PENGARUH PENGATURAN BOOST CONVERTER TERHADAP TORSI DAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASE ROTOR BELITAN Reza Lendyarto *), Tejo Sukmadi, and Jaka Windarta Departemen Teknik Elektro, Universitas Diponegoro Jl. Prof. Sudharto, SH, Kampus UNDIP Tembalang, Semarang 575, Indonesia *) E-mail: rlendyarto7@gmail.com Abstrak Salah satu metode pengaturan kecepatan yang dapat diterapakan pada motor induksi jenis rotor belitan adalah dengan menambahkan tahanan luar. Karakteristik torsi dan kecepatan yang dihasilkan sesuai dengan pemasangan variabel resistor tiga fase. Pengaturan variabel resistor dilakukan secara mekanik untuk mengubah kecepatan motor. Untuk memudahkan pengaturan kecepatan motor, digunakan rangkaian arus searah yang hanya membutuhkan satu tahanan luar. Tegangan keluaran rotor disearahkan menggunakan penyearah tiga fase dan dihubungkan dengan konverter DC. Penelitian ini dirancang konverter DC topologi boost dengan mode zero voltage switching untuk mengatur kecepatan putar motor. Pensaklaran ZVS terjadi ketika tegangan drain ke source bernilai nol. Hasil pengukuran variasi tahanan luar didapat kecepatan motor pada tegangan 3V sebesar 33-3 rpm dan pada tegangan V adalah 3-5 rpm. Torsi maksimum yang dihasilkan masing- masing sebesar 7,9N.m dan 7,57N.m. Kata kunci: motor induksi rotor belitan, boost converter, zero voltage switching. Abstract One of speed control methods that can be used on the wound rotor induction motor is add external resistor. The torque and speed characteristics produced in accordance with installation of three phase variable resistor. Variable resistor arrangement mechanically to change motor speed. To simple the speed of motor, DC chopper is used which requires only an external resistance. The rotor output voltage is converted to DC by three-phase rectifier and connected to DC converter. The research was aimed to design a boost converter by zero voltage switching to control speed of motor. Zero voltage switching was performed when the voltage between drain to source is zero. The results of measurement of the external resistance variant obtained the motor speed at 3V is 33-3 rpm and at V is 3-5 rpm. The maximum torque generated is each 7,9N.m and 7,57N.m. Keywords: wound rotor induction motor, boost converter, zero voltage switching.. Pendahuluan Salah satu metode pengaturan kecepatan yang dapat diterapakan pada motor induksi jenis rotor belitan adalah dengan menambahkan tahanan luar pada rangkaian rotor[]. Dengan metode tersebut diperlukan penambahan tiga variabel resistor yang dipasang pada rotornya. Karakteristik torsi dan kecepatan yang dihasilkan sesuai dengan yang diperoleh pada pemasangan variabel resistor tiga fase, namun pengaturan variabel resistor dilakukan secara mekanik untuk mengubah kecepatan motor. Semua dapat dibuat melalui kontrol elektronik yaitu dengan cara menggunakan rangkaian konverter DC dan resistor dengan nilai tetap yang sebelumnya telah disearahkan melalui rangkaian penyearah tiga fase[]. Dengan mengatur duty cycle konverter DC maka nilai tegangan dan arus pada rotor dapat diatur, sehingga kecepatan motor dapat dibuat bervariasi. Tegangan keluaran rotor akan disearahkan menggunakan penyearah tiga fase dihubungkan dengan konverter DC. Proses pensaklaran yang digunakan berupa zero voltage switching. Pensaklaran terjadi ketika tegangan pada drain ke source MOSFET bernilai nol[3]. Penelitian yang telah dilakukan sebelumnya[] tentang analisis pengaturan arus rotor menggunakan zvs buck converter, kecepatan putar motor berubah sebesar 5 rpm pada tegangan stator V dengan beban,ω. Torsi cenderung berubah dengan nilai perubahan terbesar adalah,35n.m pada tegangan dan beban yang sama. Penelitian ini dirancang dan direalisasikan modul perangkat keras konverter DC topologi boost mode
TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997, 5 pensaklaran zero voltage switching dengan variasi resistor luar. Modul tersebut digunakan untuk mengatur nilai tahanan yang dipasang pada rotor yang dapat mempengaruhi torsi dan kecepatan motor induksi tiga fase rotor belitan.. Metode Metode penelitian berisikan data spesifikasi motor induksi tiga fasa rotor belitan dan perancangan konverter DC topologi boost dengan mode pensaklaran zero voltage switching. Gambar memperlihatkan blok diagram perancangan perangkat keras. Persamaan dapat ditentukan nilai induktorr resonan Lr sebagai berikut[3]: L R = (πf o ) C R () Besar nilai kapasitor dipilih sebesar 33nF. Nilai induktor resonan yang digunakan dapat dihitung sebagai berikut : L R = (π9) 33 9 L R = 9,µH Skema dari rangkaian perancangan konverter DC dengan zero voltage switching ditunjukkan pada Gambar. Gambar. Blok diagram perancangan alat. Perancangan perangkat keras dibagi menjadi dua blok utama, yaitu blok rangkaian kontrol pemicuan PWM dan rangkaian daya. Gambar. Rangkaian ZVS boost converter... Spesifikasi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis rotor belitan merk Hampden. Modul Hampden seri REM C berisikan modul motor yang disertai dengan modul alat ukut. Motor induksi tiga fase rotor belitan dikopel dengan generator DC. Tabel. Spesifikasi motor induksi tiga fase rotor belitan Parameter Spesifikasi Model REM C Nomor Seri J-3 Tegangan Armatur Arus Armatur /3V,3/,A Rating Kecepatan 5rpm Daya Motor HP Frekuensi 5Hz Rangka 5 Tipe A Kelas Isolasi H Temperatur Maksimal C.. Simulasi Mode Pensaklaran Zero Voltage Switching Frekuensi pesaklaran konverter DC dan frekuensi resonansi ditentukan berdasarkan Persamaan berikut: f o f s () Penelitian ini menggunakan frekuensi pensaklaran 5kHz dan frekuensi resonan sebesar 9kHz. Menggunakan Gambar 3. Simulasi gelombang PWM- VCR. Gambar. Simulasi gelombang PWM- ILR. Simulasi menggunakan software PSIM 9.. gelombang yang diamati berupa tegangan kapasitor resonan dan arus induktor resonan terhadap pemicuan MOSFET sebagai pembanding. Tegangan pada kapasitor resonan akan bernilai nol selama pemicuan MOSFET terjadi. Induktor akan mengisi muatan saat PWM on dan melepaskan muatan saat kondisi PWM off.
TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997, 59.3. Perancangan Rangkaian Penyearah.3. Perancangan Penyearah V Penyearah V digunakan untuk suplai IC TL9 yang membutuhkan tegangan tipikal sebesar 7- V DC[5]. Rangkaian skematik penyearah V dapat dilihat pada Gambar 5 berikut :.. Perancangan Rangkaian Kontrol PWM Rangkaian pemicuan PWM digunakan untuk memicu MOSFET yang digunakan sebagai saklar elektronik pada rangkaian konverter DC. Pada penelitian ini menggunakan IC TL9 sebagai komponen utama dalam pembangkit tegangan pulsa termodulasi. Gambar 5. Rangkaian penyearah V. Tegangan V AC diturunkan menggunakan trafo CT step down V AC kemudian disearahkan dan ditapis oleh kapasitor uf dan masuk IC LM7 sehingga dihasilkan tegangan ±V DC..3. Perancangan Penyearah 5V Penyearah 5V digunakan untuk suplai TLP5[]. Rangkaian skematik penyearah 5V