,5
nscigr.$0 I
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. 1, 1988
KONTRIBUSI ANALISA PENGATURANPUTARAN MOTOR SINKRON DENGAN INVERTER SUMBERARUS KOMUTASI BEBAN
*"*oq% I R'^;t q
&
Oleh: YanuarsyahHaroen*, T.M. Soelaiman**
.
,
't
!'
'i
,l
ii "4.*0r
L ' ,t,4 f A h N
ABSTRACT This paperis a contribution on, the synchronousmotor speedcontrol by rectifier-inverter three-phasealtemating current supply. The synchronousmotor speedcontrol methodis describedasa direct current motor speed control method. Basedon the analysisof the rectifier output voltagethe equationsof the synchronousmotor speedcontrol are derived. Emphasisshould be taken on the occuranceof the limitation of the forced commutation and natural commutation of the inverter since these limitations haveimplications on the dimensions and the weight of the equipment. Through the analysisof the relative positions of the line-to-neutralvoltagesand the inverterinput cunents,the limits of the forced commutation and natural commutationcanbe determined.
SARI Tulban ini merupakansuatu kontribusi mengenaipengaturanputaranmotor sinkron dengan sumber listrik arusbolak-balik 3 fasa,penyearahdan inverter. Dalam pembahasanditunjukkan bahwa konsep prosespengaturanmotor sinkron adalah sama denganprosespengaturanmotor arus searah.Dari analisategangankeluar penyearah, dapat diturunkah persamaanyangberlakuuntuk mengaturputaranmotor sinkron. Yang perlu diperhatikan adalahbatasanterjadinya komutasi paksadan komutasi natural inverter, karenahal ini mempunyaiimplikasi terhadapdimensidan berat peralatan.Dengan merganalisaposisi relatif teganganfasa-netraldan arus masuk inverter, dapat ditentukan bataskomutasipaksadan komutasinaturalinverter.
* Staf, L.P, Konversi Energi Elektrik - ITB ** Ketua L.P. KonversiEnersiElektrik - ITB
.-v . v$
t
PROCEEDINGSITB Vol. 2I , No. I . 1988
Pendahuluan Penerapanmotor arus bolak-balik sinkron atau asinkron sebagai sumber penggerak putaran variabel mulai dapat dilaksanakan secara ekonomis aengan ditemukannya komponen elektronik yang mempunyai kemampuan arus dan tegangantinggi t3). seperti diketahui motor sinkron (serempak) ataupun motor asinkron dapat digunakan untuk menghasilkan putaran variabeldengan menggunakansistem kendali elektronika daya. Analisa dalam tulisan ini dibuat berdasarkan jenis motor sinkron 3 fasa penguatan terpisah. Sumber listrik berasal dari sistem 3 fasa arus bolak-balik dan sistem elektronika daya yang diterapkan, yaitu penyearah dan inverter. Dengan menggunakan inverter motor, proses komutasi paksa hanya terjadi pada putaran yang sangatrendah, karena daya reaktifyang dibangkitkan motor belum cukup tinggi (5-lWo putarunnominal) (2). Selaniutnya,larena ggl motor sudah cukup besar, proses komutasi natural dapat dilaksanakan. Dengan komutasi paksa yang hanya terjadi pada putaran rendah, diperlihatkan bahwa sistemkendali erektronika daya menladi Gbih sederhana. Tegangan keluar penyearah diratakan oleh suatu induktor (L). Adanya induktor perata ini mengakibatkan penyearah induktor dipertimbangkan sebagaisumber arus konstan yang konstanta waktunya relatif tesar terhldap waktu komutasi antarathyristor. Karena itu inverter yang digunakan dapat disebut sebagaiinverter sumber arus dengan komutasi beban. Dalam analisaselanjutnya p.-buhurun lebih ditekankan pada inverter, karena sistem penyearahsudah lama dikenar.
