PEMODELAN IMPEDANSI BOCOR PADA MOTOR INDUKSI AKIBAT PENGGUNAAN INVERTER PWM

Transkripsi

1 68 PEMODELAN IMPEDANSI BOCOR PADA MOTOR INDUKSI AKIBAT PENGGUNAAN INVERTER PWM Mochamad Ashari Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Kampus ITS Gedung B dan C Sukolilo Surabaya Telp.(031) , Pes. 1206, 1239, Fax.(031) Abstrak; Paper ini menyajikan teknik pemodelan impedansi bocor pada motor induksi akibat penggunaan inverter Pulse Width Modulation (PWM). Tegangan output inverter yang mengandung harmonisa dengan frekuensi tinggi menyebabkan timbulnya arus listrik yang mengalir melalui bearing menuju ke frame. Hal ini menyebabkan percepatan kerusakan bearing. Pemodelan, analisis dan simulasi arus bocor motor induksi telah dilaksanakan dengan menggunakan 3 komponen utama yaitu kapasitansi antara belitan stator-frame, belitan stator-rotor dan rotor-frame. Besar arus bearing merupakan 27.7% dari total arus yang terakumulasi pada frame. Sekitar 72.2% merupakan arus bocor yang mengalir dari belitan stator menuju ke frame motor dan sisanya adalah arus bocor dari rotor ke frame. 1. PENDAHULUAN Motor induksi jenis rotor sangkar adalah motor arus bolak-balik (AC) yang banyak digunakan sebagai mesin penggerak peralatan, baik diindustri maupun dirumah tangga. Motor jenis ini bekerja pada kecepatan tertentu (konstan) yang tergantung pada frekuensi tegangan supply dan jumlah kutub belitan stator. Untuk mengoperasikan motor induksi pada putaran yang variabel, diperlukan sebuah inverter, yaitu peralatan pencatu tegangan yang frekuensi keluarannya dapat diatur. Inverter dengan teknik Pulse Width Modulation (PWM) banyak digunakan untuk berbagai keperluan di industri misalnya untuk uninterruptible power supply (UPS) [1], [2] dan pengendali motor induksi [7], [8]. Teknik switching PWM adalah teknik mendapatkan lebar pulsa yang proporsional dengan magnitudo sinyal sinusoida. Metode ini fleksibel dan mudah dalam sistem pengontrolan, tetapi tegangan output masih mengandung harmonisa yang cukup signifikan [9]. Penggunaan inverter PWM untuk pengendali motor induksi telah diketahui menyebabkan terjadinya arus bocor yang mengalir dari rotor melalui bearing menuju ke stator/ body [5]. Arus bocor ini menyebabkan percepatan kerusakan pada bearing motor. Dengan adanya aliran arus pada bearing, maka bola-bola dan dudukan bearing akan menjadi panas dan menyebabkan bearing semakin cepat aus. Bearing yang aus akan menimbulkan kerusakan fatal pada motor karena rotor akan bergesekan dengan dinding stator dan seluruh kawat penghantar akan terbakar. Arus bearing disebabkan oleh terjadinya induksi tegangan harmonisa yang dibangkitkan oleh inverter PWM [4]. Tegangan harmonisa akan terinduksi ke rumah belitan pada rotor dan stator. Selanjutnya timbul arus harmonisa yang melewati bearing menuju ke frame. Besar arus bearing tergantung pada jenis motor dan frekuensi switching inverter PWM yang digunakan [3], [6]. Penelitian ini membahas impedansi bocor pada motor induksi yang menyebabkan terjadinya aliran arus melalui bearing akibat digunakannya inverter PWM. Impedansi bocor tersebut dibuat modelnya kemudian dianalisis, disimulasikan dan diverifikasi melalui percobaan di laboratorium. 2. MEKANISME ALIRAN ARUS BEARING Arus bearing yang muncul disebabkan karena munculnya common mode voltage, yaitu tegangan yang terbangkit relatif terhadap titik netral bersama. Apabila sistem inverter motor saling ketanahkan maka arus I G akan mengalir seperti terlihat pada gambar 1 dan 2. Gambar 1. Sistem inverter - motor

