HERTZ

SERI KAJIAN ILMIAH, Volume 14, Nomor 2, Nopember 2011 ________________________________________________________________________________

PENGARUH INJEKSI HARMONISA ORDE KE TIGA TERHADAP KECEPATAN MOTOR INDUKSI DENGAN KENDALI TIPE VOLT/HERTZ Leonardus. H. Pratomo Fakultas Teknik Elektro Unika Soegijapranata ABSTRAKSI Suatu alat pengerak mutlak dibutuhkan di industri, sehingga tren pemanfaatan alat ini berkembang sangat pesat. Alat pengerak ini sebagian besar adalah motor induksi, hal ini dikarenakan motor jenis ini memiliki keandalan, reabilitas, efisiensi yang tinggi serta dijual dengan harga yang sangat murah. Metode pengendalian alat pengerak ini biasanya menggunakan inverter berbasis modulasi lebar pulsa sinusoidal. Dalam makalah ini akan dibahas tentang pengaruh injeksi harmonisa orde ketiga terhadap kinerja motor induksi tiga fasa sebagai alat penggerak berbasiskan kendali volt/hertz. Suatu ujicoba dilakukan dengan menggunakan sinyal 50 Hz kemudian dilanjutkan dengan sistem injeksi harmonisa orde ketiga yaitu 150 Hz dengan kombinasi amplitude. Dari hasil uji coba skala laboratorium alat ini dapat bekerja dengan baik dengan frekuensi operasi 5 sampai 50 Hz dan menunjukkan operasi paling baik pada amplituda 0.25. Kata kunci: Motor induksi, inverter, injeksi harmonisa orde ketiga.

PENDAHULUAN Dalam analisis pasar yang dilakukan terhadap pemanfaatan motor listrik di industri ternyata motor induksi paling banyak digunakan walaupun motor jenis ini memiliki teknik pengendalian yang lebih rumit dibandingkan motor dc, namun karena faktor keandalan, realibilitas, effiisiensi yang tinggi lebih dari 90%, mudah perawatannya dan dijual dengan harga yang sangat murah [2] menyebabkan motor jenis ini paling banyak digunakan di industri maupun di rumah tangga. Pengendalian kecepatan putaran motor induksi ini dilakukan dengan beberapa macam cara diantaranya mengatur tegangan dan frekuensi inverter.

Metoda paling efisien untuk mengatur tegangan dan atau frekuensi inverter adalah dengan menggunakan modulasi lebar pulsa sinusoidal ke dalam rangkaian daya inverter. Inverter ini mampu menggerakkan putaran motor induksi dengan putaran yang halus dan rentang yang sangat lebar (linier). Keuntungan inverter dioperasikan dengan teknik modulasi lebar pulsa sinusoidal sebagai sarana konversi energi adalah rendahnya distorsi harmonik pada tegangan keluaran. Selain itu dengan teknik ini dianggap lebih praktis dan ekonomis untuk diterapkan karena semakin tersedianya komponen semikonduktor yang digunakan sebagai saklar daya yang mempunyai waktu pensaklaran yang sangat cepat.

115


Metoda pengaturan kecepatan motor induksi dilakukan dengan cara mengatur frekuensi kerja dan tegangan keluaran inverter, beberapa penelitian yang telah dilakukan antara lain dengan inverter konstan tegangan variable frekuensi, variable tegangan konstan frekuensi atau dengan variable tegangan variable frekuensi. Untuk mengimplementasi sistem diatas beberapa cara telah dilakukan yaitu dengan menggunakan mikrokontroller, DSP, Field Programable Gate Array dan secara analog. TINJAUAN PUSTAKA MOTOR INDUKSI Suatu motor induksi terdiri dari beberapa belitan yaitu tiga buah di bagian stator dan tiga buah dibagian rotor, berikut ini Gambar 1 Penampang motor induksi

R

I

X

1

X’

1

R ’2 /S

2

1

R

X

FE

H

Gambar 2. Rangkaian ekivalen satu fasa Ketika motor dibebani pada keadaan normal, maka frekuensi rotor akan berbeda dengan frekuensi yang dihasilkan oleh putaran rotor dan stator sehingga akan menghasilkan slip. Dengan perubahan ini maka rangkaian ekivalen dapat ditambahkan R2 ' dengan faktor 1 S dimana S adalah slip

