BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Perkembangan elektronika daya telah membuat inverter menjadi bagian yang tidak terpisahkan dari mesin-mesin listrik AC. Penggunaan inverter sebagai sumber untuk mesin-mesin listrik AC telah membuat kendali mesin-mesin listrik AC menjadi lebih mudah. Dengan cara mengubah sumber DC menjadi sumber AC melalui proses penyakelaran, keluaran inverter lebih mudah untuk diatur baik frekuensi, pergeseran fasa maupun ampltudo-nya. Selain itu, jumlah fasa keluaran inverter dapat dibuat berapapun dengan cara mengatur jumlah lengannya. Hal ini membuat belitan mesin listrik tidaklah harus tiga fasa sehingga lahirlah konsep mesin multifasa yaitu mesin dengan jumlah belitan lebih dari tiga fasa. Munculnya ide mesin dengan jumlah fasa lebih dari tiga berawal dari beberapa kekurangan yang terdapat pada mesin tiga fasa itu sendiri. Pada saat teknologi PWM (Pulse Width Modulation) belum berkembang, salah satu permasalahan mesin tiga fasa yang dicatu oleh inverter enam pulsa adalah munculnya riak torka frekuensi rendah. Karena frekuensi terendah komponen harmonisa riak torka pada mesin n-fasa disebabkan oleh harmonisa waktu sumber dengan orde 2n ± 1 maka meningkatkan jumlah fasa adalah solusi terbaik untuk masalah ini. Berikut adalah beberapa keuntungan dari sistem penggerak multifasa dibandingkan dengan tiga fasa [1], yaitu 1. Berkurangnya amplitudo dan naiknya frekuensi riak torka 2. Berkurangnya rugi-rugi harmonisa rotor 3. Meningkatnya keandalan karena mesin masih mampu untuk diasut walaupun kehilangan eksitasi pada salah satu belitan fasanya 4. Berkurangnya arus fasa inverter sehingga pada aplikasi daya besar, sakelar tidak harus diparalel dan dengan demikian meningkatkan keandalan 5. Toleransi terhadap gangguan yang lebih baik. 1
2 Dengan kelebihan-kelebihan ini, mesin multifasa biasanya digunakan pada aplikasi-aplikasi daya besar dan faktor keselamatan yang tinggi diantaranya adalah pada aplikasi propulsi listrik kapal laut, lokomotif, aplikasi industri dengan daya besar, kendaraan hibrid serta pesawat terbang. Sumber catu daya untuk mesin multifasa diperoleh dari inverter multifasa. Penelitian mengenai inverter multifasa, mulai dari design sampai teknik kendali, telah banyak dilakukan. Salah satu topik penelitian yang sering dilakukan adalah teknik modulasi inverter multifasa untuk mengatur proses penyakelaran sehingga keluaran inverter sesuai dengan yang diharapkan. Teknik modulasi yang sering digunakan adalah carrier-based PWM. Dari segi konsep pembentukan sinyal keluaran modulator, pada dasarnya ada dua cara implementasi carrier-based PWM yaitu metode suboscillation dan modulasi space-vector [2]. Pada metode suboscillation, sinyal keluaran modulator diperoleh dari hasil perbandingan antara sinyal modulasi dengan sinyal carrier (biasanya adalah sinyal segitiga). Teknik ini mudah untuk diimplementasikan karena tidak membutuhkan proses penghitungan yang rumit. Berbeda dengan teknik pertama, sinyal keluaran modulator dengan modulasi space-vector diperoleh dengan cara menghitung lamanya vector-vector yang harus bekerja untuk menghasilkan keluaran yang diharapkan. Titik netral beban inverter biasanya dibuat mengambang sehingga arus urutan nol tidak bisa mengalir. Hal ini memberikan kebebasan dalam menentukan siklus kerja sakelar-sakelar inverter. Pada metode suboscillation hal ini memungkinkan dilakukannya injeksi sinyal urutan nol pada sinyal modulasi sedangkan pada modulasi space-vector adalah kebebasan pembagian kerja dua vector nol. Pemilihan sinyal urutan nol pada metode suboscillation atau pembagian kerja dua vector nol pada modulasi space-vector akan mempengaruhi performa kerja dari inverter yaitu linearitas tegangan (indeks modulasi maksimum), kualitas arus keluaran (riak arus) dan rugi-rugi penyakelaran. Oleh karena itu penelitian mengenai hubungan antara teknik modulasi dengan performa kerja inverter perlu dilakukan.