Analogi motor sinkron dengan motor arus searah(s) Suatu motor sinkron yang dicatu oleh inverter dapat dianalogikan sebagai motor arus searahdengan cara berikut: Analisa dilakukan pada suatu motor sinkron 3 fasa yang dicatu oleh inverter. Belitan jairgkar terdapat di stator dan belitan penguat ii rotor. Andaikanlah motor arits searah mempunyai dua pasang sikat dan 3 lamel komutator fiangkar di rotor dan penguat di stator). Inverter pada motor sinkron berfungsi mengubah energi arus searah menjadi arus bolak-balik ke dalam belitan jangkar stator, sedangkanpada motor arus searah, kolektor dan sikat mempunyai fungsi sama, dan dapat disebut sebagai inverter+lektromekanik.
PROCEEDINGSITB VoL 21. No. 1. 1988 @
----.--
I sumbu netral
o-'
I sumbu netral ,4r -J-
-'-
belitan jangkarmotor sinkron atau motor arus searan
kolektor tetaD
---
sikat
-
-
l
inverter statis
i nverter elektromekanik
G a m b a r 1 A n a l o g i m o t o r s i n k r o n d a n m o t o r a r u ss e a r a h .
Dengan analogi secarakualitatif ini, konsep pengaturanmotor sinkron dapat dianggapsamadenganpengaturanputaran motor arus searah,yaitu: putaran sebandingdengantegangandan arusjangkar; -- putarun berbandingdcnganfluksi penguatan. Prinsip kerja pengaturanputaran motor sinkron untuk menghasiil< an gaya elektro magnetik, motor listrik membutuhkan fluksi dan arusjangkar. Putaran motor sinkron ditentukan oleh frekuensi sumber listrik di stator. Bila frekuensi konstan, putaran yang dihasilkan akan konstan (kecepatan sinkron). Untuk rnendapatkanputaran variabel,stator harusdicatu oleh sumber listrik denganfrekuensiberubah. Pada strmber listrik 3 fasa bolak-balik, persoalanini dapat diselesaikandengan menggunakanpenyearahterkendalidan inverter.
tt
R
ilil L_
T
Penyearah
I nverter nverter
Gambar 2 Skerna prinsip penyearah inverter.
Penguat
PROCEEDINGS ITB Vol.21. No. 1. 1988
Jika motor sinkron bekerjasebagaigenerator,maka penyearahakan berfungsi sebagaiinverter sedangkaninverter berfungsi sebagairectifter. Inverter mengkomutasikanarus searahsecaraperiodik pada tiap fasa motor sehinggadihasilkanarus listrik tiga fasa frekuensiberubahdenganperbedaan sudut120". Untuk mempernudahanalisadiambilhipotesa: - hambatan(resistans) motor sinkrondiabaikan; - resistans sumberlistrik diabaikan; - induktor peratainfinit dan mempunyairesistans Rc. Jadi, rangkaianekuivalensistemkendali dan motor sinkrondapatdilukiskan sebagai berikut:
:rx1 l
ln,
tc
--------+
Lc
'l uau,l
ac
I ,ourl
Gambar3 Rangkaian ekuivalenpenyearah motor sinkron.
Tegangankeluar rata-rata penyearah (Vou, ) Untuk menghitung tegangankeluar penyearah,ditinjau hasil penyearahm fasa /z gelombang.
Gambar4 Tegangan keluarpenyearah % gelombang m fasa
PROCEEDINGSITB Vol. 2I. No. I, 1988
T 1t
+ 0I vdt
Vd| | =
Dari gambar 4 diperoleh
atau 2t
^or* ^ ml
Vd1r =
Z. sin c,:td(at)
.-l ol
Karenao=
7t
2
-
7t
;
Jadi hatasintegrasimenjadi:
= 0, + batasbawah # + +--Iatas =or++ .ur*i*h VdTr= +J_
'fT-*
vdq I
=+l- '^
V ^ s i n c ^t d : (ut) tut*t*#
coswr I J^
.