R

I

X

1

X’

1

R ’2 /S

2

I '2

1

R

X

FE

R '2

H

1 S S

Gambar 3. Rangkaian ekivalen satu fasa dengan beban

Gambar 1. Penampang motor induksi Rangkaian ekivalen digambarkan dengan resistansi dan induktansi. Besarnya reaktasi induktasi adalah , dimana L XL 2 f L dalam ohm adalah induktansi dan f adalah frekuensi. Belitan di rotor dan stator akan saling berinteraksi setiap waktu sehingga akan menghasilkan induksi magnet yang akan mengakibatkan rugi-rugi besi dan hysterisis R FE serta rugi-rugi magnetik X H

Pengaturan kecepatan dari motor induksi dapat dilakukan dengan tiga buah cara yaitu merubah slip, merubah pole atau frekuensi n

no

nS

f

60 p

nS

(1) Dimana n o adalah putaran medan yang dihasilkan oleh stator n S adalah kecepatan slip p adalah jumlah pole

116


Jika diinginkan merubah slip yang harus dilakukan adalah dengan cara merubah resistansi di rotor atau dengan cara mengurangi tegangan di stator. Jika pole dirubah, maka akan mengubah belitan motor dimana kompling antara fasa harus diperhatikan. Cara yang terakhir adalah dengan mengubah frekuensi yang masuk ke motor. Dengan demikian utuk merubah kecepatan motor dapat dilakukan secara effektif dengan cara membuat tegangan dan frekuensi rendah ke tegangan dan frekuensi tinggi maka motor dimungkinkan untuk dikendalikan putarannya. Berikut ini adalah rangkaian ekivalen arus motor induksi pada keadaan berbeban, gambar 4.

RTH

XTH

R'2

X '2 I '2

U TH

R'2

1 S S

Gambar 4. Rangkaian ekivalen arus motor dengan beban dari gambar persamaan

ZTH

R1 j X 1 (2)

dapat

diturunkan

j X H RFE

RTH

suatu

j X TH

Sehingga persamaan arus didapat U TH I '2 RTH R' 2 j X TH X ' 2 S (3) Dengan topologi berdasarkan frekuensi dan tegangan yang masuk di motor induksi, maka metoda pengendalian motor induksi dapat dilakukan. Jika tegangan yang masuk di motor induksi dapat dirubah termasuk juga frekuensi kerjanya maka torka motor

juga dapat dikendalikan, berikut persamaan torka berbasis pengendalian tegangan dan frekuensi T

* 3 * V * I * cos 60 f* 1 S p

P n

k*

V f

(4) Berdasarkan persamaan (4) jika tegangan dan frekuensi konstan akan diperoleh torka yang konstan pula. Berdasarkan teori ini motor induksi dapat dikendalikan dengan berbasis tegangan dan frekuensi. MODULASI LEBAR PULSA Prinsip kerja modulasi lebar pulsa sinusoidal adalah perbandingan antara sinyal informasi (berbentuk sinusoidal) dan sinyal pembawa (berbentuk segitiga), dimana sinyal pembawa frekuesinya lebih besar dari sinyal informasi, perbandingan amplitudo sinyal informasi dan amplitudo sinyal pembawa dikenal dengan istilah indeks modulasi. Pada sistem inverter tiga fasa menggunakan sistem sinyal informasi sinusoidal tiga fasa dibandingkan dengan sinyal pembawa dimana tegangan keluaran dapat dikendalikan dengan mengunakan indeks modulasi, besarnya indeks modulasi adalah : ma

Vm Vcr

(5)

Keterangan : ma

Indeks Modulasi

Vm

Amplitudo sinyal informasi

Vcr

Amplitudo sinyal pembawa

Pada sistem pengendalian motor induksi besarnya amplitudo dan frekuesi sinyal 117


pembawa adalah konstan sedangkan besar amplitudo dan frekuensi sinyal informasi adalah berubah yang dikenal dengan pengendalian jenis variable voltage variable frekuensi.