dapat dilihat pada Gambar berikut : Gambar. Rangkaian penyearah 5V. Tegangan V AC diturunkan menggunakan trafo CT step down V AC kemudian disearahkan dan ditapis oleh kapasitor filter uf dan masuk IC LM75 sehingga dihasilkan tegangan ±5V DC. Keluaran LM75 digunakan sebagai masukan LM7 yang output tegangannya digunakan untuk kipas pendingin V..3.3 Perancangan Penyearah Daya Penyearah tiga fase tak terkontrol jembatan penuh digunakan untuk menyearahkan keluaran rotor. Digunakan enam buah dioda pada penyearah tiga fase gelombang penuh tak terkontrol. Gambar. Rangkaian pemicuan TL9. Besar jangkauan frekuensi pemicuan dapat dihitung menggunakan Persamaan 3 sebagai berikut[5]: f sw =, (3) R T.C T Nilai kapasitor CT sebesar nf, maka dapat dihitung nilai resistor RT yang dibutuhkan dengan menggunakan Persamaan 3 sebagai berikut : R T =, () f sw.c T Pada frekuensi maksimal 3 Hz,, R T = 3 x R T = 3Ω Pada frekuensi minimal Hz,, R T = x R T = Ω Karena nilai komponen yang dibutuhkan tidak tersedia di pasaran, dapat ditentukan nilai komponen yang digunakan dalam penyusunan rangkaian yaitu : C T = nf R T = 3,9kΩ R Var = kω.5. Perancangan Rangkaian TLP5 Rangkaian TLP5 digunakan untuk mengisolasi dan menguatkan sinyal dari keluaran PWM (Pulse Width Modulation), tegangan yang dihasilkan PWM dapat dibangkitkan menjadi level tegangan yang sama, lebih rendah maupun lebih tinggi dengan sistem ground terpisah. Gambar 9. Rangkaian TLP5. Gambar 7. Rangkaian penyearah daya.
Kecepatan TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997,.. Perancangan Rangkaian Daya MOSFET aktif. Pensaklaran pada MOSFET terjadi saat tegangan dari drain ke source adalah nol, maka dapat dikatakan proses zero voltage switching pada konverter DC terjadi. Gambar. Skematik ZVS boost converter. Skematik rangkaian daya ZVS boost converter ditunjukkan pada Gambar. Berikut komponen lengkap penyusun rangkaian daya dalam penelitian ini. S = MOSFET IRFP Lb = Induktor,mH Cb = Kapasitor uf/v Db = Dioda SR5 Lr = Induktor uh Cr = Kapasitor milar 33nF 3. Hasil dan Analisa 3.. Pengujian Rangkaian Kontrol Pemicuan Hasil pengujian gelombang pemicuan PWM menunjukkan bentuk pemicuan adalah gelombang kotak dengan Vpp sebesar V. Hal ini dapat dilihat pada Gambar. Gambar 3. Gelombang keluaran Vgs- Ilr. Induktor akan mengisi muatan saat PWM on dan melepaskan muatan saat kondisi PWM off. Pada saat PWM off, MOSFET dalam keadaan tidak aktif atau sambungan dari drain ke source terputus. Energi yang tersimpan di induktor resonan menuju kapasitor resonan. 3.3. Hasil Pengukuran dan Kinerja Motor Induksi 3 Fase Rotor Belitan 3.3. Variasi Tegangan Stator 3V A. Variasi Beban 9Ω Tabel. Data pengukuran variasi R 9Ω Duty Cycle Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) Nr,,97,,7 5,3,5,9,7 5 3 9,,,,73 5 7,, 9,5, 5 5,,5 9,,,, 9,5 7 5,,5,5,7 75,39, 7,,37 3 Gambar. Gelombang keluaran PWM. 3.. Pengujian Komponen ZVS 9 7 5,,,, Gambar. Grafik hubungan duty cycle terhadap kecepatan motor. Gambar. Gelombang keluaran Vgs- Vcr. Tegangan pada kapasitor resonan akan bernilai nol selama pemicuan MOSFET terjadi. Dalam kondisi ini, kapasitor mengalami pengosongan muatan selama durasi waktu Perubahan kenaikan kecepatan motor bervariasi mulai dari 5-3 rpm. Semakin besar nilai duty cycle konverter DC, tahanan ekternal yang dilihat dari sisi motor akan semakin mengecil. Sebaliknya, jika duty cycle semakin kecil maka tahanan eksternal rotor yang dirasakan oleh motor semakin membesar.