=+V^(_cos(o,*t* =
+
vm
T
n
ol-T-
^
*r*cos(or*Tt-ftl
0, cos tt * fl {-,.or + (coso, (+-fu1 cos
- sino,sint\+ ftl
- sino,sin(+ -i, ,] = sin+ -sino,cos#l * +, n^{-( cosg, (coso, sina -singr.",fr l) V rata-ratapenyearahm fasagelombangpenuh : v , u r u - r u r= u 2V^
f
sin
*
cosg,
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. I, 1988
(s ) Teganganjatuh rata-rata komutasi antar thyristor
Gambar5 Komutasipenyearah. Analisa dilakukan dengan menganggapinduktansi bersamadiabaikan. Jumlah arus selamakomutasi : i, * i, = Ic. di,
t
Vr=Laf+V" dit
Vz=L-at
V, * V"
I
+V"
1v"=-z'"=
di, L-d, =
Jadi,
Vt - v"= Yr f
di,
LLi
t ( dit -;\d* -' '-;
orr)
dengan o, -:'Pendekatan;
vr+v2 -2
vr+v2 2
=
vr-vz 2
v r r f l -- d i z v z , I v,, = = z z l=-al,LL dt
PROCEEDINGSITB Vol. 21, No. 1, 1988
1
ur*' ur*", vr+vz)r.,,,, m ( u m v' r a t . - t a t a \ t f f!ira, grt,1. . . 1 \ 2, J \V, -)d(wt)=?J 00 .
0+a
- - ! ! " - - x r=l-"2 o
, ,1 2 = 4
vt t a t a - r a r a = - ffiLi
2n J
2"
0
Jadi, tegangankeluar penyearah/inverterdapat dinyatakan olelr.persamaan:
,our=2V^
f
sinL."or0r,,rri
Ttt"
(l)
dengan = teganganmaksimum fasa netral sumber listrik Vn, = teganganefektif fasa netral sumber listrik VL 0 Vd9| m m i +
- sudut kelambatan peny alaanthyristor penyearuh = tegangankeluar penyearah = indeks pulsasi= 3
Xr.f. = teganganjatuh akibat konutasi antar thyrisfor penyearah = inverter = rectifier (penyearah)
Denganffi = 3, maka tegangankeluar penyearah:
vdor=+vcnso,
-
* *rr".
( 2)
Motor sinkron dilalu.i arus I, dengan arus fundamental efektif (Ir.r) mendahului terhadap ggl lawan motor. Arus yang mendahului tegangla"n dijaga konstan agar proseskomutasi natural dapat berlangsultg.Hal ini dilaksanakan dengankendali inverter (dijelaskanpada prosespernbangkitankopel motor).
Tegangan masukmotor adalah Vi= Vo - iaXo lzeff. dengan V, = EEIlawan motor Xo = reaktansijangkar total
(3)
8
.pn\1EEDINGS ITB vor. 2L No. I. 1988
Sudut fasaantara V, dan Ir",
adalah:
^a V - -P, + 7).
(4)
dengan 0, = sudut kelambatan penyalaanthyristor inverter d = sudut komutasi Jadi, teganganmasuk inverter: v.tA .*-2
=
3r/ 6 Tr
denganXr:
3 r/ z;coS0r*iXrl".
(5)
adalahreaktansi subtransientmotor sinkron.
Dalam keadaantunak (stabil), Vd| Vd0| - Vd|, = R" 1".
,
= Vd|, + R" /".
(6) (7)
Dengan mengatur sudut penyalaan 0, dan 0, maka besar arus .I. dapat berubah. Persamaankopel motor sinkron dapat dinyatakan denganpersamaanberikut: T=k.qrl^. (g) dengan 7 = kopel motor k = konstaflta motor 1" = arusjangkar motor 0, = fluksi rotor Dengan mengubah 0 (sudut kelambatan penyalaan) maka secaraimplisit arus jangkar berubah, yang berarti putaran dapat berubah. Aspek perubahanputaran akan menjadi lebih luasjika 0, (fluksi) juga diatur.