Gambar 6. Over modulasi Tegangan keluaran inverter dapat diperbesar dengan menggunakan sistem injeksi harmonisa orde ke tiga tanpa menyebabkan over modulasi, teknik ini dikenal dengan modulasi lebar pulsa sinusoidal termodifikasi dengan injeksi harmonisa orde ke tiga. Berikut ini adalah ilustrasi metode dengan injeksi harmonisa orde ke tiga Gambar 5. Modulasi lebar pulsa sinusoidal OVER MODULASI Jika suatu sinyal informasi memiliki amplitudo lebih besar dari pada amplitodo sinyal pembawa akan terjadi over modulasi, jika hal ini terjadi akan menyebabkan berkurangnya pulsa-pulsa kendali pada sistem inverter yang dikerjakan pada sistem kendali motor induksi. Berikut ini adalah ilustrasi sistem bekerja pada over modulasi. Untuk memperbaiki sistem ini biasanya digunakan sistem injeksi harmonisa orde ketiga.

Gambar 7. Sinyal informasi dengan injeksi harmonisa orde ke tiga Besarnya amplitudo tegangan keluaran untuk inverter tiga fasa adalah

118


n

(6) Keterangan : ma

V

ma

3 Vs 2

Tegangan/Frekuensi 1

Indeks modulasi Amplitudo tegangan setiap

fasa Vs

Tegangan sumber

Sehingga tegangan keluaran inverter fasafasa didapatkan 3 VL L Va n 2 3 ma Vs 2 2 0.612 Vs (7) Jika gelombang kotak diuraikan ke dalam bentuk gelombang didapatkan gelombang fundamental dan kelipatan ganjil sebagai berikut : Fx

2 3

sin ( x)

1 1 sin (3x) sin (9 x) ....... 2 60

(8) Maka besarnya dengan sistem injeksi harmonisa orde kedua didapatkan nilai sebesar m3th

1 Vs 2 (9)

teknik indeks modulasi yang linier terhadap frekuensi yang digunakan seperti gambar 8

0.1592 Vs

Dengan metode injeksi harmonisa orde ke tiga sistem akan naik efisiensinya sebesar 15,9 %. IMPLEMENTASI Dari konsep pengendalian motor induksi di atas didapatkan suatu metode pengendalian ekivalen dengan mengunakan

0,9 0,8

Indek Modulasi

Va

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0

20 Frekuensi 40

60

Gambar 8. Kurva pengendalian berbasis volt/hertz Dengan metode ini sinyal informasi akan selalu berbanding linier dengan frekuensi dan tegangan. Dalam implementasi suatu konversi tegangan ke frekuensi digunakan sebagai pembangkit gelombang kotak (pewaktu). Sinyal pewaktu ini dipakai untuk masukan pada sistem pencacah naik delapan bit yang digunakan sebagai alamat di sistem mikrokontroller 89S52 (port 1) untuk membuka data memori yang berisi gelombang sinusoidal dan atau gelombang sinusoidal dengan injeksi harmonisa orde tiga diskrit. Pergeseran sudut fasa dilakukan dalam software mikrokontrol untuk mendapatkan gelombang disktrit tergeser 1200 di port 2, 3 dan 4. Gelombang ini di olah oleh konverter digital ke analag untuk mendapatkan gelombang yang diinginkan. Masing-masing gelombang informasi dikalikan dengan besaran dc tertentu untuk membuat suatu sistem seperti gambar 8. Inverter tiga fasa yang dikendalikan dengan menggunakan teknik ini diimplementasi dengan memperbandingkan gelombang sinyal informasi tergeser 1200 dengan gelombang pembawa berbentuk segitiga. Dengan mengabungkan teknik ini

119


maka inverter dapat bekerja berbasis volt/hertz, berikut adalah diagram blok kendali yang diimplementasi.