3 1.2 Studi pustaka Penelitian mengenai teknik modulasi yang paling baik telah banyak dilakukan. Pada kasus inverter tiga fasa teknik modulasi yang paling awal berkembang dan paling mudah diimplementasikan adalah modulasi sinusoidal PWM (SPWM). Gambar 1-1.a memperlihatkan blok diagram teknik ini dan Gambar 1-1.b memperlihatkan sinyal modulasi sinusoidal tiga fasa dengan sinyal segitiga. Dengan syarat bahwa daerah kerja linear adalah sinyal modulasi tidak boleh melebihi sinyal segitiga dan dengan asumsi amplitudo sinyal segitiga adalah satu maka dengan mudah dapat ditentukan dengan bahwa indeks modulasi teknik SPWM adalah satu. Salah satu usaha untuk memperbaiki performa teknik SPWM adalah dengan menginjeksikan sinyal urutan nol yaitu harmonisa ketiga dengan amplitudo 1/6 sinyal fundamental [3]. Dengan injeksi ini indeks modulasi maksimum meningkat 15% persen apabila dibandingkan dengan teknik SPWM. Selain itu riak arus keluaran inverter juga menjadi lebih kecil. Penelitian mengenai sinyal modulasi optimum yang menghasilkan riak arus keluaran minimum telah dilakukan secara analitik[4]. Dari hasil analisis diperoleh bahwa sinyal modulasi optimum untuk inverter tiga fasa dengan riak arus keluaran minimum adalah sinyal modulasi sinusoidal dengan injeksi seperempat harmonisa ketiga. Selain menghasilkan riak arus keluaran minimum, injeksi seperempat harmonisa ketiga juga membuat indeks modulasi maksimum meningkat 12% apabila dibandingkan dengan teknik SPWM. v T r r r v1 v2 v3 (a) (b)
4 Gambar 1-1. (a) Blok diagram S PWM (b) Sinyal modulasi dan sinyal segitiga. Kemajuan teknologi digital membuat teknik modulasi space-vector banyak diimplementasikan pada inverter tiga fasa. Walaupun konsep modulasi spacevector berbeda dengan metode suboscillation, namun modulasi space-vector dapat dicari ekuivalensinya dengan metode suboscillation [5]. Pada inverter tiga fasa, modulasi space-vector mirip dengan metode suboscillation dengan sinyal modulasinya adalah sinyal sinusoidal yang diinjeksi sinyal segitiga dengan frekuensi tiga kali frekuensi sinyal sinusoidal. Dengan demikian, walaupun riak arus keluaran inverter dengan modulasi space-vector lebih kecil dari SPWM, namun masih lebih tinggi dari modulasi sinusoidal dengan injeksi seperempat harmonisa ketiga. Hampir sama dengan modulasi sinusoidal dengan injeksi seperenam harmonisa ketiga, indeks modulasi maksimum modulasi space-vector juga lebih tinggi 15% apabila dibandingkan dengan SPWM. Perbandingan antara ketiga teknik modulasi diatas dengan parameter riak arus keluaran dapat dilihat pada Gambar 1-2 [4]. Konsep SPWM pada tiga fasa dapat dengan mudah dikembangkan untuk sistem N-fasa dengan menambah sinyal modulasi menjadi N-fasa. Sama seperti sebelumnya indeks modulasi maksimum untuk teknik ini juga adalah satu. Untuk meningkatkan indeks modulasi, injeksi harmonisa ke-n juga dapat diterapkan pada sistem multifasa [6]. Namun demikian peningkatan indeks modulasi semakin berkurang seiring dengan bertambahnya jumlah fasa. Konsep modulasi space-vector juga dapat diterapkan pada sistem multifasa. Pada sistem tiga fasa jumlah vector adalah 8 buah dengan 6 vector aktif dan 2 vector nol. Pada sistem multifasa jumlah vector adalah 2 n buah dimana dua diantaranya adalah vector nol. Vector-vector aktif tersebar pada bidang spacevector dengan magnitudo yang berbeda-beda. Beberapa vector memiliki magnitudo yang sama dan membentuk bidang poligon, vector-vector lain dengan magnitudo yang lain membentuk bidang poligon yang lain. Gambar 1-3 memperlihatkan bidang space-vector untuk sistem lima fasa. Dari gambar ini dapat dilihat ada tiga layer bidang dekagon.
