen semikonduktor yang diperlukan berserta kapasitansi kapasitor, rating tegangan kapasitor serta tegangan dc masukannya. Setelah menentukan nilai-nilai parameter rangkaian. Selanjutnya menggunakan perangkat lunak, model sistem disimulasikan dan dianalisis. IV. HASIL DAN ANALISIS Model SVPWM FSTPI dirancang untuk menggerakkan motor induksi tiga fasa rotor sangkar berbasis metdoe vector control. Motor induksi yang digunakan memiliki data teknis sebagai berikut,

4 switching 10 khz. Motor induksi 3-fasa tipe sangkar 0,5Hp, 1,29Nm, 220V, 50Hz, 1400rpm, hubungan Y. Dari simulasi rentang waktu 1s diperoleh kurva arus stator perfasanya (i sa,i sb, i sc ), torsi elektromagnetik motor induksi (Tem_IM). Torsi motor Oleh karena tegangan kerja motor induksi yang digunakan adalah 220V, maka tegangan masukan FSTPI dipilih sebesar 200V. maka ditetapkan Kapasitansi kapasitor DC link C1, dan C2 sebesar, Torsi beban 1 2 Frekwensi switching dari SVPWM ditetapkan sebesar 10kHz. Model SVPWM FSTPI yang digunakan dalam simulasi perangkat lunak. Pada proses simulasi ini digunakan model kendali sensorless vector control diperlihatkan pada Gambar 6. Gambar 7 Torsi motor dan torsi beban Saat beban berubah mendadak Gambar 8. Kecepatan motor Gambar 6 Model sensorless vector control Parameter kontroler PI untuk arus I d Selama proses simulasi, rotor di setting agar berputar pada kecepatan 1200rpm, I d,ref disetting pada nilai 1 A. Kemudian sistem disimulasi selama 3s. Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem yang dirancang mampu merespon perubahan torsi beban baik. Ketika torsi beban melonjak dari 0 Nm sampai 1Nm, sistem dapat menjaga rotor berputar kecepatan 1200rpm. Ketika secara mendadak beban dihilangkan, motor berputar lebih cepat dari nilai referensinya selama 3ms, kemudian kembali berputar pada kecepatan 1200rpm. Parameter PI untuk arus n Parameter PI untuk arus Iq Eksperimen difokuskan pada perilaku dinamis sistem menerapkan perubahan yang mendadak pada torsi beban. Pada ekperimen ini, model SVPWM FSTPI di setting tegangan dc 200V, frekwensi V. KESIMPULAN Berdasarkan hasil simulasi dapat disimpulkan bahwa: Metode sensorless vector control yang digunakan pada aplikasi VSD SVPWM FSTPI mampu bekerja baik pada kasus dinamis, baik ketika torsi beban mendadak dihilangkan atau mendadak dinaikan ke nilai nominalnya. Ketika torsi beban melonjak dari 0 Nm sampai 1Nm, sistem dapat menjaga rotor berputar kecepatan 1200rpm. Apabila secara mendadak beban dihilangkan, motor berputar lebih cepat dari nilai referensinya selama

5 3ms, kemudian kembali berputar pada kecepatan 1200rpm. UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih untuk program beasiswa BPPS tahun anggaran sebagai penyandang dana penelitian ini. DAFTAR PUSTAKA [1] Dzung, P. Q., Phuong, L. M A Modified Space Vector Pwm Algorithm For Low-Cost Inverter Control. International Symposium on Electrical & Electronics Engineering, Track 3. [2] Ma, T., T New Control Strategies for a Two-Leg Four-Switch STATCOM. Hongkong: Procedings of the International Multi Conference of Engineers and Computer Scientist 2011, Vol. II. [3] Mohanty, n. K., Muthu, R Microcontroller Based PWM Controlled Four Switch Three Phase Inverter Fed Induction Motor Drive. Serbian Journal Of Electrical Engineering Vol. 7, No. 2, November, pp [4] Mohanty, N.K., Muthu, N A Novel Implementation of Xilinx FPGA Based Four Switch Three Phase IGBT Inverter Fed Induction Motor Drive Using PWM. European Journal of Scientific Research ISSN X Vol.48 No.3 pp EuroJournals Publishing, Inc. [5] Monfared, M., Rastegar, H., Kojabadi, H., M Overview of Modulation Techniques for the Four-Switch Converter Topology. 