Analisis Kinerja Motor Arus Searah Dengan Menggunakan Sistem Kendali Modulasi Lebar Pulsa Sudirman S.* ABSTRACT This paper aim to analysed.c.motor performance by using Pulse Width Modulation ( PWM). Output DC motor equal to 5 HP. Analysis done by using simulation of program PSPICE version 7 in condition of motor in a state of dynamic. Result of research indicates that operation of speed of d.c.motor to 4 pulse with fickle modulation index is obtained by powefactor between 0,72-0,81. Hereinafter by adding pulse from 4 to become 8 per semi cycle at control system PWM can reduce Total Hamonik Distortion ( THD) becomes 0,150,16 and increases power factor between 0,97-0,98 at the same power. ABSTRAK Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis kinerja motor DC dengan menggunakan sistem kendali modulasi lebar pulsa atau Pulse Width Modulation (PWM). Beban motor yang digunakan mempunyai daya sebesar 5 HP. Analisis dilakukan dengan menggunakan simulasi program PSPICE versi 7dalam kondisi motor dalam keadaan dinamis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa pengendalian kecepatan motor DC untuk kendali PWM 4 pulsa dengan indeks modulasi yang berubah-ubah diperoleh faktor kerja antara 0,72 0,81. Selanjutnya dengan menambah pulsa dari 4 menjadi 8 pulsa per setengah siklus pada sistem kendali PWM dapa tmenurunkan Total Hamonik Distortion (THD) menjadi 0,15-0,16 dan meningkatkan faktor kerja motor antara 0,97-0,98 pada daya yang sama. Kata Kunci: PWM, FaktorKerja, THD
Motor-motor arus searah atau Direct Current (DC) mempunyai beberapa karakteristik yang telah digunakan dalam sistem pengendalian penggerak kecepatan motor. Motor DC dapat memberikan torsi starting yang tinggi dan juga memungkinkan diperoleh pengendalian kecepatan dalam jangkauan (range) yang lebih luas. Motor DC telah memainkan peranan yang sangat signifikan dalam industri modern, seperti penggunaan motor DC seri dan motor DC penguatan terpisah dalam penggerak kecepatan yang berubah-ubah. Saat ini kombinasi motor arus searah atau Direct Current (DC) dan pengontrolah DC telah mendominsi konfigurasi sistem penggerak peralatan listrik. Dengan adanya penggunaan thyristor sebagai pengganti dioda pada konverter AC DC atau lebih dikenal penyearah terkendali (rectifier controlled), maka akan diperoleh output tegangan yang berubah-ubah yang dapat digunakan untuk mengendalikan kecepatan motor listrik DC. Untuk mendapatkan output tegangan yang berubah-ubah, dapat diperoleh dengan mengontrol sudut delay atau sudut pengapian (firing) dari thyristor pada penyearah terkendali. Thyristor kontrol phasa dihidupkan dengan pulsa pendek pada gerbangnya dan dimatikan melalui komutasi natural atau komutasi line. Demikian juga power faktor dari konverter kontrol phasa bergantung pada sudut delay (), dan biasanya rendah terutama pada level tegangan rendah, bahkan akan menghasilkan harmonisa pada sisi sumber. Berbagai metode teknik komutasi telah dikembangkan untuk meningkatkan power faktor daya masukan dan level harmonisa, seperti komutasi paksa, kontrol sudut pengapian, dan kontrol sudut simetris. Akan tetapi, semua teknik ini hanya akan menghasilkan satu pulsa per setengah siklus