Perbaikan Performa Tegangan Motor Induksi Kapasitas Besar Berbasis Hybrid Converter System.

Transkripsi

1 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, Perbaikan Performa Tegangan Motor Induksi apasitas Besar Berbasis Hybrid Converter System. Nita Indriani Pertiwi,Mochamad Ashari, Teguh Yuwono. Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri,Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya ashari@ee.its.ac.id, teguh@ee.its.ac.id. Abstrak Hybrid Converter System merupakan sistem yang digunakan untuk pengaturan kecepatan motor induksi dan merupakan kombinasi dari Load commutated Inverter (LCI) dan Voltage Source Inverter (VSI). Hybrid Converter System merupakan solusi untuk mengatasi kelemahan LCIkonvensional yang selama ini telah umum digunakan pada motor induksi. Output kapasitor dibutuhkan pada sistem LCI-konvensional agar komutasi Thyristor dapat terjadi dan LCI dapat bekerja, namun keberadaan kapasitor output ini menimbulkan permasalahan berupa harmonisa yang menggangu performa dari motor induksi. Dalam tugas akhir ini dilakukan analisa mengenai Hybrid Converter System yang dapat membuat performa motor induksi lebih baik dengan adanya VSI. VSI bersama-sama dengan output kapasitor mengkompensasi daya reaktif ke motor induksi. Selanjutnya akan dianalisa perbandingan tegangan dan arus output dari sistem LCI onvensional dengan Hybrid Converter System. Hasil simulasi menunjukkan bahwa Hybrid Converter System memiliki nilai THD tegangan dan arus motor yang lebih rendah dibandingkan sistem LCI onvensional. Selain itu ukuran dari output kapasitor pada Hybrid Converter System ini dapat berkurang dari sistem LCI onvensional. Simulasi sistem akan dilakukan dengan software terprogram pada motor induksi rotor sangkar 5-HP. ata unci Harmonisa, apasitor Output, Load Commutated Inverter, Voltage Source Inverter. I. PENDAHULUAN Motor induksi merupakan jenis motor yang paling sering digunakan dalam dunia industri. Dalam aplikasinya di dunia industri, dibutuhkan pengaturan kecepatan pada motor induksi agar dapat sesuai dengan beban-beban yang terhubung dengan motor induksi. Dibutuhkan sebuah pengaturan kecepatan yang baik agar tidak tidak terjadi perubahan fluks yang berdampak pada terganggunya efisiensi dari motor. Pengendalian kecepatan putaran motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara diantaranya dengan kendali tegangan dan frekuensi input dengan menggunakan inverter. Load Commutated Inverter(LCI), merupakan jenis inverter yang selama ini umum digunakan pada motor induksi. Namun penggunaan LCI menimbulkan permasalahan ketika dihubungkan dengan motor induksi karena dibutuhkan output kapasitor yang dapat menimbulkan harmonisa sehingga berdampak pada performa motor induksi [1]. Oleh karena itu, dibutuhkan sebuah sistem yang dapat memberikan solusi dari permasalahan yang timbul akibat penggunaan LCI pada motor induksi. Hybrid Converter System merupakan solusi untuk mengatasi permasalahan dari penggunaan LCI konvensional. Hybrid Converter System merupakan kombinasi dari Load commutated Inverter (LCI), dan Voltage Source Inverter (VSI). Dengan sistem ini, ukuran output kapasitor yang terhubung dengan motor induksi dapat berkurang sehingga dapat mengurangi permasalahan harmonisa yang sebelumnya timbul pada sistem LCI konvensional. II. SISTEM HYBRID CONVERTER UNTU PERBAIAN PERFORMA MOTOR INDUSI TIGA FASA DENGAN LCI DAN VSI. A. onfigurasi Sistem LCI onvensional LCI merupakan jenis inverter yang komutasi saklarnya bergantung pada beban yang terhubung dengan inverter tersebut. LCI pada sistem ini menggunakan saklar thyristor dan membutuhkan faktor daya leading agar dapat berkomutasi. etika terhubung dengan motor induksi yang akan selalu memiliki faktor daya lagging pada semua range kecepatan, maka dibutuhkan kapasitor output (C f ) agar saklar thyristor dapat berkomutasi. C f akan menyediakan faktor daya leading sehingga saklar thyristor dapat berkomutasi. onfigurasi dari sistem LCI konvensional dapat dilihat pada gambar 1. Vdc Ldc R S1 T1 a S3 T3 b S5 T5 S4 S6 S2 T4 T6 T2 c ica icb icc Gambar 1. onfigurasi sistem LCI onvensional. Cf IC ioa iob ioc cf MI Motor Induksi Gambar 2. Rangkaian ekivalen per fasa sistem LCI konvensional Beban Mekanik