2 69 Gambar 3 menunjukkan impedansi kopling (bocor) pada bagian stator dan rotor motor induksi. Gambar 2. Common Mode Voltage Pada Sistem Inverter Motor Tiga Fasa Gambar 2 menunjukkan sistem motor yang disuplai oleh PWM inverter tiga fasa. Common mode voltage diukur relatif terhadap bus negatif DC O, sehingga common mode voltage merupakan input dari belitan-belitan tiga fasa motor induksi. Mekanisme aliran arus bocor I G dapat dijelaskan berdasarkan Gambar 2 bagian atas. Sumber tegangan yang berasal dari jala-jala mula-mula dikonversikan melalui sebuah transformator 3 fasa yang digambarkan dengan suatu induktor. Selanjutnya konverter variabel frekuensi (inverter) menyuplai motor dengan tegangan PWM. Karena tegangan PWM banyak mengandung harmonisa dengan frekuensi tinggi, maka impedansi bocor, dalam hal ini adalah kapasitansi kopling, akan bernilai rendah sesuai dengan persamaan (1). 1 X C = (1) 2πfC Selanjutnya terjadilah aliran arus bocor atau arus harmonisa pada ground (I G ) yang mengalir dari inverter melalui kapasitansi bocor pada motor dan kembali ke inverter. Pada kondisi normal dimana tegangan suplai berupa sinusoida 50 Hz, maka arus bocor yang mengalir akan bernilai sangat kecil. Sebaliknya pada tegangan harmonisa yang mempunyai frekuensi beberapa puluh kali lipat diatas 50 Hz, impedansi bocor akan bernilai sangat kecil, dengan demikian arus bocor yang mengalir menjadi semakin besar. Arus I G pada Gambar 2 merupakan arus total yang mengalir melalui impedansi bocor keseluruhan motor induksi. Arus ini merupakan jumlahan arus bocor yang mengalir melalui stator dan rotor. 3. PEMODELAN IMPEDANSI BOCOR Keterangan: Cws adalah kapasitif coupling antara belitan stator dan frame Cwr adalah kapasitif coupling antara belitan stator dan rotor Cg adalah kapasitif coupling antara stator dan rotor Gambar 3. Aliran arus bocor dan impedansi kopling pada stator, rotor Dari Gambar 3, kapasitansi bocor dapat digolongkan menjadi: kapasitif coupling antara belitan stator dan frame disebut C ws kapasitif coupling antara belitan stator dan rotor disebut C wr kapasitif coupling antara frame dan rotor disebut C g Ketiga kapasitansi tersebut dapat digambarkan dalam bentuk rangkaian listrik satu fasa seperti terlihat pada Gambar 4. Titik a adalah belitan stator per fasa yang akan dihubungkan dengan output inverter. Stator (frame) dan rotor merupakan bus tempat mengalirnya arus. Common mode voltage diperoleh antara tegangan output inverter dan bus dc (o) sebagai referensi. Common mode voltage fasa A pada terminal input adalah V a0. Dan parasitic coupling capasitance dari belitan diwakili oleh C ws dan C wr, dan juga C g yang merupakan kapasitansi gap (celah) udara. Rangkaian tertutup (close loop) akan terbentuk apabila frame inverter dan frame motor diketanahkan kedua-duanya. Arus listrik akan mengalir melalui impedansi Z in. Impedansi Z in adalah impedansi internal dari common mode voltage V ao. Berdasarkan rangkaian ekivalen diatas, arus bearing I brg bisa diketahui sebagai arus total dari semua C wr yang mengalir melewati model bearing B menuju ke grounding stator. Proses yang diuraikan sebelumnya juga berlaku untuk fasa B dan fasa C, common mode voltage V bo dan V co.