dari arus masukan konverter, dan akibatnya harmonisa dengan orde terendah adalah harmonisa ketiga. Dalam praktek sangat sulit untuk melakukan penapisan arus harmonisa orde rendah (Rasyid, M, 19993). Suatu metoda pengendalian Modulasi Lebar Pulsa atau Pulse Width Modulation (PWM) telah dikembangkan dan diaplikasikan pada konverter. Sistem kontrol PWM ini dinyalakan dan dimatikan beberapa kali setiap setengah siklus dan tegangan keluaran dikendalikan dengan mengubah-ubah lebar pulsanya. Metode ini telah dikembangkan oleh Plunkett, A.B(1979), dengan membuat inverter transistor Pulse Width Modulation (PWM) untuk mengurangi output arus puncak. Sebelumnya Brod, D.M,(1985) telah mengembangkan sistem inverter PWM-VSI dengan pengontrol arus. Sistem ini menggunakan kontrol perbandingan kesalahan arus dengan gelombang segitiga untuk menghasilkan signal pengapian pada inverter. Selanjutnya Bose, B.K. (1990), telah mengembangkan suatu teknik kontrol arus adaptif hysterisis-band Voltage-Fed PWM Inverter pada sistem penggerak mesin AC. Sistem ini telah menjadi populer dan digunakan dalam industri karena mempunyai respons yang lebih cepat dan dapat membatasi arus puncak devais secara otomatis. Namun demikian, walaupun perkembangan di masa mendatang penggerak motor AC lebih banyak digunakan, tetapi dalam aplikasi tertentu motor DC tetap digunakan dalam industri, seperti beban traksi, dll
II. Metode Penelitian Metode yang digunakan dalam penelitan ini adalah melakukan simulasi sesuai dengan dengan tahapan-tahapan sebagai berikut: 1. Membuat penyearah dengan sistem kendali PWM 4 pulsa dengan beban motor DC 5 HP. 2. MelakukansimulasiPSPICE denganindeksmodulasi yang bervariasi. 3. Melakukananalisis THD dan factor kerja penyearah sesuai dengan pengendalian motor DC yang dilakukan dalam simulasi. 4. Melakukan perubahan system kendali dengan menambah pulsa menjadi 8 pulsa. 5. Melakukan langkah kerja seperti langkah no. 2 dan 3. 1. DesainPerangkat Keras - DesainPembangkit Pulse Width Modulation (PWM) Ada dua tipe system kendali yang digunakan untuk merubah keluaran konverter, yaitu Pulse Width Modulation (PWM) dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Jumlah pulsa per setengah siklus umumnya dalam range 1 sampai 15. Dalam penelitian ini digunakan system kendali SPWM.Teori dasar untuk mendapatkan pemicuan SPWM dilakukan dengan membandingkan signal sinusoidal (v r ) dengan signal carrier (v c ) seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 1 Gambar 1 Kontrol Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) Lebar pulsa dapat dirubah dengan merubah-rubah tegangan carrier (v c ). Teknik ini dapat diimplementasikan dengan menggunakan sebuah op-amp yang berfungsi sebagai komparator atau pembanding antara signal v r dan signal v c. Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan pemicuan SPWM, adalah: 1. Perbandingan antara frekuensi gelombang segitiga dan level tegangan dilambangkan dengan m f (diambil m f = 4) t t t