2 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, φ θ IC T2 (b) Gambar 3. Diagram fasor sistem LCI onvensional. Gambar 2 menunjukkan rangkaian ekivalen per fasa dari sistem. Pada sistem ini, LCI, C f dan motor induksi akan terhubung paralel seperti ditunjukkan pada gambar 2. C f akan mengkompensasi sifat induktansi dari motor induksi sehingga LCI mendapatkan faktor daya leading. Oleh karena itu ukuran dari C f yang dibutuhkan untuk komutasi thyristor akan proporsional dengan kapasitas motor induksi sehingga ukuran C f akan sangat besar jika LCI terhubung dengan motor induksi yang memiliki kapasitas yang sangat besar [2],[3]. arena saklar thyristor di LCI membutuhkan faktor daya leading untuk berkomutasi, dengan demikian arus output LCI (I LCI ) akan leading terhadap tegangan motor (V m ) namun arus motor (I m ) akan tetap lagging terhadap V m seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Sudut leading dari LCI dan sudut lagging dari motor induksi ditunjukkan oleh ɸ dan ϴ. Sementara arus C f akan orthogonal terhadap V m karena berkerja sebagai sumber daya reaktif pada sistem ini. Dengan kehadiran C f yang dibutuhkan untuk komutasi thyristor, menimbulkan kelemahan pada sistem LCI konvensional yaitu timbulnya harmonisa yang besar pada tegangan (V m ) dan arus motor (I m ). Selain itu V m dan I m akan memiliki gelombang yang tidak sinusoidal. 1) Penyalaan saklar LCI dengan 12 konduksi arena LCI menggunakan saklar thyristor maka LCI tidak dapat menggunakan metode Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) seperti inverter pada umumnya. Penyalaan saklar thyristor pada LCI konvensional ini didesain dengan konsep konduksi 12, namun waktu penyalaan tiap saklar dibatasi hanya 1. Penyalaan dari saklar thyristor ini dihasilkan dengan membandingkan sinyal DC dan sinyal segitiga menggunakan sebuah komparator sehingga dihasilkan sinyal kotak yang akan menjadi sinyal penyalaan dari tiap saklar. arena tiap saklar memiliki waktu penyalaan yang berbeda maka harus dilakukan desain penyalaan untuk tiap saklar. Gambar 4 menunjukkan desain penyalaan saklar 1-6 pada LCI. (a) T1 T6 (c) Gambar 4. Desain penyalaan saklar LCI : (a) saklar 1; (b) saklar 2,3,4,5; (c)saklar 6. Dalam mengatur penyalaan saklar LCI, sinyal DC yang diberikan akan disesuaikan dengan waktu penyalaan saklar sesuai dengan konsep 12 konduksi. B. onfigurasi Sistem Hybrid Converter Sistem Hybrid Converter yang digunakan untuk memperbaiki performa dari motor induksi ini terdiri dari rangkaian Load Commutated Inverter (LCI) dan rangkaian Voltage Source Inverter (VSI). edua inverter ini saling terhubung paralel dan selanjutnya terhubung dengan motor induksi rotor sangkar dengan kapasitas 5HP dengan parameter pada tabel 1. Selanjutnya motor induksi akan dihubungkan dengan beban mekanik dengan nilai 2 Nm. Pada sistem Hybrid Converter akan ditambahkan filter induktor (L f ) yang terhubung seri dengan output VSI. Tabel 1. Parameter motor induksi tiga fasa Parameter Nilai Daya Output 5 HP Rating ecepatan 1491 RPM atau 155,953 rad/s Rating Tegangan (V LL-RMS) 33 V Resistansi Stator,262 Ω Induktansi Stator,384 H Resistansi Rotor,187 Ω Induktansi Stator,384 H Induktansi Magnetisasi,346 H Jumlah utub 4 Momen Inersia 11,6 kg.m 2 Gambar 5 menunjukkan konfigurasi dari sistem Hybrid Converter secara keseluruhan. C f dan VSI bersama-sama akan menyuplai daya reaktif ke sistem sehingga LCI mendapatkan faktor daya leading yang dibutuhkan saklar thyristor untuk berkomutasi.