Kecepatan Torsi TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997, Perhitungan torsi menggunakan Persamaan 7 sebagai berikut[]: τ n = 3V TH.(R r +R eks )/ s ( π.n s )[(R TH+ R r+r eks ) s + (X TH +X ) ] 3, (, +9)/,9 τ n = ( π5 )[(,+,+9,9 ) +(,+,) ] τ n =,3N. m Penggunaan konverter DC dengan variasi duty cycle dapat mengubah besarnya nilai R yang dipikul oleh motor di sisi rotor. Nilai beban R yang dipikul motor dapat dihitung sebagai berikut: R = (,3) 9Ω =,3Ω Perhitungan torsi awal menggunakan Persamaan sebagai berikut[]: τ start = 3V TH.(Rr +R ) ( π.n s )[(R TH+ R r +R ) +(X TH +X ) ] 3,5 (,+,3) τ start = ( π.5 )[(, +,+,3) +(,+,) ] Torsi maksimum dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 9[7]: τ max = 3V TH ( π.n s )(R TH+ R TH+(XTH +X ) ) 3,5 τ max = ( π.5 )(,)+, +(,+,) ) τ max = 7,9N. m Slip torsi maksimun saat duty cycle 3% adalah sebagai berikut[]: (,+,3) s =, +(,+,) ) s =,57 Sehingga kecepatan motor saat torsi makasimum dengan varisi duty cycle 3% adalah sebagai berikut: N max = (,57) 5 = rpm Data hasil perhitungan torsi awal, torsi maksimum dan kecepatan torsi maksimum menggunakan perhitungan seperti diatas ditampilkan pada Tabel 3 berikut: Tabel 3. Perhitungan torsi motor pada R 9Ω () (7) (9) Tstart Tmax Tn Nstart Nmax Nn,3 7,9,59 5 5,7 7,9,5 55 5 3 5, 7,9,3 5, 7,9,37 75 5 5, 7,9, 55, 7,9,5 959 7 9,7 7,9, 3 75 7,79 7,9,5 3 Parameter perhitungan torsi motor dapat dibuat dalam grafik perbandingan variasi duty cycle terhadap torsi motor ditunjukkan sebagai berikut : % % 3% % 5% % 7% 5 5 75 5 5 % Kecepatan Gambar 5. Variasi duty cycle terhadap kinerja motor. Berdasarkan Gambar 5 dan Tabel 3, ketika duty cycle diperbesar nilai torsi nominal akan semakin menurun, torsi awal akan berkurang, tetapi nilai torsi maksimum tidak berubah. Hal ini dapat dilihat saat variasi duty cycle % dan % yang memiliki nilai torsi maksimum 7,9N.m, torsi awal masing- masing,3n.m dan 5,N.m dengan torsi nominal keduanya adalah,59n.m dan,5n.m. B. Variasi Beban Ω Tabel. Data pengukuran variasi R Ω Duty Cycle Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) Nr,,,5,7 33,3,93,,3 37 3,,,, 5,,33,,5 5 5,,,,5 53,39,55, 5 7,, 9,5,5 3,5,,37,3 9 7 5 3,,,, Gambar. Grafik hubungan duty cycle terhadap kecepatan motor. Perubahan kenaikan kecepatan motor bervariasi mulai dari 33-9 rpm. Semakin besar nilai duty cycle konverter
Torsi Torsi Kecepatan TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997, DC, tahanan ekternal yang dilihat dari sisi motor akan semakin mengecil. Sebaliknya, jika duty cycle semakin kecil maka tahanan eksternal rotor yang dirasakan oleh motor semakin membesar. Tabel 5. Perhitungan torsi motor pada R Ω Tstart Tmax Tn Nstart Nmax Nn 7,5 7,9, 3 33,93 7,9,5 37 3, 7,9,3 7 5 5,7 7,9, 55 5 5,7 7,9, 3 53 3,7 7,9, 5 7, 7,9,93 959 3 9, 7,9,7 97 9 Parameter perhitungan torsi motor dapat dibuat dalam grafik perbandingan variasi duty cycle terhadap