2. Perbandingan antara tegangan sinus dan gelombang segitiga (dilambangkan m a ) harus <1 untuk menjaga agar tidak terjadi overmodulation, yakni kondisi dimana level tegangan sinusoidal melebihi amplitudo gelombang segitiga. Adapun Gambar rangkaian SPWM dapat dilihat pada Gambar 2. 10 9 3 2 5 Vs = Vm sin fct 6 7 8 1 Pulsa Gate 0 4 Gambar2RangkaianPembangkit Sinusoidal Pulse width modulation (SPWM) B. Desain Perangkat Lunak Desain perangkat lunak menggunakan program PSIPCE. Teknik pembuatan Listing PSPICE digunakan sistem Netlist seperti diagram alur berikut ini: Gambar 3. Urutan Struktur Pembuatan PSPICE C. Teknik Analisis Data Sesuai dengan tujuan penelitian ini dan berdasarkan pengumpulan data, maka akan dilakukan analisis data berdasarkan kajian statistik deskriptif berupa nilai persentase
dan mencari harga rata-rata sesuai dengan hasil simulasi dari penyearah terkendali 3 phasa, diantaranya arus keluaran, pengaturan tegangan input, dan Total Distorsi Harmonik (THD). Adapun persamaannya sebagai berikut: THD n 2 X n X 1 1 / 2 dimana : X 1 adalah nilai rms komponen dasar X n adalah nilai rms harmonisa ke n Selanjutnya dicari power faktor sesuai rumus berikut ini: 1 PF 1THD 2 1/ 2 III. Hasil dan Pembahasan A. HasilPenelitian cos 1. SistemKendali PWM 4 pulsa a. PengujianBentukGelombangArus dan TeganganMasukan Dalam sistem kendali PWM, pengaturan tegangan dilakukan dengan memotongmotong gelombang sinus arus masukan seperti yang terlihat dalam Gambar 4. Gambar 4 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan untuk sistem PWM b. Pengujian Bentuk Gelombang Arus Jangkar dan Perubahan Tegangan Input
Untuk pengujian bentuk gelombang arus jangkar harus mengacu pada arus nominal seperti yang tertera pada data-data motor. Dalam hal ini data motor yang akan diuji mempunyai arus nominal 18,3 Volt dengan tegangan jangkar 240 Volt. Adapun bentuk gelombang arus dan tegangan jangkar pada system kendali PWM dengan indeks modulasi 0,4, dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5 Bentuk gelombang arus jangkar dengan sistem PWM pada indeks modulasi (mf) 0,4 Dari hasil pengaturan sistem kendali PWM dengan indeks modulasi 0,4 diperoleh perubahan tegangan sebesar 230,636 volt dengan arus jangkar sebesar 20,134 ampere. c. Perubahan Arus Jangkar Pada Penyearah PWM Perubahan tegangan input untuk penyearah PWM dapat dilakukan dengan mengubah-ubah indeks modulasi (mf). Hasil pengukuran perubahan indeks modulasi dari sistem kendali ini dapat dilihat dalam Tabel 1. Tabel 1. Pengukuran tegangan input, arus jangkar, tegangan jangkar dan daya keluaran dengan pengaturan indeks modulasi (4 pulsa) IndeksModulasi Tegangan Input (Vt) ArusJangkar (Ia) Tegangan Jangkar Ea = Vt (Ia.Ra) Daya Output Konverter Po = Vt x Ia (mf) Volt Ampere Volt kw 0,2 244,305 23,311 239,64 5,694 0,3 236.240 21,369 231,966 5,048 0,4 230,636 20,134 226,609 4,642 0,5 226,128 19,175 222,293 4,336 0,6 222,246 18,435 218,559 4,097 0,7 220,102 17,885 216,525 3,936 0,8 219,612 17,551 216,101 3,854 0,9 219,203 17,312 215,74 3,796
