Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
Analisis Penggunaan Motor Induksi Satu Fasa Menggunakan Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) Dengan MATLAB Antonio Fernandes Filipe dan M. Abdul Hamid Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang e-mail :
[email protected]
Abstrak—Penggunaan motor induksi yang sangat luas dalam bidang industri maupun dalam rumah tangga menyebabkan motor jenis ini mendapat perhatian serius dari konsumen maupun fabrik motor itu sendiri. Ha ini disebabkan karena mottr induksi dalam ukuran kecil banyak digunakan untuk keperluan rumah tangga, seperti untuk penggerak mesin cuci dan refrigerator, sedangkan motor induksi dengan kapasitas besar digunakan pada dunia industri sebagai penggerak pompa, fan, kompresor dan banyak lainnya. Pada umumnya motor induksi pada umumnya disimulasikan dan dianalisis pada kondisi ajek (steady state), tetapi untuk mengetahui sifat pengendalian dalam bidang elektrik, maka analisisnya dapat menggunakan metode space vector pulse width modulation (SVPWM). Penggunaan metode SVPWM dimaksudkan untuk meningkatkan daya keluaran dan juga dapat menurunkan faktor distorsi harmonisa pada motor induk 1 fasa. Pada penelitian ini akan dibandingkan dua sistem pengontrolan yaitu dengan menggunakan SVPWM dan auto trafo dengan menggunakan software Matlab. Kata kunci—svpwm, autotrafo, motor induksi, matlab simulink.
I.
PENDAHULUAN
Penggunaan motor induksi yang mencakup dunia luas baik dalam bidang industri maupun dalam kehidupan seharihari membuat motor jenis ini mendapat perhatian dari para pengguna serta pabrik pembuatannya untuk semakin meningkatkan mutu dari suatu motor induksi yang dihasilkan sehingga tidak mengecewakan para konsumennya. Motor induksi yang kecil digunakan untuk peralatan rumah tangga misalnya untuk mesin cuci, dan lemari es, sedangkan motor induksi dengan kapasitas yang besar digunakan pada sektor industri seperti pada pompa, fan, kompresor dan banyak lainnya. Pada umumnya motor induksi dianalisis dan disimulasikan pada kondisi steady state, tetapi untuk mempelajari pengendalian dalam bidang elektrik metode SVPWM juga sangat di butuhkan. Penggunaan metode SVPWM ini dimaksudkan untuk meningkatkan output daya dan juga dapat menurunkan faktor distorsi harmonisa pada motor induksi 1 fasa. Dalam menganalisis performa motor induksi satu fasa tersebut akan digunakan software MATLAB. II.
KAJIAN P USTAKA
A. Teori Dasar Motor Induksi Motor arus bolak-balik (motor AC) adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah tenaga listrik arus bolak-
balik menjadi tenaga mekanik atau tenaga gerak, dimana tenaga gerak ini berupa perputaran pada motor. Salah satu jenis motor AC ini adalah motor induksi atau motor asinkron. Disebut motor asinkron karena putaran riil motor yakni pada rotor tidak sama dengan putaran fluks magnet stator. Dengan kata lain, bahwa antara putaran rotor dan putaran fluks magnet terdapat selisih putaran yang disebut slip. Motor induksi polyphase banyak dipakai dikalangan industri. Ini berkaitan dengan beberapa keuntungannya [2], antara lain: 1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi hampir tak pernah mengalami kerusakan, khususnya tipe rotor sangkar bajing). 2. Harga relatif murah dan perawatan mudah. 3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang ditimbulkan dapat dikurangi (khususnya motor induksi rotor belitan). B. Prinsip Kerja Motor Induksi 1 fasa Masalah utama yang berhubungan dengan desain motor induksi satu phasa adalah tidak adanya medan magnet putar seperti halnya pada motor induksi tiga phasa. Karena hanya ada satu phasa pada belitan stator, medan magnet pada motor induksi satu phasa tidak berputar, tetapi hanya menimbulkan medan pulsasi saja yang berada pada posisi yang tetap, bukan medan yang berputar terhadap ruang. Karena tidak ada medan magnet putar pada stator, motor induksi satu phasa tidak mempunyai torsi awal [2].
Gambar 1. Torsi pada motor induksi 1 fasa [10].