V to F

Mikrokontroller

+V 8 bit Counter

-V

DAC

Penguat dan ofset

DAC

Penguat dan ofset

DAC

Penguat dan ofset

X S1 S1'

Driver

X

S2 S2'

Driver

X

S3 S3'

Driver

Gambar 11. Ujicoba kecepatan motor induksi terhadap berbagai sinyal informasi

Gambar 9. Diagram blok rangkaian kendali

IM

Gambar 10. Rangkaian daya inverter PEMBAHASAN Dari hasil ujicoba yang dilakukan di laboratorium alat ini dapat bekerja dengan baik, yaitu dengan mengatur tegangan maka sisi keluaran pengali akan terjadi dua perubahan yaitu frekuensi dan amplitudo dari gelombang sinusoidal tiga fasa. Dari sistem inilah dimunculkan kendali dasar seperti gambar 8. Berikut ini adalah ujicoba yang dilakukan dengan menggunakan sinyal informasi sinusoidal dan dengan menggunakan injeksi harmonisa orde ketiga dengan berbagai variasi amplitude.

KESIMPULAN Dari hasil uji coba di laboratorium sistem ini dapat bekerja paling baik pada injeksi 0.25 dan motor memiliki range frekuensi kerja 5 – 50 Hz. Untuk mengendalikan sistem ini hanya dilakukan dengan memutar tombol potensiometer yang diintegrasikan dengan sistem konversi tegangan ke frekuensi. UCAPAN TERIMA KASIH Kami ucapkan terima kasih kepada Direktorat Jendral Pendidikan Tinggi Departemen Pendidikan Nasional, karena telah membiayai penelitian ini dan saudara Emanuel Agung yang telah membantu dalam pelaksanaan penelitian ini.

120


DAFTAR PUSTAKA Alfredo Munoz-Garcya, Thomas A. Lipo, 1998. A New Induction Motor V/f Control Method Capable of High-Performance Regulation at Low Speeds. IEEE Tracsactions on Industry Aplications, VOL..34, NO. 4, July/August Ekstrom M. 2007, Induction Machine Speed Control, Tesis Computer Science Electronics, Malardalen University Filippich, M. 2002, Digital Control of Three Phase Induction Motor, Tesis Electrical Engineering, University of Queensland Gendroyono. P. 1999, Sistem Penggerak Motor Induksi dengan Beban Berubah Menggunakan Inverter Berbasis Mikrokontroller, Tesis S2, Universitas Gajah Mada. Hendriawan, A, dkk. 2004, Implementasi FPGA Sebagai Pembangkit Pulsa Pada Inverter 3 Fasa 18 Step dengan Topologi Triple Chopper Triple Bridge Inverter, Industrial Elektronics Seminar (IES 2004), PENS ITS Surabaya. Lazic, M and Skender M. 2000, Generating Driving Signal for Three Pahases Inverter by Digital timing Functions, Facta Univertitas (NIS) Series: Electronics and Energetics, Vol 13. Desember hal 353-364. Mohan, N Undeland T. M and Robin, W.P. 1995. Power Electronics Converter, Aplication and Design, Second Edition, Singapore, John Willey & Son Pratomo. H. L dan Riyadi S. 2006. Implementasi Inverter Tiga Fasa dengan Teknik Modulasi Lebar Pulsa Berbasis Mikrokontroller Tipe AT89S52, SITIA, ITSSurabaya. Pratomo. H. L dan Setiawan. B. Inverter Modulasi Lebar Pulsa Sinusoidal Sebagai Pengendali Motor Induksi Tiga Fasa Berbasis Memori dan Pewaktu Terprogram, Laporan Hiber tahun pertama 2009 Pratomo H. L. 2009, Pemanfaatan Mikrokontroller Tipe 89S52 sebagai Pengendali Motor Induksi Tipe Volt/Hertz. Conference of Information Technology and Electrical Engineering (CITEE), Yogyakarta Tole Sutikno, dkk. 2007. Pengendalian Kecepatan Putar Motor Induksi Tiga Fasa dengan Menggunakan Inverter Modulasi Lebar Pulsa Jamak Berbasis FPGA ACEX1K, Industrial Elektronics Seminar (IES 2007), PENS ITS Surabaya. Tole Sutikno, dkk. 2007. Inverter Modulasi Lebar Pulsa Sinusoidal Pengendali Motor Induksi tiga Fasa Berbasis FPGA ACEX1K, Industrial Elektronics Seminar (IES 2007), PENS ITS Surabaya.

121

HERTZ

Recommend Documents