Pengendalianpenyearah(l ) Pengendalian penyearah dilaksanakan oleh sistem generator pulsa yang blok diagramnyaditunjukkan pada gambar6.
PROCEEDINGSITB Vot. 2t, No. I. IgSA
i''i,
H Penyearah Generator Sinus
Generator Pu lsa
Gambar 6 Blokdiagram pengendalian thyristorpenyearan. Pengendalianinverter Pe'ge'dalian invertcr dilaksanakandengan suatrr sisterndi nrana sinyal yatrg keluar dari sensorposisidig'nakan rrntuk nrenyalakantlt.r.ristctr.
t
Piringberputar Fotot r an s i s t o r -
Tampak depan
Gambar7 Sensorposisiuntuk menyalakan thyristor.
Sinyal Thyristor
I
5 H
ii
Fi
= 5
3
I
6
ra
5 Urutankeria Thyristor
2
t,
\
N
F N)
j-
: j-
Gambar8 Sinyalkeluaransensorputaran
\o Oo a
x 6 f.t
T1
Pengust m€danM.S
PenYearah
Sumber listrik ABB
r
\
? aa
L--ri<-- - 'r r
-t
\
H
Sensor putaran
L- --*----r
cl F f.J j-
2 j-
Logika kendali dan generator pulsa
Referensi ru.l
Korwerter digital-Analog
Gambar9 Blok diagramkendalimotor sinkron.
\o Oo Oo
12
,R\IEEDINGS rrB vor.21,No.r, r9B8
Bila piringan sensor berputar sesuaidengan arah yang ditunjukkan pada ganrbar, akan dikeluarkan urutan sinyal kendali thyristor inverter seperti ditunjukkan padagambar8. Jika untuk menyalakan thyristor yang akan dikendalikan, dibutuhkan a.rs yang lebih besar dari arus fototransistor, maka arus dari fototransistor harus diperkuat dahulu dengan menggunakantransistor atau penguat operasional. Sinoptik btok diagram pengendarianlengkap dapat dilukiskan sebagaimana tampak padagambar9.
Pembangkitan kopel motor sinkron (a) Hipotesa: Stator: Untuk mimpermudah analisa diambil motor sinkron yang statornya terdiri dari 3 belitan tunggal, masing-masingberbeda 120o. stator ini dicatu oleh sumber arus searah. Rotor: Bentuk rotor adalah kutub nonsalient (celah udara tidak samarata) dan dicatu oleh sumber arus searahmelalui sikat dan cincin.
Analisa pembangkitan kopel untuk membangkitkan kopel motor sinkron diperlukan penyalaan thyristor inverter dengan urutan l-3-5 -4-6-2 (masing-masingberbeda l20o). Pembangkitankopel dilakukan dalam enam tahap. o arah arus keluar yang disebabkanggl lawan motor sinkron. o arah arus masuk yang disebabkanggl lawan motor sinkron. Tahap I Misalkan th"yistor I dan 6 dinyalakan, motor belum berputar dan rotor berada pada posisi I . Arus I akan lewat Th r -fasa R-fasa 5 dan Th 6, sedangkan fasa T iidak ditalui arus. sesuai denganhukum tangankiriFlemming,rotor akan mendapat gaya F dan stator gaya F'dengan arah berlawananterhadap F. Batang konduktor di stator tidak dapat bergerak,sedangkanrotor cenderung berputar sehinggamenghasilkankopel motor. Dengan mengatur sudut kelambatan penyalaan 0, dan 0, maka kopel motor dapat melampaui kopel beban sehinggarotor berputar untuk menduduki posisi 2.
13
ITB VoL 21. No. 1. 1988 PROCEEDINGS
I nverter
kopelpadatahap 1 Gambar10 Pembangkitan
Tahap 2 Ketika rotor sedangberputar, Th 2 dinyalakan dan Th 6 dimatikan (komutasi natural Th 6 ke Th 2 karena teganganpada Th 2 lebih positif terhadap Th 6). Fasa R dan T dialiri arus seperti ditunjukkan pada gambar ll. Rotor kontinu berputar untuk mendudr"rkiposisi 3.