2nd IEEE International Conference on Power and Energy (PECon 08), December 1-3, 2008, Johor Baharu, Malaysia [6] Monfared, M., Rastegar, H., Kojabadi, H. M A Simple and Efficient Control Strategy for Four-Switch Three-Phase Power Converters. Advances in Electrical and Computer Engineering Vol. 10, No. 1. [7] Muralidhara, B., Ramachandran, A., Srinivasan, A., Channa Reddy, M Space Vector PWM Signal Generation for a Three Phase Inverter and Hardware Implementation Using μ- Controller. International Journal of Engineering Science and Technology Vol. 2(10), pp [8] Neacsu, O.D Power Switching Converter-Medium & high Power. Inggris, London: Taylor & Francis [9] Niasar, A.H., Vahedi, A., Moghbelli, H Low-cost sensorless control of four-switch, brushless DC motor drive with direct back-emf detection. Journal of Zhejiang University SCIENCE, Vol. 10, Ed. 2, hal [10] Corrêa, M. B. R. Jacobina, C., B. Silva, E. R. C., Lima, A. M. N A General PWM Strategy for Four-Switch Three-Phase Inverters. IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 21, No. 6, November [11] Quang, N. P., Dittrich, J. A Vector Control Of Three-Phase AC Machines. Springer. Berlin [12] Badsi, B.E., Guermazi, A., Masmoudi,A. On the comparison between different space vector PWM strategies implemented in FSTPI-fed induction motor drives. COMPEL: The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering Vol. 26 No. 1, hal , 2007 [13] Wilamowski, B. M., Irwin, J. D Power electronics and motor drives, The Industrial Electronics Handbook, 2 nd edition. Boca Raton: CRC Press Taylor & Francis Group, LLC [14] Senturk, O., S., Nielsen, S.M., Teodorescu, R. Helle, L., dan Rodriguez, P A Single Leg Switched PWM Method for Three-phase H-Bridge Voltage Source Converters. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)-2008, IEEE, hal [15] Bose, B. K Power Electronics And Motor Drives: Advances And Trends. Prentice Hall. New Jersey. [16] Buso, S., Mattavelli, P Digital Control In Power Electronics. Morgan & Claypool. Nebrasca [17] Boldea, I., Nasar, S.A The Induction Machines Design Handbook, Second Edition. Taylor And Francis Group, Llc. London Aripriharta mahasiswa S2 Teknik Elektro FT-UB. Sejak 2005-sekarang bergabung sebagai dosen di TE FT-UM. Minat risetnya terfokus pada bidang elektronika daya modern, energy saving dan smart system. seminar. Rini Nur Hasanah, ST., MSc. PhD. adalah dosen di Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya, Malang, Indonesia. Ia mendapat gelar PhD di bidang electromechanics dan MSc dalam bidang energi, dari Institut Teknologi Federal Swiss di Lausanne, Swiss. Kepentingan penelitiannya meliputi cabang-cabang electromechanics energi dan juga. Ia telah menerbitkan artikel dan disajikan dalam beberapa jurnal ilmiah dan Teguh Utomo, Ir., MT. dosen Teknik Elektro FT-UB. Minat riset dibidang energi baru dan terbarukan. Telah banyak berkecimpung dalam berbagi kegiatan workshop, training, penelitian dan pengabdian masyrakat di bidang energi, utama mikrohidro. Ia telah menerbitkan artikel dan disajikan dalam beberapa jurnal ilmiah dan seminar. BIBLIOGRAPHY