3 70 Dengan demikian tegangan yang terbangkit pada rotor akan mengalir melalui kedua rangkaian paralel tersebut. Bearing dimodelkan dengan switch B yang didalamnya meliputi induktansi internal L B dan resistansi R B. Kapasitansi C g berharga sangat kecil sehingga dapat diabaikan. Model lengkap kapasitansi bocor suatu sistem inverter-motor disajikan pada Gambar SIMULASI, PENGUKURAN DAN ANALISIS Gambar 4. Impedansi kopling satu fasa Rotor akan terbangkit tegangan akibat adanya kapasitansi antara belitan stator ke rotor (C wr ). Rotor juga terhubung dengan 2 buah rangkaian paralel, yaitu impedansi bearing dan kapasitansi antara frame-rotor (C g ). Rangkaian ini dapat diilustrasikan seperti pada Gambar EFEK ARUS BEARING Efek adanya arus bearing terhadap bolabola dan alur (dudukan) diperlihatkan pada Gambar 7. Akibat terkena temperatur tinggi secara terus menerus, bola-bola besi berubah warna. Hal ini merupakan indikasi awal sebelum terjadinya keausan pada bola-bola besi tersebut. Pada alur bola, terlihat bahwa telah terjadi keausan yang cukup dalam, yang akan menyebabkan celah udara motor menjadi tidak simetris. Pada kasus yang lebih parah, bola-bola besi dapat keluar dari dudukan sehingga rotor akan bergesekan dengan dinding inti stator. Gambar 5. Model impedansi bearing Gambar 7. Bola dan dudukan pada bearing Efek adanya arus bearing terhadap temperatur bearing ditunjukkan pada Tabel 1. Simulasi ini menggunakan dua buah bearing masing-masing berdiameter luar 4.1 cm dan 6.2 cm yang dialiri arus listrik pada beberapa harga efktif (rms) dengan frekuensi 50 Hz. Pada kondisi sebenarnya, arus yang mengalir bukan pada 50 Hz melainkan frekuensi yang lebih tinggi. Tetapi efek yang ditimbulkan tidak jauh berbeda yaitu naiknya temperatur akibat adanya rugi-rugi pada resistansi bearing. Gambar 6. Model impedansi bocor sistem invertermotor

4 71 Tabel 1. Temperatur fungsi arus bearing Temperature pada bearing Φ 4.1cm ( o C) Temperature pada bearing Φ 6.2cm ( o C) No. Arus bearing (Amper) Gambar 8. Motor induksi yang digunakan adalah motor dengan tegangan rendah 4 pole. Dua parameter utama yang sring digunakan dalam perhitungan adalah C ws dan C wr, sedangkan C g dan C B (kapasitansi bearing) dapat diabaikan PENENTUAN HARGA PARAMETER Impedansi Urutan Nol (R in dan L in ). Impedansi urutan nol dari tegangan common mode merupakan jumlahan dari 1/3 resistansi rotor dan 1/3 kapasitansi bocor stator. Pengukuran dapat dilakukan dengan menggunakan LCR meter. Pengukuran dilakukan dengan cara menggabungkan 3 terminal input dan mengukurnya terhadap frame. Nilai parameter untuk suatu tipe motor tegangan rendah 4 pole dengan rating 15 kw diperoleh 59.8Ω dan 300μH. Kapasitansi kopling (C ws, C wr, C g ). Pengukuran kapasitansi kopling dapat dilakukan secara langsung dengan menggunakan LCR meter. Pengukuran C ws dilakukan dengan mengukur terminal belitan stator dan frame. Cara yang sama dapat dilakukan untuk pengukuran kapasitansi belitan stator ke rotor maupun frame ke rotor. Sebaliknya estimasi perhitungan dapat dilakukan dengan beberapa cara pendekatan. Estimasi penentuan kapasitansi belitan stator ke frame (C ws ) dilakukan dengan mempertimbangkan ukuran slot dan ketebalan dielektrik konduktor. Metode perhitungan yang lebih detail dapat dilihat pda Doyle [10]. Nilai beberapa parameter berdasarkan perhitungan untuk motor 4 pole tegangan rendah dengan rating daya 15 hp diberikan pada Tabel 2. Tabel 2. Kapasitansi kopling tipikal motor Kapasitansi Kopling Nilai