@ I
I
Gambar11 Pembangkitan kopelpadatahap2.
Tahap3 Padatahap ini Th I dimatikandan Th 3 dinyalakan.FasaT dan S dialiri arus, dan rotor bergerakuntuk menempatiposisi4.
l4
PROCEEDINGSITB Vol. 2I, No. I, 1988
kopeltahap3. Gambar12 Pembangkitan Gambar13,14, dan l6 menunjukkandistribusiarus fisa di statorpadatahap4,5, dan 6 sehinggarotor membuatutu putarat lengkap.
kopeltahap4. Gambar13 Pembdngkitan
kopeltahap5. Gambar14 Pembangkitan
l5
PROCEEDINGSITB Vol. 21. No. t. 1988
Gambar15 Pembangkitan kopeltahap6 Proseskomutasi beban secaranatural r0 Tegangan/arus fasa R
1
vs,
t{t
1
t,/l
a. Faktor kerja = 1
/
b. Faktor kerja terdahulu Ueadingl
t,, li '"r'
t'
t t .',
Gambar16 PositirelatifaruspadafasaR
c. Faktor kerjaterbelakangUqgingl
16
PROCEEDINGSITB Vot.21, No. I, 1988
Gambar 16 (fasa R) menunjukkan 3 kemungkinan posisi relatif yang penting dari arus dan tegangan. Analisa komutasi dilakukan pada saat thyristor mulai dapat bel:e{a. Padagambar l6.a motor sinkron bekerja denganfaktor kef a = l; V, = V",. Kondisi awal, arus mengalir dari sumber arus searahTh 3-fasa S-Th 4 fasa R. Kemudian, Th 5 dinyatakan, maka arus mengalir dari sumber AS-Th 5 fasa T-Th 4-fasa R. Komutasi arus terjadi secaranatual dari fasa S ke fasa T karena (lihat gambar l6.a) Vr= Vr dan merupakanbatasandimanakomutasi natural dapat berlangsung. Pada gambar l6.b arus mendahului tegangan, komutasi arus secara natural dapat berlangsungkarena Z, relatif lebih positif terhadap Zr. Pada gambar l6.c arus terbelakang terhadap tegangan, sedangkan tegangan fasa T lebih positif terhadap fasa R sehinggakomutasi beban secaranatural tidak dapat berlangsung.
G a m b a r1 7 a . A r u s m o t o r s i n k r o nt t u r . n ) h u b u n g b i n t a n g( Y ) b. Teganganpadathyristor 1 c. T e g a n g a nk e l u a ri n v e r t e r
PROCEEDINGSITB Yol.21,No- t, I9BB
t7
Padagambarl7 ditunjukkan secaralengkapanrs,teganganmotor, dan tegangan padaTh I ketika terjadi proseskomutasi di fasaR. Proseskomutasipaksa Teknologi komutasi paksa adalah relevan jika digunakan thyristor sebagai komponen utama dalamteknik elektronikadaya.Komutasipaksapadainverter denganmotor sinkron terjadi pada putaran motor yarg relatif rendah.Karena itu dimensiinduktor kapasitordanthyristortidak terlalu6"*r (2,3). Tiga macammetodaTeknik Komutasi yang dapat digunakanuntuk tujuan ini adalah: l. Komutasipaksamelaluinetralmesin. Padagambarl8 ditunjukkan urutan prcseskomutasipaksayang terjadi.
Gambar 18 Komutasipaksadenganthyristor pada netral motq.