Torsi resultan yang dihasilkan oleh kedua komponen torsi tersebut pada dasarnya dapat menggerakkan motor dengan arah maju ataupun mundur. Namun pada keadaan start kemampuan motor untuk bergerak maju ataupun mundur adalah sama, karena itu motor tetap diam (tidak 110
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
memerikan reaksi). Untuk menggerakkan motor tersebut maka kita harus memberikan sedikit torsi maju ataupun torsi mundur dengan bantuan suatu alat. Sehingga bila diberi tambahan sedikit torsi maju maka motor tersebut akan mengikuti torsi resultan maju yang menyebabkan motor akan bergerak maju, begitupula sebaliknya bila motor diberi tambahan sedikit torsi mundur. C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Untuk membahas rangkaian ekivalen dari motor induksi satu fasa, dapat diperhatikan pada saat motor diam. Pada saat itu motor seolah-olah berfungsi sebagai trafo satu fasa dengan sisi sekunder dihubung singkat. Rangkaian ekivalen dapat dilihat pada Gambar 2. Ista Forward rotating field
Rc/2
Xm/2
Ipos
Rrot(1-spos)/(2spos)
Z mM =
Xsta/2 Rsta/2
Reverse rotating field
Rc/2
Xrot/2 Rrot/2 Xm/2
Ineg
Rrot(1-sneg)/(2sneg)
Gambar 2. Rangkaian ekivalen motor induksi 1 fasa [11].
In 2 − Kr = In Kr 2 1+ 2 − Kr
Ipos forward Ineg reversing
: Tegangan Input pada Motor (Volt) : Reaktansi Stator (Ohm) : Resistasni Stator (Ohm) : Resistansi Inti (Ohm) : Reaktansi Bersama Stator dan Rotor : Reaktansi Rotor (Ohm) : Resistansi Rotor (Ohm) : Slip : Arus pada putaran medan maju : Arus pada putaran medan mundur
(6)
Vn I mag main
(7)
Kr x I man main 2 − Kr Vn
(8)
Z mc =
(9)
I mag cross
Re − R1 Kr
(10)
X1 = X 2 = X e
1 − Kr
(11)
1 − Kr
Ea' .Ea
(12)
Em' .Em
D. PWM Inverter Secara umum pengontrol kecepatan motor induksi satu fasa yang menggunakan inverter satu-fasa dapat dilihat pada Gambar 3. Pada dasarnya system pengontrol ini merupakan kombinasi dari penyearah satu fasa (rectifier) , inverter dan PWM generator. Dengan pengaturan pada unit PWM, frekuensi dan tegangan output dari inverter dapat diatur untuk mengontrol motor induksi satu fasa.
Dimana: Vsta Xsta Rsta Rc Xm Xrot Rrot S
(5)
I mai cross =
a= Vsta
Xo − Xe Xo
I mag main =
R2 =
Xrot/2 Rrot/2
Xsta/2 Rsta/2
Kr =
Kontrol Motor Induksi
Generator PWM
Driver Gate
DC Konverter AC ke DC AC
DC
Inverter DC ke AC AC MI
Dalam prinsip medan putar ganda dimana gelombang magnet merupakan dua komponen medan putar yaitu, medan putar maju dan medan putar mundur, yang besarnya sama dan berlawanan arah. Keduanya mempunyai setengah amplitudo dari medan magnet yang berpulsasi, yang masing-masing menyatakan pengaruh medan maju dan medan mundur. Berikut adalah persamaan yang digunakan dalam menentukan parameter motor: V (1) Ze = L IL W (2) Re = L2 IL Xe = Z e − Re = 46.42 − 40.81 2
X0 =
2Vn In
2
2
2
(3) (4)
Gambar 3. Rangkaian utama pengendali motor induksi satu fasa.
E. Inverter Satu Fasa Sebagai Suplai Tegangan Motor Induksi. Inverter satu fasa gelombang penuh. Inverter ini dikenal sebagai inveter jembatan yang dapat ditinjau sebagai dua buah inverter setegah gelombang, sehingga persamaan tegangan Vab dinyatakan sebagai Vab = Vao - Vbo Dimana titik o merupakan titik tengah teoritis dari sumber tegangan dan Vao dan Vbo adalah dua keadaan yang terdapat dalam inverter jembatan setengah gelombang. Karena menggunakan 4 buah komponen daya, maka memiliki 24 = 16 kemungkinan kombinasi berbeda dari kondisi hubung buka terhadap masing-masing komponen daya. Namun dari 16 kemungkinan tersebut hanya 4 kemungkinan kombinasi 111
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011 yang dapat menghasilkan tegangan bolak-balik pada beban. Kemungkinan yang lainnya akan mengakibatkan hubung singkat pada sumber tegangan. Gambar 4 memperlihatkan topologi rangkaian inverter jembatah gelombang penuh.