kapasitansi Cws (belitan stator ke frame) Cwr (belitan stator ke rotor) Cg (rotor ke frame atau celah udara) pf 100 pf 1100 pf Bearing (R B, L B, C B ). Parameter bearing yang cukup signifikan dalam menentukan nilai arus adalah resistansi dan induktansi. Nilai kapasitansi pada umumnya kecil dan dapat diabaikan. Namun demikian dalam beberapa kasus nilai kapasitansi tetap diperhitungkan. Perhitungan untuk menentukan kapasitansi bearing dilakukan dengan mempertimbangkan spasi ruangan dan bola-bola Secara umum harga-harga kapasitansi kopling sebagai fungsi rating daya motor ditunjukkan pada Gambar 8. Harga parameter motor induksi berdasarkan kapasitasnya 4.3. HASIL SIMULASI Parameter-parameter yang digunakan pada simulasi disesuaikan dengan peralatan yang ada di laboratorium: Input inverter sumber tegangan DC, Vdc = 2 x 115 volt 115 Tegangan output inverter = volt, 50 Hz 2 Halfbridge dengan 2 buah IGBT Pembangkit pulsa switching sebagai trigger pada IGBT, yaitu : o PWM generator dengan frekuensi carrier 3,3 khz, o Index modulasi 0,8 o frekuensi dasar 50 Hz Sampling waktu ts=5e-06 detik Metode switching adalah sinusoida PWM jenis bi-polar Nilai-nilai kapasitansi kopling ditentukan dengan mempertimbangkan rating daya motor yang dipakai dalam testing di laboratorium serta berdasarkan data-data dari literatur. Parameterparameter untuk simulasi dipilih sebagai berikut: o Impedansi urutan no, R in =58.9 Ohm, L in = 300uH. o Kapasitansi kopling belitan stator ke frame, C ws = pf o Kapasitansi kopling belitan stator ke rotor, C wr = 100 pf o Kapasitansi kopling rotor ke frame, Cg = 1100 pf o Impedansi bearing, R = 30 ohm, L B =300 uf Rangkaian simulasi sistem inverter-motor ditunjukkan pada Gambar 9.

5 72 Gambar 11. Spektrum tegangan output inverter Gambar 12 menunjukkan bentuk gelombang arus dan tegangan yang mengalir melalui bearing. Arus puncak mencapai 0.40 ampere dengan harga efektif sebesar ampere. Gambar 9. Rangkaian simulasi sistem inverter-motor Bentuk gelombang tegangan output inverter dari simulasi dan pengukuran dilaboratorium ditunjukkan pada Gambar 10. Terlihat bahwa kedua bentuk gelombang tersebut hampir sama, dimana tegangan peak-to-peak adalah 2x115 volt. Bentuk PWM berupa bipolar, yaitu tegangan output inverter terbagi menjadi 2 polaritas yaitu +115 volt dan -115 volt. Gambar 12. Bentuk gelombang arus dan tegangan bearing Arus ground dari simulasi dan pengukuran ditunjukkan pada Gambar 13. Harga peak masingmasing arus disajikan pada Tabel 3. (a) (a) V NO 100 V/div (b) Gambar 10. Tegangan Output Inverter dari simulasi (a) dan pengukuran. (b) Spektrum harmonisa tegangan output inverter ditunjukkan pada Gambar 11. Harmonisa terbesar muncul pada frekuensi carrier sebesar 3.3 khz. (b) Gambar 13. Bentuk gelombang arus ground I g dari simulasi (a) dan pengukuran (b) Tabel 3. Arus peak Parameter Arus Peak % thd Itotal Iws ± 0,61 A ± 72,25 Ig ± 0,002 A ± 0,24 Ib ± 0,22 A ± 26,67 Itotal ± 0,83 A ± 99,16

6 73 5. KESIMPULAN Pemodelan impedansi bocor pada motor induksi akibat digunakannya inverter telah dipaparkan pada penelitian ini. Model matematis yang telah dikembangkan kemudian disimulasikan menggunakan software Matlab. Beberapa pengukuran dilaboratorium juga telah dilakukan yang menghasilkan data-data untuk memverifikasi adanya gejala arus bocor yang telah dimodelkan. Arus bocor total yang terkumpul pada frame motor merupakan jumlahan dari beberapa komponen yaitu arus bocor dari belitan stator, dari arus bearing dan arus bocor dari rotor. Arus