Th cl ,Th c22 dankondensatorc dipasang padanetralmotor sinkron. Padagambarl8.a ditunjukkanjalan arussebelumproseskomutasi.Kemudian Th c2 dinyalakan,terjadi perpindahanarusdari fasaR ke c dan Th c" (gambar l8.b). Setelahkondensatorc penuh,arusakanmergalirmelaluifasa-RdanTh c, (zambar l8.c). setelahc penuh,arusakan mengalirmelaluifasaR dan s.
l8
ITB Vol.21, No. 1, 1988 PROCEEDINGS
Untuk mendapatkan kembali proses yang sama,polaritas kondensatorC harus dibalik denganpenyalaanTh Cl. 2. Komutasi denganmempergunakanpenyearahyang bekerja sebagaiinverter.
ld
#s-)R E C
/__\ INV
V
Tegangan keluar penyearah
Arus indu ktor
Arus padadua fasa yangberkomutasi
inverter yangbekerjasebagai penyearah Gambar19 Komutasipaksadengan
Padasaat t =t1, yaitu ketika tegangan sesaatsumber sama dengan nol (yang merupakan batas kerja penyearah 0 = 90o), thyristor penyearahyang seharusnya dinyalakin belum dipekerjakan, sehinggapenyearahakan bekerja sebagai inverter komutasi jala-jala.Setelah/u menjadi nol (energiinduktor telah habis), maka thyrisiur lanS lain akan dinyalakan. 3. Thyristor anti paralel induktor perata. Pada putaran rendah ketika t = t, Thap dinyalakan,dan terjadi sirkulasi arus induktor-Thap. Selamat t 1t 1t , inverter akan mendapat tegangannegatif.
PROCEEDINGSITB Vot. 2l,No. I, Ig88
19
Th+ tegangankeluar penyearah
arusmasukinverter Gambar20 Komutasipaksadengan thyristor anti paralet-induktor.
Kesimpulan setelah dituniukkan bahwa terdapat analogi antara inverter elektronis dan inverter elektromekanis,maka ,noto, sinkron dapatdiekuivarensikan seba.gai suatumotor arus searahsehingga anarisapengatuanputarannyamenjadisedir_ Denganmembuat anarisategangankeluar suatu penyearahm fasa gelombaig,makategangan .setengah keluai inverterdapatdinyatakan. Kendali putaran motor sinkrondilaksanakan denganpengaturansudut kelambatan0, (penyearah)dan 0, (inverter). untuk menjagakontinuitaskoperyangdibangkitkan, makabelitanstatordibuat bergandayang masing-masing dilayani-oleh2 unit inurrt., tJrpi*rr. Ditunjukkan bahwa komutasikritis terjadi padafaktor kerja = I dan anarisa komutasi paksamenunjukkanbahwaproses berlangsung btn muoah dengan komutasi paksacara pertama.penyederhanaan komutasipaksacara pertama dapatdilakukandenganmensubstitusi c dan Th c2 d.;;; bio uruutransistor dayasertamenghilangkan Th Cr. Thyristor standar digunakanuntuk mengaturputaran motor*inkron karena komponen ini mudah didapat dan reratif murah dibandingkanGTo thyistor atau transistordayauntuk kapasitasyang sama.
20
PROCEEDINGSITB VoL 21, No. 1, 1988
DAFTAR PUSTAKA 3"-t AnndeMachines l. LUC, S. B. ESCAUT,H. FOCH, TravauxPratiques Rlectriqueset d'6l6ctroniqueIndustrielle ENSEEIFil INP toulouse. Edition.1978. 2. CIIAUPRADE,R. CommandeEldctroniquedesmoteursa CourantAlternatif EditionEyrolles,1980. 3. SNCF, Note d'information tdchnique 6 I'usage des CTRA, Le moteur Auto piloteSNCF,7 Juillet 1983. Synchrone 4. TRANNOY, B. Transitoiredesmachines6l6ctriquesNote de CourseDEAENSEEIHT-France, I 980. 5. METAUT, D Synchronousdual-current locomotivesandtheir developmentMIE JeumontSchneidergroupFrance.AmericanRail Way Engineering, October1986. Modem Rail Conference, Association's