ISSN: 2086-8944 4. Menjalankan simulasi motor induksi dengan parameter motor dan setting sudut penyalaan (firing) dari rangkaian kontrol yang sudah dimasukan. 5. Menampilkan hasil simulasi 6. Pengecekan dengan eksperimen Secara umum diagram alir-nya dapat dilihat pada Gambar 5. Mulai
Gambar 4. Topologi rangkaian inverter jembatan gelombang penuh
Tabel I memperlihatkan dua kemungkinan dari kondisi hubung buka pada komponen daya yang menghasilkan tegangan Vab nol, sehingga hanya ada 3 kemungkinan bagi tegangan beban Vab, yaitu +E, -E, dan 0. TABEL I KEMUNGKINAN KONDISI HUBUNG KOMPONEN DAYA Kondisi hubung T1 , T4 T2 , T3 T1 , T3 T2 , T4
Tegangan beban Vab +E -E 0 0
E. Matlab Simulink Matlab merupakan suatu software yang sangat baik digunakan untuk menganaliasa berbagai kebutuhan dalam bidang teknik. Didalam matlab terdapat dua bagian penting yaitu M-files yang berfungsi untuk menuliskan listing programnya dan simulink yang digunakan untuk melakukan simulasi. Dengan menggunakan simulink yang merupakan kesatuan dalam program tersebut kita dapat melakukan suatu pemodelan sistem kontrol atau suatu plant yang akan diatur. Hal ini dapat didasari dengan menggunkan blok-blok yang telah tersedia serta setting parameter-parameter akan menjadi lebih mudah. Blok-blok simulink dapat juga dibentuk dari persamaan matematika dengan menggunakan blok transfer function sehingga kita dapat menuliskan persamaan dalam blok tersebut sesuai dengan parameter yang akan kita cari. Selain Simulink dalam MALTAB juga terdapat M-Files yaitu bagain untuk menuliskan listing program yang dengan hasil program setelah dijalankan akan disimulasikan dengan Blok Simulik yang telah dibuat. F. Algoritma Pemograman Langkah-langkah yang dilakukan dalam simulasi tersebut adalah sebagai berikut. 1. Pengujian parameter dan rangkaian kontrol motor induksi 1 fasa. a. DC Test b. Tanpa beban ( No Load Test ) c. Rotor Tertahan ( Blocked Rotor Test ) d. Perbandingan Lilitan 2. Membentuk blok simulink motor induksi 1 fasa dan sub. sistem rangkaian kontrolnya berdasarkan fungsi peralihan (transfer function). 3. Memasukan Parameter Motor dan setting sudut penyalaan (firing) dari Rangkaian Kontrolnya.
Merangkai Rangkaian eksperimen penggunaan motor induksi satu fasa dengan SVPWM
Pengujian motor induksi: DC Test, No Load, Blocked Rotor
Jalankan eksperimen
Catat hasil eksperimen: Kecepatan, Arus dan Tegangan
Membuat blok simulasi motor induksi transfer function
Memasukan parameter motor dan setting waktu untuk torsi mekanik motor
Membandingkan hasil simulasi dan eksperimen: Khususnya Kecepatan, Arus dan Tegangan
Jalankan simulasi Nilai Error Simulasi
Tampilkan Hasil Simulasi Torsi, Kecepatan, Arus dan Tegangan
Pengecekan dengan eksperimen
Ya
Tidak
Selesai
Gambar 5. Diagram alir pengujian motor induksi.
III. PENGUJIAN DAN SIMULASI A. Hasil perhitungan pengujian parameter motor induksi tiga fasa Berdasarkan parameter pada Tabel II dibuat model simulasi motor induksi 1 fasa dengan pengendalian SVPWM seperti dperlihatkan Gambar 6. TABEL II PARAMETER M OTOR
R1 (Ω)
R2 (Ω)
L1 (H)
L2 (H)
Lm (H)
a
3.83
37.30
0.01833
0.03681
1.67
1.67
B. Simulasi motor induksi satu fasa yang menggunakan pengendali SVPWM Dengan menggunakan parameter yang telah dihitung melalui pengujian dan name plate motor maka kita dapat 112
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011 melakukan analisa untuk melihat Kinerja motor yang menggunakan pengendali SVPWM dengan pengaturan lebar pilsa yang dihasilkan oleh PWM.
ISSN: 2086-8944
(a)
(b) Gambar 6. Blok parameter motor induksi 1 fasa.
C. Simulasi motor induksi 1 fasa menggunakan pengendali SVPWM Dengan menggunakan parameter yang telah dihitung melalui pengujian dan name plate motor, maka kita dapat melakukan analisa untuk melihat kinerja motor yang menggunakan pengendali SVPWM dengan pengaturan lebar pilsa yang dihasilkan oleh PWM. Gambar 7 memeperlihatkan model simulink motor induksi 1 fasa dengan pengendalian SVPWM.