bocor dari belitan ke frame merupakan komponen terbesar yaitu sebesar 72.2% dari arus bocor total, arus bearing sebesar 27.7% dan sisanya adalah arus bocor dari rotor ke frame. Arus total ini akan mengalir kembali menuju ke frame inverter melalui impedansi urutan nol. 6. DAFTAR PUSTAKA [1] Ashari, M., C.V. Nayar and S. Islam, An Improved Uninterruptible Power Supply System, Proceeding of 9 th International Conference on Harmonics and Quality of Power, vol. 2, 1-4 October 2000, University of Florida, USA, pp [2] Ashari, M., W.W.L. Keerthipala and C.V. Nayar, A Single Phase Parallely Connected Uninterruptible Power Supply/ Demand Side Management System, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 15, No. 1, March 2000, pp [3] Busse, D.; Erdman, J.; Kerkman, R.J.; Schlegel, D.; Skibinski, G., Bearing currents and their relationship to PWM drives, Power Electronics, IEEE Transactions on, Volume: 12 Issue: 2, Mar 1997, Page(s): [4] Chen, S.; Lipo, T.A.; Fitzgerald, D., Source of induction motor bearing currents caused by PWM inverters, Energy Conversion, IEEE Transactions on, Vol. 11 No. 1, Mar 1996, Page(s): [5] Erdman, J.M.; Kerkman, R.J.; Schlegel, D.W.; Skibinski, G.L., Effect of PWM inverters on AC motor bearing currents and shaft voltages, Industry Applications, IEEE Transactions on, Vol. 32 Issue: 2, Mar/Apr 1996, Page(s): [6] Kempski, A.; Strzelecki, R.; Smolenski, R.; Fedyczak, Z., Bearing current path and pulse rate in PWM-inverter-fed induction, Power Electronics Specialists Conference, PESC IEEE 32nd Annual, Vol. 4, 2001, Page(s): [7] W Choi, H.W. Kim and S.K. Sul, New Current Control Concept Minimum Time Current Control in the Three Phase PWM Converter, IEEE Trans. Power Electron., vol. 12, pp , [8] D.C. Lee, S.K. Sul, and M.H. Park, High Performance current regulator for a field-oriented controlled induction motor drive, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol. 30, pp , Sep/ Oct [9] Michael Boost and P.D. Ziogas, "State-of Art Carrier PWM Techniques: A Critical Evaluation", IEEE Transc. on Industry Applicat., vol. 24, no. 2, March/ April 1988, pp [10] Doyle Busse, Jay Erdman, Russel J. Kerkman, Dave Schlegel, and Gary Skibinski, Bearing Currents and Their Relationship to PWM Drives, proceedings of IEEE IECON, November 1995, Orlando. 7. UCAPAN TERIMA KASIH Penulis menyampaikan terima kasih kepada: Sdr. Asyhar Fanani, mahasiswa Teknik Elektro yang telah menyiapkan dan membantu pelaksanaan pengukuran sistem inverter motor di Laboratorium Konversi Energi. Sdr. Supeno, teknisi Lab. Pengukuran Listrik yang telah menyiapkan dan membantu melakukan pengukuran temperatur bearing. 8. BIOGRAFI Mochamad Ashari memperoleh gelar Insinyur pada tahun 1989 dari Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya. Pada tahun 1997 dan 2001, dia menyelesaikan studinya untuk program S 2 (M.Eng) dan S 3 (PhD) dalam bidang Electrical Engineering dari Curtin University of Technology, Australia. Pada tahun 2001 dia menjadi research fellow pada Centre for Renewable Energy and Sustainable Technologies Australia (CRESTA), Curtin University. Dr. Ashari bergabung dengan ITS sejak tahun 1989 sebagai staf pengajar di Jurusan Teknik Elektro. Proyek industri yang aktif dikerjakan meliputi studi/ perencanaan filter harmonisa, perbaikan power factor, koordinasi relay dan sistem integrasi kelistrikan. Topik riset yang aktif dikerjakan meliputi power elektronik untuk industri, power konverter, power quality dan pemanfaatan energi terbarukan.