5 Riak Arus Keluaran 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 SIN SIN34 SIN36 SVPWM 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 k (modulasi indeks) 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). (a) (b) Gambar 1-3. Vector aktif pada (a) bidang 1 (d-q) dan (b) bidang 2.
6 Berbeda dengan sistem tiga fasa yang hanya memetakan vector-vector pada satu bidang kompleks, sistem multifasa memetakan vector-vector pada (n 1)/2 bidang kompleks (n disini adalah ganjil lebih dari tiga). Misalkan pada sistem lima fasa maka akan terdapat 2 bidang kompleks yang memetakan vector-vector tersebut. Gambar 1-3 (a) merupakan bidang pertama yang berhubungan dengan komponen fundamental sedangkan Gambar 1-3 (b) merupakan bidang kedua yang berhubungan dengan komponen harmonisa orde 2j ± 3 (j = 0,1,2 ) atau salah satunya adalah harmonisa orde tiga. Dari Gambar 1-3 dapat dilihat bahwa dekagon terluar pada bidang pertama menjadi dekagon terdalam pada bidang kedua begitu juga sebaliknya. Implementasi modulasi space-vector yang paling sederhana adalah dengan menggunakan dua buah vector aktif terluar yang merupakan pengembangan langsung dari modulasi space-vector untuk sistem tiga fasa[7]. Keuntungan teknik ini adalah rugi-rugi penyakelaran yang minimum karena dalam satu periode penyakelaran hanya ada enam kali perubahan kondisi sakelar. Selain itu tegangan keluaran maksimum yang dapat dihasilkan 23% lebih tinggi bila dibandingkan dengan SPWM [8]. Namun demikian, dengan melihat pada Gambar 1-3, penggunaan hanya dua buah vector terluar akan membentuk tegangan pada bidang dua. Tegangan ini akan bersuperposisi dengan tegangan pada bidang pertama sehingga keluaran inverter akan terdistorsi dan mengandung harmonisa orde rendah[8]. Untuk menghasilkan keluaran yang sinusoidal maka komponen pada bidang dua harus dibuat nol. Untuk melakukan ini maka dibutuhkan vector lain yang harus digunakan. Secara umum, jumlah vector aktif yang harus digunakan pada modulasi space-vector untuk multifasa adalah (n 1) vector aktif [9]. Jadi pada inverter lima fasa jumlah vector aktif yang harus digunakan adalah empat buah. Pemilihan empat buah vector aktif dapat dilakukan dengan bebas. Pada umumnya empat vector yang digunakan adalah vector-vector yang paling dekat dengan vector referensi[8,9,10,11], namun demikian dapat juga dipilih 4 buah vector terluar[12]. Pada mesin multifasa dengan belitan terkonsentrasi, torka keluaran mesin
7 dapat ditingkatkan dengan menginjeksikan arus harmonisa ketiga [13,14]. Pada metode suboscillation injeksi ini dapat dilakukan dengan mengubah sinyal modulasi inverter dari sinusoidal menjadi sinusoidal ditambah injeksi harmonisa ketiga. Sedangkan pada modulasi space-vector hal ini dapat dilakukan dengan mengatur besar tegangan pada bidang dua[10]. 1.3 Permasalahan dan batasan masalah Permasalahan utama yang dibahas dalam penelitian ini adalah mencari hubungan antara teknik modulasi dengan riak arus keluaran dan masukan yang dihasilkan pada inverter multifasa. Dari paparan sebelumnya diketahui bahwa terdapat banyak teknik modulasi yang telah dikembangkan untuk sistem multifasa. Namun demikian semua teknik modulasi ini dapat dianggap sebagai metode suboscillation dengan sinyal modulasi adalah sinyal fundamental ditambah dengan sinyal injeksi. Sinyal fundamental adalah bentuk tegangan keluaran yang diinginkan (sinusoidal atau sinusoidal ditambah harmonisa ketiga) sedangkan sinyal injeksi adalah sinyal urutan nol yang sesuai dengan teknik modulasi yang bersangkutan (misalnya pada modulasi space-vector sinyal injeksi adalah sinyal segitiga dengan frekuensi n kali frekuensi sinyal fundamental). Dengan demikian dapat dilakukan analisis untuk mencari sinyal modulasi optimum yang menghasilkan riak arus keluaran dan masukan yang minimum dengan menemukan sinyal injeksi yang tepat. Pada umumnya, sumber DC untuk inverter diperoleh dari hasil penyearahan sumber AC yang kemudian difilter dengan menggunakan induktor dan kapasitor. Untuk menentukan besar kapasitor yang digunakan ada dua aspek yang perlu diperhatikan yaitu riak tegangan kapasitor dan yang lebih penting arus yang mengalir pada kapasitor yang menentukan rugi-rugi pada kapasitor dan pada akhirnya menentukan umur kapasitor. Pada dasarnya, arus yang mengalir pada kapasitor adalah riak arus masukan inverter, sehingga analisis riak arus masukan penting untuk dilakukan untuk menentukan rating kapasitor yang harus digunakan.