Tegangan jangkar Sudirman S., Analisis Kinerja Motor Arus Searah dengan menggunakan sistem kendali modulasi lebar pulsa 10 219,114 17,215 215,671 3,772 Hubungan antara perubahan indeks modulasi terhadap arus dan tegangan jangkar dapat dilihat pada Gambar 6. Hubungan perubahan indeks modulasi terhadap perubahan arus dan tegangan jangkar 300 250 200 150 100 50 0 23,3 21,4 20,1 19,2 18,4 17,9 17,6 17,3 17,2 Arus Jangkar Gambar 6.Grafik perubahan arus dan tegangan jangkar terhadap indeks modulasi d. Analisis Perubahan Kecepatan Motor Perubahan Sudut Penyalaan Tabel 2 Perubahan kecepatan untuk penyearah PWM Tegangan Jangkar Nominal (Ea1) Putaran Nominal (n1) Perubahan Tegangan Jangkar (Ea2) Perubahan putaran Ea 2 n2 x n1 Ea Alpha Volt Rpm Volt Rpm 0,2 240 2500 239,64 2496,25 0,3 240 2500 231,966 2416,31 0,4 240 2500 226,609 2360,51 0,5 240 2500 222,293 2315,55 0,6 240 2500 218,559 2276,65 0,7 240 2500 216,525 2255,46 0,8 240 2500 216,101 2251,05 0,9 240 2500 215,74 2247,29 10 240 2500 215,671 2246,57 1 e. Analisis Total Distorsi Harmonik Dan Faktor Kerja Dari Tabel 3 terlihat bahwa pada pengaturan indeks modulasi pada penyearah PWM akan mengakibatkan perubahan daya keluaran atau perubahan arus jangkar. Apabila indeks modulasi diperbesar, maka akan mengakibatkan perubahan input
tegangan, dan faktor kerjanya juga naik. Adapun nilai THD dan faktor kerja dengan hasil pengaturan indeks modulasi yang bevariasi dapat dilihat dalam Tabel 3. Tabel 3 Hasil pengaturan indeks modulasi untuk mendapatkan daya yang sama dengan sistem kendali PWM Indeks Daya Keluaran Sudut THD PF Modulasi (mf) (kw) Perpindahan Input 0,450 4,459-16,9 0,63 0,81 0,465 4,421-17,11 0,63 0,81 0,470 4,407-17,17 0,63 0,81 0,477 4,373-17,45 0,64 0,80 0,52 4,279-18,25 0,64 0,79 0,64 3,936-20,94 0,65 0,78 0,99 3,560-26,69 0,71 0,72 Sedangkan bentuk spectrum harmonik yang terjadi pada input tegangan dapat dlihat pada Gambar 7. Gambar 7 Bentuk Spektrum Harmonik arus Masukan pada penyearah PWM untuk 4 pulsa 2. Sistem Kendali 8 Pulsa a. Pengaturan input tegangan dengan menggunakan 8 pulsa Salah satu kelebihan penyearah PWM dibanding dengan penyearah lain, yakni faktor kerja dari penyearah PWM dapat ditingkatkan dengan menambah pulsanya per setengah siklus. Bentuk gelombang dari sistem kendali PWM dengan 8 pulsa dapat dilihat pada Gambar 8.
Gambar 8 Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan pada system kendali PWM dengan 8 pulsa Selanjutnya dengan cara yang sama seperti system kendali 4 pulsa, maka pengaturan indeks modulasi dilakukan untuk mendapatkan variasi input tegangan yang dapat digunakan untuk mengendalikan kecepatan motor. Hasil pengaturan indeks modulasi yang berubah-ubah untuk system kendali 8 pulsa dapat dilihat dalam Tabel 4. Tabel 4.Hasil pengaturan indeks modulasi untuk mendapatkan daya yang sama dengan sistem PWM 8 pulsa Indeks Modulasi Daya Keluaran Sudut THD Input PF (mf) (kw) Perpindahan 0,34 4,105-9,9 0,15 0,97 0,35 4,075-9,5 0,15 0,97 0,36 4,05-9,16 0,15 0,97 0,37 3,971-8.81 0,148 0,98 0,375 3,905-8,64 0,147 0,98 0,39 3,815-8,14 0,144 0,98 0,51 3,257-4,24 0,196 0,98 0,63 2,875-2,18 0,277 0,96 0,8 2,455-0,37 0,41 0,93 Sedangkan perbandingan input THD dan PF antara pengaturan 4 pulsa dan 8 pulsa dapat dilihat dalam Tabel 5. Tabel 5 Perbandingan input THD dan PF antara PWM 4 pulsa dan PWM 8 pulsa PWM 4 Pulsa PWM 8 pulsa Daya Indeks Input PF Daya Indeks Input PF Keluaran Modulasi THD Keluaran Modulasi THD 4,403 0,450 0,63 0,81 4,403 0,32 0,16 0,97 4,354 0,465 0,63 0,81 4,354 0,33 0,16 0,97 4,341 0,470 0,63 0,81 4,341 0,333 0,16 0,97 4,307 0,477 0,64 0,80 4,307 0,337 0,159 0,97 4,215 0,52 0,64 0,79 4,215 0,35 0,15 0,97 3,878 0,64 0,65 0,78 3,878 0,41 0,15 0,98 3,257 0,99 0,71 0,72 3,257 0,47 0,16 0,98