3 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, Ldc R1 Vdc S1 T1 a S3 T3 b S5 T5 c MI Beban Mekanik S4 S6 S2 T4 T6 T2 Ic cf S1 I1 I3 S3 I5 S5 Lf R2 Vdc C S4 I4 I6 S6 I2 S2 Gambar 5. onfigurasi sistem Hybrid Converter Selain berfungsi untuk menghasilkan Var, C f juga berfungsi sebagai filter bersama dengan induktor yang terhubung seri dengan VSI (L f ). Dengan adanya filter ini, diharapkan gelombang output arus dan tegangan dari sistem akan lebih mendekati sinusoidal[4]. VSI hanya akan memberikan daya reaktif pada sistem sehingga I VSI akan memiliki sudut yang tegak lurus terhadap V m. I LCI dan I C akan memiliki sudut leading terhadap V m, sedangkan I m akan tetap lagging terhadap V m. Hal ini dapat dilihat pada diagram fasor sistem pada gambar 7. 1) Desain LCI tiga fasa Desain LCI pada sistem Hybrid Converter ini adalah sama dengan LCI pada sistem konvensional. Penyalaan pada saklar thyristor akan dilakukan dengan sistem yang sama yaitu dengan konsep 12 konduksi namun tiap saklar nya hanya akan diberi penyalaan sebesar 1. LCI pada sistem ini akan menyuplai seluruh daya aktif yang dibutuhkan oleh motor induksi. Nilai dari tegangan input DC (V dc ) untuk LCI dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan dari inverter dengan 12 konduksi sebagai berikut : (1) thyristor dapat berkomutasi. Dengan adanya tambahan rangkaian VSI pada sistem Hybrid Converter ini, maka nilai C f akan lebih kecil dibanding dengan sistem konvensional. Rating dari VSI diharapkan dapat seminimal mungkin untuk menghemat biaya. Rating dari VSI dapat dihitung dengan persamaan berikut. Dimana nilai I VSI dan V VSI adalah nilai RMS output arus dan tegangan dari VSI. Nilai dari tegangan output VSI disesuaikan dengan rating motor induksi yang terhubung dengan sistem Hybrid Converter yaitu 33V(V LL-RMS ). Sehingga rating dari VSI akan tergantung pada arus output VSI. VVSI Lf Cf IC Motor Induksi Gambar 6. Rangkaian ekivalen sistem Hybrid Converter (2) Dengan menggunakan persamaan (1) dan hanya menghitung tegangan fundamental dari sistem, maka akan didapatkan nilai V dc yang dibutuhkan oleh LCI agar menghasilkan tegangan 33V(V LL-RMS ). θ φ 2) Desain VSI tiga fasa Seperti inverter pada umumnya, VSI ini memiliki 3 lengan dimana tiap lengannya terdapat 2 saklar Insulated Bipolar Gate Transistor (IGBT) sehingga untuk sistem penyalaan VSI dapat menggunakan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). edua saklar pada VSI tidak boleh menyala dalam waktu yang bersamaan karena akan menyebabkan hubungan singkat, oleh karena itu hal ini akan diatur pada SPWM. Bersama dengan C f, VSI akan menyediakan daya reaktif yang dibutuhkan oleh saklar thyristor pada LCI sehingga saklar Ic Gambar 7. Diagram fasor sistem Hybrid Converter 3) Perhitungan apasitor output. Perhitungan C f dilakukan untuk mendapatkan nilai C f yang dibutuhkan oleh sistem Hybrid Converter pada gambar 5. Nilai dari C f akan sangat berpengaruh terhadap rating dari VSI pada sistem Hybrid Converter.