8 Dalam melakukan analisis ini terdapat beberapa batasan yang harus diperhatikan yaitu 1. Sakelar dianggap ideal 2. Efek dead time diabaikan 3. Frekuensi sinyal carrier jauh lebih tinggi dari sinyal modulasi 4. Beban inverter adalah beban linear dan seimbang 5. Tidak memperhitungkan rugi-rugi penyakelaran. 1.4 Tujuan penelitian Dari permasalahan diatas maka tujuan penelitian yang akan dilakukan adalah: 1. Mencari bentuk gelombang modulasi yang bisa meminimumkan riak sisi AC maupun sisi DC inverter PWM multifasa, pada beban dengan ggl sinusoidal dan nonsinusoidal. 2. Membandingkan riak sisi AC dan sisi DC inverter PWM multifasa pada bermacam bentuk gelombang modulasi. 3. Melakukan percobaan untuk memvalidasi metoda analisis yang digunakan. 1.5 Metode penelitian Biasanya metode yang digunakan untuk menganalisis riak arus adalah dengan menggunakan transformasi fourier yaitu mengubah domain waktu ke domain frekuensi. Penggunaan metode ini untuk mencari nilai rms riak memiliki kelemahan yaitu pada tingkat keakuratannya. Agar hasil analisis semakin akurat maka orde harmonisa yang harus dianalis harus semakin tinggi. Hal ini membuat perhitungan menjadi rumit. Metode lain yang dapat digunakan adalah dengan konsep averaging seperti yang digunakan pada [4]. Dengan menggunakan metode ini, nilai rms riak dapat diperoleh tanpa harus mempertimbangkan jumlah orde harmonisa. Secara umum seluruh bentuk sinyal modulasi dapat didefinisikan sebagai sinyal fundamental ditambah dengan sinyal injeksi. Dengan menggunakan metode averaging dan dengan definisi sinyal modulasi tersebut, pertama-tama dicari
9 persamaan riak arus pada satu periode penyakelaran. Dari persamaan ini kemudian dapat dilakukan minimisasi riak arus keluaran dengan melakukan diferensiasi terhadap sinyal injeksi. Dari sini maka bisa diperoleh sinyal injeksi yang optimum yang dapat meminimumkan riak arus keluaran dan masukan. Nilai rms riak arus dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan riak arus dalam satu periode penyakelaran pada rentang satu periode kerja inverter. Untuk memvalidasi hasil analisis maka dilakukan percobaan. 1.6 Sistematika penulisan Tesis ini disusun menjadi berapa bab. Pada Bab 1 dibahas mengenai Pendahuluan penelitian yang dilakukan. Latar belakang masalah, studi pustaka mengenai penelitian sebelumnya, batasan masalah dan metode penelitian termasuk didalam bab ini. Bab 2 membahas mengenai Analisis Beban pada Sistem Multifasa. Pada bab ini ditunjukan perbedaan mendasar antara sistem multifasa dengan sistem tiga fasa yang akan menentukan analisis selanjutnya. Pada Bab 3, Analisis Riak Arus Keluaran Inverter Multifasa pada Beban terhubung Poligon dipaparkan secara rinci dan komprehensif. Pada Bab 4, Analisis Riak Arus Keluaran Inverter Lima Fasa dilakukan secara lebih menyeluruh untuk berbagai macam teknik modulasi. Bab 5 membahas mengenai Analisis Riak Arus Keluaran Inverter Lima- Fasa pada Beban terhubung Bintang. Analisis Riak Masukan Inverter Lima-Fasa dibahas pada Bab 6. Bab 7 berisi Kesimpulan dan Saran untuk penelitian selanjutnya.