(c)
Gambar 7. Model Simulink motor induksi 1 fasa dengan pengendalian SVPWM. (d)
IV. HASIL SIMULASI Gambar 8. (a) Tegangan , (b) Arus, (c) Torsi, (d) Kecepatan motor.
Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi menggunakan software Matlab dengan menggunakan SVPWM.
Hasil simulasi seperti diperlihatkan Gambar 8 (a) terlihat bahwa dengan pengontrolan SVPWM masukan sebesar 220 V dantegangan keluaran 220 V, di peroleh arus Istart sebesar 5,3 A dan Inom = 1,3 A. Sedangkan torsinya sebesar 0.6327 N.m dan kecepatan sebesar 3027 rpm masing-masing diperlihatkan Gambar 8 (c) dan (d). A. Simulasi motor induksi 1 fasa menggunakan autotrafo Gambar 9 memperlihatkan rangkaian simulink motor induksi yang dikendalikan autotrafo dengan tegangan keluaran autotrafo sebesar 220 Volt. Gambar 9 (a) memperlihatkan bahwa dengan sudut pemicuan sumber 113
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
tegangan sebesar 220 Volt diperoleh arus pengasutan (Istart) sebesat 6.1 A, arus nominal (Inom) sebesar 1.3 A. Sedangkan kecepatan motor diperoleh sebesar 2867 rpm dengan torsi sebesar 0.5 N.m.
(d) Gambar 10. Profil tegangan, arus, kecepatan dan torsi untuk Vtrafo = 220 V. V. KESIMPULAN
Gambar 9. Model simulink motor induksi 1 fasa dengan autotraformator.
(a)
Dari pengujian laboratoriun, simulasi dan analisis unjuk kerja motor induksi 1 fasa FUJIKAWA 100 Watt dengan menggunakan pengendali SVPWM, diperoleh beberapa kesimpulan antara lain: 1. Analisis kinerja motor induksi (kecepatan, kerja, torsi, arus, cosφ) menggunakan SVPWM didapatkan hasil yang lebih baik dari pada mengunakan autotrafo. 2. Untuk arus start dengan menggunakan kontrol SVPWM Arus penghasutan lebih optimal dibandingkan dengan kontrol menggunakan auto trafo yaitu Arus start yang menggunakan SVPWM sebesar 5.3 Ampere dan arus nominalnya sebesar 1.3 ampere, sedangkan dengan menggunakan auto trafo arusnya sebesar 6.1 Ampere dan arus nominalnya sebesar 1.6 ampere. 3. Perbandingan kinerja motor induksi 1 fasa menggunakan SVPWM dengan autotrafo diperoleh bahwa untuk Vrms sebesar 220 Volt, putaran motor yang dihasilkan oleh pengendali SVPWM sebesar 3027 rpm, sedangkan dengan menggunakan autotrafo sebesar 2867 rpm. Sedangkan torsi yang dihasilkan dengan pengendali SVPWM sebesar 0,6327 N.m dan dengan autotrafo sebesar 0.5 N.m
DAFTAR PUSTAKA (b)
[1]
[2]
[3]
[4].
(c)
[5]
[6]
Anggu Anugra, Marinzan Bin Sulaiman, Rosli Omar “Space Vector Anaysis In Electrical Drives For Single–Phasa Induction Motor Using” Faculty of Electrical Engineering, Universiti Technical Malaysia. Bai Hua, et al., “Comparison of Three PWM Strategies –SPWM, SVPWM & One-cycle Control”, Power Electronics and Drive Systems, 2003. PEDS 2003. The Fifth International Conference on Volume 2, 17-20 Nov. 2003 Page(s):1313 - 1316 Vol.2. Wei-Feng Zhang and Yue-Hui Yu, “Comparison of Three SVPWM Strategies” Journal of Electrical Science and Technology of China, Vol. 5. No.3, September 2007. pg. 283 -287. P. C. Krause, 0. Wasynczuk, and S. D. Sudhoff, “Analysis of electric machinery”, IEEE Press, Piscataway, N.J., 1996, ISBN 0-7803-1 101-9, pp.415- 477. H. Kragh, “Modelling, analysis and optimisation of power electronic circuits for low-cost drives”, Ph.D. Thesis, Aalborg University - Denmark, Institute of Energy Technology, February, 2000. Frede Blaabjerg, et. al., “Comparison of Variable Speed Drives for Single-Phase Induction Motors”. Power Conversion Conference 2002, PCC Osaka 2002, Proceedings of the Volume 3, 2-5 April 2002 Page(s):1328-1333 vol. 3.
114