torsi motor ditunjukkan sebagai berikut: 5 5 75 5 5 Kecepatan Gambar 7. Variasi duty cycle terhadap kinerja motor. Berdasarkan Gambar 7 dan Tabel 5, ketika duty cycle diperbesar nilai torsi nominal akan semakin menurun, torsi awal akan berkurang, tetapi nilai torsi maksimum tidak berubah. Hal ini dapat dilihat saat variasi duty cycle 5% dan % yang memiliki nilai torsi maksimum 7,9N.m, torsi awal masing- masing,7n.m dan 3,7N.m dengan torsi nominal keduanya adalah,n.m dan,n.m. 3.3. Variasi Tegangan Stator V A. Variasi Beban 9Ω % % 3% % 5% % 7% % Tabel. Data pengukuran variasi R 9Ω Duty Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) Nr Cycle,57,7,,57,7,3,5 7 3 7,,9 5 5,,9 7,,35 5,7,,7,3,55,,,3 3 7,7,,,7 37,95,,7, 5 5 3 39,,,, Gambar. Grafik hubungan duty cycle terhadap kecepatan motor. Perubahan kenaikan kecepatan motor bervariasi mulai dari - 5 rpm. Semakin besar nilai duty cycle konverter DC, tahanan ekternal yang dilihat dari sisi motor akan semakin mengecil. Sebaliknya, jika duty cycle semakin kecil maka tahanan eksternal rotor yang dirasakan oleh motor semakin membesar. Tabel 7. Perhitungan torsi motor pada Vs V R 9Ω Tstart Tmax Tn Nstart Nmax Nn 7,57 7,57, 7, 7,57,33 55 7 3,9 7,57, 5, 7,57,3 75 5 5,7 7,57, 55 5,9 7,57, 959 3 7,3 7,57,9 3 37 3, 7,57,79 5 9 7 5 3 5 5 75 5 5 Kecepatan Gambar 9. Variasi duty cycle terhadap kinerja motor. % % 3% % 5% % 7% % Berdasarkan Gambar 9 dan Tabel 7, ketika duty cycle diperbesar nilai torsi nominal akan semakin menurun, torsi awal akan berkurang, tetapi nilai torsi maksimum tidak berubah. Hal ini dapat dilihat saat variasi duty cycle % dan % yang memiliki nilai torsi maksimum 7,57N.m, torsi awal masing- masing 7,57N.m dan 7,N.m dengan torsi nominal keduanya adalah,n.m dan,33n.m.
Torsi Kecepatan Torsi Torsi TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997, 3 B. Variasi Beban Ω Tabel. Perhitungan torsi motor pada Vs V R 9Ω Duty Cycle Vin (V) Iin (A) Vout (V) Iout (A) Nr,7,,7 3 9,3,7,, 37 3,5,75 9,,3 3,53,9,57,3 39 5 5,,5,, 5,,7 7,9,5 7,53,,9,3 3,, 5,, 3 39 3 37 3,,,, Gambar. Grafik hubungan duty cycle terhadap kecepatan motor. Perubahan kenaikan kecepatan motor bervariasi mulai dari 3- rpm. Semakin besar nilai duty cycle konverter DC, tahanan ekternal yang dilihat dari sisi motor akan semakin mengecil. Sebaliknya, jika duty cycle semakin kecil maka tahanan eksternal rotor yang dirasakan oleh motor semakin membesar. Tabel 9. Perhitungan torsi motor pada R Ω Tstart Tmax Tn Nstart Nmax Nn 7,9 7,57,7 3 3 7,55 7,57, 37 3 7,35 7,57,3 7 3 7, 7,57, 55 39 5,53 7,57, 3 5,9 7,57, 7 5,9 7,57,9 959,3 7,57,7 97 Berdasarkan Gambar dan Tabel 9, ketika duty cycle diperbesar nilai torsi nominal akan semakin menurun, torsi awal akan berkurang, tetapi nilai torsi maksimum tidak berubah. Hal ini dapat dilihat saat variasi duty cycle 5% dan % yang memiliki nilai torsi maksimum 7,57N.m, torsi awal masing- masing,53n.m dan 5,9N.m dengan torsi nominal keduanya adalah,n.m dan N.m. 9 7 5 3 5 5 75 5 5 Kecepatan Gambar. Variasi duty cycle terhadap kinerja motor. 