B. Pembahasan Hasil Penelitian Berdasarkan Gambar 6 terlihat bahwa perubahan kecepatan motor pada penyearah PWM sangat halus, dimana perubahan arus jangkar motor hanya berkisar antara 17,215-23,311 Ampere dan perubahan tegangan jangkarnya 239,64 menjadi 215,67 (selisih penurunan tegangan 23,97 volt). Hal ini menunjukkan bahwa pengendalian kecepatan pada penyearah PWM sangat bagus dibanding dengan penyearah lain (penyearah hibrid), Hasil penelitiankurniati, S (2006a dan 2006b), mengungkapkan adanya perbaikan kinerja penyearah terkendali tiga phasa dengan menggunakan filter hibrid. Penggunaan filter hibrid yang dipasang pada penyearah hanya menimbulkan hamonik sebesar 25,51 % sehingga efisiensi penyearah naik menjadi 99,87% dengan faktor kerja 0,95. Namun setelah diujicobakan pada beban motor berbeda hasilnya. Dalam penelitian ini diperoleh peningkatan hamonik yang timbul pada input tegangan sehingga terjadi penurunan faktor kerja sebesar 0,73, bahkan bila sudut penyalaan diperbesar akan menurunkan faktor kerja yang cukup signifikan yakni 0,46. Sementara pada penyearah PWM diperoleh faktor kerja antara 0,72 0,81 indeks modulasi (mf) 4 (Tabel 5.6). Jika indeks modulasi dinaikkan, maka dipreoleh peningkatan faktor kerja antara 0,97 0,98. Hal ini menunjukkan bahwa kinerja dari penyearah PWM lebih baik dibanding dengan penyearah PWM. Keunggulan lain dari PWM dapat dibuat bebeapa pulsa per setengah siklus jika diperoleh penurunan faktor kerja atau peningkatan harmonik pada input tegangan. Jika dibandingkan dengan penyearah hibrid, memang ada beberapa sudut penyalaan yang menunjukkan faktor kerja yang baik, sehingga perlu diperhatikan perubahan sudut delay pada kondisi tetentu. IV. Simpulan dan Saran A. Simpulan 1. Penyearah PWM mempunyai pengaturan yang lebih baik karena dapat dilakukan pengaturan kecepatan motor secara halus serta dapat meredam harmonik yang lebih rendah dengan menaikkan pulsa per setengah siklusnya. 2. Dengan menggunakan beban motor DC 5 HP dalam keadaan dinamis pada penyearah PWM 4 pulsa diperoleh factor kerja sebesar 0,63 0,71, sedangkan pada penyearah PWM 8 pulsa diperoleh kenaikan factor kerja sebesar 0,97 0,98.
DAFTAR RUJUKAN - Brod. D.M. 1985. Current Control of VSI-PWM Inverters. IEEE Transactions on Industry Applications. - Bose, B.K. 1990. An AdaptifHysterisis-Band Current Control Technique of a Voltage-Fed PWM Inverter for Machine Drive System. IEEE Transactions on Industrial Electronics - KurniatiS, dkk. 2006a.Peningkatan Kinerja Penyearah Terkendali Tiga Phasa dengan Menggunakan Filter Hibrid.Laporan Penelitian Dosen Muda. Lembaga Penelitian Undana. - Kurniati S.,dkk. 2006b. Eliminasi Harmonisa Pada Penyearah Terkendali Tiga Phasa Dengan Menggunakan Filter Hibrid. Jurnal Media Exacta Lembaga Penelitian Undana. - Plunkett, A.B. 1979. A Current-Controlled PWM Transistor Inverter Drive. IEEE/IAS Annual Meeting Conference Record. - Rashid, M. 1993. Power Electronics, PrinticeHallI International Inc, New Jersey.