4 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, SVSI (VA) SVSI(max) SVSI(min) Region 1 Region 2 Cf max Gambar 8. urva rating VSI sebagai fungsi dari ukuran C f. φ θ Ic Gambar 9. Diagram fasor sistem pada region 2 Cf (F) Dalam memodelkan sistem ini diharapkan rating VSI adalah minimum diman nilai rating dari VSI akan sangat bergantung pada nilai C f. Nilai VSI yang minimum akan didapatkan ketika ukuran C f adalah maksimal seperti pada kurva rating VSI sebagai fungsi dari nilai C f yang didapatkan dari journal referensi pada gambar 8 [5]. Terlihat bahwa terdapat 2 region pada kurva rating VSI sebagai fungsi dari ukuran C f. Pada kondisi region 1, rating VSI maksimum akan didapatkan ketika ukuran C f adalah dan bernilai minimum ketika ukuran C fmax. Sistem yang memiliki diagram fasor pada gambar 7 akan berada pada region 1. Sedangkan sistem dengan region 2 akan memiliki diagram seperti pada gambar 9. Pada kondisi region 2, seperti pada region 1 rating VSI minimum akan didapatkan pada nilai C fmax sedangkan rating maksimum VSI pada region 2 tidak terhingga. Nilai C f max yang dibutuhkan untuk mendapatkan nilai rating VSI minimum dapat diperoleh dengan persamaan berikut : Dimana nilai P out adalah daya output beban, V LL adalah tegangan puncak output dan sudut ɸ serta ϴ masing-masing adalah sudut I LCI terhadap V m dan I m terhadap V m.. III. HASIL SIMULASI DAN ANALISA DATA Simulasi akan dilakukan pada sistem Hybrid Converter yang terhubung dengan motor induksi 5HP, akan diberikan ukuran C f yang bervariasi untuk melihat pengaruhnya terhadap rating VSI dan output dari sistem. Namun sebelumnya akan dilakukan simulasi pada sistem LCI onvensional sehingga dapat dilakukan perbandingan antara sistem Hybrid Converter (3) dengan sistem LCI onvensional dan akan dilakukan analisis mengenai THD dari kedua sistem serta nilai C f yang digunakan. 1) Hasil simulasi sistem LCI konvensional Dengan desain sistem seperti pada gambar 1, akan dilakukan analisa terhadap output dari sistem LCI konvensional. Selain dengan memberikan sinyal penyalaan dan mengatur tegangan input DC, LCI harus dihubungkan dengan C f agar thyristor dapat berkomutasi. C f digunakan agar LCI mendapatkan faktor daya leading sehingga LCI dapat berkomutasi. arena motor induksi yang terhubung dengan LCI memiliki kapasitas yang sangat besar yaitu 5HP maka ukuran kapasitor yang dibutuhkan oleh sistem ini pun cukup besar yaitu sebesar yaitu 4.9mF. Dari hasil simulasi yang dilakukan didapatkan hasil sebagai berikut. I(C) I (Ampere) I Gambar 1. Gelombang arus C f (I C f), arus LCI (I LCI), dan arus motor (I m) V25 (Volt) V Gambar 11. Gelombang tegangan LCI (V LCI) dan tegangan motor (V m) sistem LCI konvensional VAPF31_PF Gambar 12. ecepatan motor induksi, faktor daya motor induksi sistem LCI konvensional.

5 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, Dari gelombang tegangan dan arus output LCI dapat terlihat bahwa gelombang tegangan dan arus tidak sinusoidal murni. Gelombang arus output LCI berbentuk quasi square wave karena saklar thyristor pada LCI hanya on dan off sekali per cycle. Tegangan motor dari hasil simulasi ini bernilai 33V (V LL-RMS ) sedangkan arus motor bernilai 69,11A. Hasil simulasi menunjukkan bahwa LCI onvensional yang menggunakan saklar thyristor akan bekerja dengan adanya C f. etika ukuran C f tidak sesuai maka LCI tidak dapat bekerja. Setelah melihat sudut antara I LCI dan V m, I cf dan V m, serta I m dan V m maka terihat bahwa I cf membentuk sudut 9 leading terhadap V m, I LCI membentuk sudut 88 leading terhadap V m serta I m membentuk sudut 34.2 lagging terhadap V m. Dari hasil simulasi gelombang V m dan I m yang diperoleh, dilakukan pengukuran THD dimana didapatkan nilai THD V m dan I m dari sistem ini masing-masing adalah 4.87% dan 1.84%. 