5 5 5 5 75 5 5 Kecepatan Gambar. Kurva torsi kecepatan variasi Vs. Berdasarkan Gambar, torsi maksimum akan membesar jika tegangan stator diperbesar. Hal ini dapat dilihat saat tegangan stator V, nilai torsi maksimum sebesar 7,57N.m sementara tegangan stator diperbesar menjadi 3V mengakibatkan torsi maksimum meningkat menjadi 7,N.m. 9 7 5 3 5 5 75 5 5 Kecepatan Gambar 3. Kurva torsi kecepatan variasi R luar. % % 3% % 5% % 7% % Pengaruh yang diakibatkan variasi tahanan luar yaitu proses terjadinya torsi maksimum yang berhubungan dengan kecepatan motor tersebut mencapai torsi maksimum. Hal ini dapat dilihat saat variasi 9Ω, kecepatan motor untuk mencapai torsi maksimum pada kecepatan rpm sedangkan varisai Ω akan mencapai kondisi torsi maksimum pad kecepatan 3 rpm. V 3V 9ohm ohm
TRANSIENT, VOL., NO., DESEMBER 7, ISSN: 3-997,. Kesimpulan Konverter DC topologi boost dengan mode pensaklaran zero voltage switching sudah berhasil dibuat. Hal ini dibuktikan pada frekuensi pensaklaran konverter DC sebesar 5kHz, pensaklaran pada MOSFET terjadi saat tegangan dari drain ke source adalah nol, maka dapat dikatakan proses zero voltage switching pada konverter DC berhasil. Variasi tegangan stator akan mempengaruhi besar torsi maksimum dan torsi awal. Tegangan stator yang diperbesar akan meningkatkan torsi maksimum motor. Torsi maksimum pada variasi tegangan stator V yaitu 7,57N.m dan meningkat menjadi 7,9N.m saat tegangan diperbesar menjadi 3V. Variasi tahanan luar mempengaruhi besar kecepatan motor untuk mencapai torsi maksimum. Hal ini dapat dilihat saat variasi 9Ω tegangan V dan 3V, kecepatan motor untuk mencapai torsi maksimum pada kecepatan tercepat pada rpm sedangkan varisai Ω tegangan V dan 3V akan mencapai kondisi torsi maksimum tercepat pada kecepatan 3 rpm. Duty cycle diperbesar nilai torsi nominal akan semakin mengecil, torsi awal akan berkurang, tetapi nilai torsi maksimum tidak berubah dan kecepatan motor berputar semakin cepat. Hasil pengukuran variasi tahanan luar didapat kecepatan motor pada tegangan 3V sebesar 33-3 rpm dan pada tegangan V. Referensi [] S. J. Chapman, Electric Machinaery Fundamentals, th ed. Australia: McGraw-Hill Companies, 3. [] B. J. Chalmers, Electric Motor Handbook. Manchester: Butterworth & Co., 9. [3] M. K. Kazimierczuk, Pulse-width Modulated DC DC Power Converters, 3rd ed. Ohio: John Wiley & Sons Ltd,. [] A. R. Putra, T. Sukmadi dan M. Facta, "Analisis Pengaturan Arus Rotor Pada Motor Induksi Rotor Belitan Tiga Fasa Menggunakan Buck Konverter", Transient, vol.5, No.3, Sept, [5] Switchmode Pulse-Width-Modulation Control Circuits. 7. [] Toshiba, Toshiba Photocoupler GaAIAs Ired & Photo-IC, vol. 5, pp.,. [7] N. P. Mosfet, N. High, and P. Products, IRF Series IRF Series, pp. 7. [] Secos, SR5, pp., 9.