2) Hasil simulasi sistem Hybrid Converter Dari konfigurasi sistem Hybrid Converter pada gambar 5 didapatkan hasil simulasi sebagai berikut ICf (Ampere) (Ampere) (Ampere) Gambar 14. Gelombang Arus C f (I Cf), arus output LCI(I LCI), arus output VSI (I VSI) Sistem Hybrid Converter (Volt) (Ampere) V (RPM) -5 VAPF(31)_PF Gambar 15. ecepatan motor induksi, faktor daya motor induksi sistem Hybrid Converter Nilai V VSI, V LCI, dan V m yang didapatkan pada simulasi ini adalah 33V ( VLL-RMS ) sesuai dengan rating motor induksi. Sedangkan nilai I VSI dan I m masing-masing adalah 168.4A dan 69.2A. Dengan nilai tegangan 33V maka motor induksi dapat berputar sesuai dengan rating nya yaitu 1491rpm dan memiliki faktor daya.82 seperti pada gambar 15. Dari pengamatan sudut diketahui bahwa I VSI memiliki sudut 9 leading terhadap V m, I o memiliki sudut 89.1 leading terhadap V m, I LCI memiliki sudut 88 leading terhadap V m, I m memiliki sudut 34.9 lagging terhadap V m dan I cf memiliki sudut 9 leading terhadap V m. Dari hasil ini diketahui bahwa sistem Hybrid Converter pada tugas akhir ini berada pada region 2 oleh karena itu rating VSI yang didapatkan masih cukup besar. etika dilakukan pengukuran THD pada V m dan I m didapatkan nilai THD masing-masing 4.69% dan 1.54%. 3) Perbandingan Harmonisa sistem LCI onvensional dan sistem Hybrid Converter. Dari hasil simulasi kedua sistem, dilakukan pengamatan terhadap harmonisa pada V m dan I m. Dari hasil simulasi kedua sistem didapatkan data harmonisa seperti pada tabel 1. Sementara spektrum harmonisa dari kedua sistem ditunjukkan pada gambar 16. Tabel 1 Perbandingan harmonisa sistem LCI konvensional dan sistem Hybrid Converter Orde Harmonisa Sistem LCI Sistem Hybrid Converter konvensional V m I m V m V m (Volt) Gambar 13. Gelombang tegangan motor (V m) dan arus motor(i m) Sistem Hybrid Converter Frekuensi (Hz)

6 Proceeding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI ITS, (Ampere) (a) Dari hasil pengujian yang diperoleh, di dapatkan hasil bahwa nilai rating VSI akan meningkat proporsional dengan nilai C f. Oleh karena itu perlu di tentukan nilai C f yang sesuai agar nilai rating VSI tidak besar sehingga biaya yang dibutuhkan tidak besar Frekuensi (Hz) (b) Gambar 16. Spektrum harmonisa : (a) V m sistem LCI konvensional, sistem Hybrid Converter; (b) I m sistem LCI konvensional, sistem Hybrid Converter. Dari hasil simulasi yang didapatkan, terbukti bahwa sistem Hybrid Converter dapat mengurangi performa motor induksi dengan mengurangi harmonisa pada V m dan I m. 4) Pengujian dengan nilai C f bervariasi Pengujian akan dilakukan dengan mengubah nilai C f dari 3.5mF-1mF. Dari pengujian yang dilakukan didapakan data dengan rincian pada tabel 2. Tabel 2. Hasil rating VSI dengan ukuran C f bervariasi NO C f (mf) I VSI (A) Rating VSI (VA) 1 3, , , , , , ,1 1749, , ,97 Nilai rating VSI ini didapatkan dengan mengamati perubahan nilai I VSI pada tiap perubahan C f. Selanjutnya nilai I VSI akan digunakan untuk menghitung rating VSI sesuai dengan persamaan (2). Dari hasil pengujian ini dapat dibuat kurva rating VSI sebagai fungsi dari nilai C f seperti pada gambar 17. S VSI (VA) IV. ESIMPULAN 1. Output kapasitor (C f ) yang digunakan pada sistem LCI konvensional berukuran cukup besar, hal ini diakibatkan nlai C f pada sistem LCI onvensional proporsional dengan kapasitas motor induksi. Namun sistem Hybrid Converter terbukti dapat menurunkan nilai C f dari 4.9mF menjadi 3.5 mf pada sistem Hybrid Converter. 2. Sistem Hybrid Converter dapat memberikan performa motor induksi yang leih baik bila di bandingkan dengan sistem LCI onvensional yaitu bila dilihat pada sisi presentase THD tegangan berkurang dari 4.87% menjadi 4.65% sedangkan THD arus berkurang dari 1.84% menjadi 1.54%. 3. Nilai rating VSI pada Tugas Akhir ini masih cukup besar, hal ini karena belum didapatkannya ukuran C fmax dan sistem pada Tugas Akhir ini berada pada region 2 sehingga belum di dapatkan rating VSI yang paling minimum. 4. Nilai C f yang bervariasi berpengaruh pada rating VSI. Semakin besar nilai C f maka semakin besar pula rating dari VSI. DAFTAR PUSTAA [1]. Sangshin, Toliyat Hamid A, A Hybrid Converter System for High- Performance Large Induction Motor Drives, IEEE Transactions On Energy Conversion, Vol. 2, No. 3, September 25. [2] S.D. Umans and H.L. Hess, Modeling and Analysis of the Wanlass Three Phase Induction Motor Configuration, IEEE Trans. Power App.Syst., Vol. PAS-12, No. 9, pp ,september [3] H.Mok, S..Sul, and Y.Xue, Modulation Strategies for a New SCRbased Induction Motor Drive System witha Wide Ranges, IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 3, No. 6,pp , Nov./Dec [4] Barry. W. Williams, Principles and Element of Power Electronics Devices, Drivers, Applications and Passive Component, 25. [5]. Sangshin, Toliyat Hamid A, Parallelized Inverters Configuration with Current and Voltage Sources for High Power Applications, IEEE Transactions On Energy Conversion Cf (mf) Gambar 17. urva rating VSI sebagai fungsi dari nilai C f