PERANCANGAN VEKTOR KENDALI SPWM INVERTER SEBAGAI KONTROL MOTOR TURBIN ANGIN PADA GENERATOR INDUKSI 3 FASA
Heru Danarbroto Abstrak
Metode vektor kontrol SPWM inverter merupakan metode pengaturan vektor tegangan yang digabungkan dengan pengaturan amplitudo dan frekuensi untuk mengendalikan kecepatan motor induksi melalui teknik pengendalian inverter. Pengaturan vektor berfungsi untuk mentransformasikan sistem arus 3 fasa kerangka acuan tetap (a,b,c) menjadi elemen dua fasa kerangka acuan tetap (α,β) melalui transformasi clarke. Kemudian dari kerangka acuan tetap diubah menjadi elemen dua fasa kerangka acuan bergerak (d,q) melalui transformasi park.Didalam sistem 2 fasa inilah analisis vektor ruang dilakukan untuk menghasilkan konfigurasi penyaklaran IGBT pada rectifier atau inverter. Spacevector PWM ditujukanuntukmembentuktegangankeluarandari PWM converter mendekatiteganganreferensinyamelalui proses switching dari 8 konfigurasipenyaklaran IGBT yang dihasilkandari 6 buah vector yang membentuk 6 interval waktu yang masing-masing tergeser 600 danduabuahvektortegangannol (zero voltage vectors) yang berada di pusatkoordinat. Dengan metode ini berhasil meningkatkan efisiensi kerja motor-generator induksi melalui peningkatan kerja inverter 3 fasa jika dibandingkan dengan teknik SPWM ataupun scalar kontrol yang hanya menitik beratkan pada pengendalian frekuensi dan tegangan tanpa mempertimbangkan acuan gerak stator motor. Kata kunci : Space vector control, Rectifier, Inverter, Transformasi Clarke, Transformasi Park.
1 PENDAHULUAN
dengan
1.1 Motor Induksi
meningkatnya jatuh tegangan.
Pengendalian secara
motor
konvensional
induksi
impedansi
tinggi,
serta
Denganberkembanganya
menyebabkan
elektronika daya, pengendalian motor arus
konsumsi energi listrik tidak efisien, hasil
bolak-balik induksi dilakukan dengan cara
produksi
mengubah tegangan, frekuensi sumber dan
tidak
fleksibel,
dan
sangat
mungkin menyebabkan mudah rusaknya
keseimbangan
motor listrik karena selalu dipaksa bekerja
proposional
pada kecepatan maksimal. Permasalahan
Divais seperti ini umumnya dinamakan
lain
Variable Speed Drive (VSD), dengan
adalah
munculnya
daya
reaktif
kerapatan dapat
kendali
fluks
secara
diimplementasikan.
induktif yang menyebabkan menurunnya
sistem
menggunakan
kualitas daya listrik dan faktor daya
control ataupun vector control.
skalar
Pengendalian
induksi
pada motor induksi tiga fasa berbasis
Control
V/Hz dan Direct torque control, 2010).
selain dapat mengendalikan torsi dan
Pada Gambar1 ditunjukkan pengendalian
kecepatan secara baik, juga mempunyai
kecepatan motor DC yang membutuhkan
keuntungan lain, antara lain :
outer loop untuk mengendalikan kecepatan
1. Penggunaanenergimenjadiefisien,
dan inner loop untuk mengendalikan torsi.
dengan
motor
menggunakan
Vector
2. Peningkatanfleksebilitasproduksi,
*
3. Peningkatanumurkomponenmekanik
speed controller
4. Memudahkanuntukpemeliharaan.
2. DASAR TEORI Metode vector control bertujuan
Gambar 1. Pengendalian kecepatan pada motor DC
mesin
induksi
Dari uraian di atas, Variable Speed Drive
generator
AC)
yang
yang menggunakan motor DC memiliki
diemulasikan dari kinerja mesin DC. Pada
beberapa keunggulan, yaitu :
mesin DC, fluksi stator s dihasilkan oleh
stator (fieldwinding) dan fluksi rotor r dihasilkan oleh arus yang dialirkan ke jangkar
(armature
winding)
melalui sikat dan komutator yang selalu menyebabkan posisi medan magnet stator
Pengendaliantorsi
dapat
dilakukan
secara cepat dan akurat
arus yang dialirkan pada belitan medan
belitan
motor DC
kinerja
mengendalikan (motordan
torque controller
Responkecepatantinggi
Rangkaiankendalisederhana
Tetapi beberapa kelemahan juga akan muncul, yaitu :
Motor DC memerlukan perawatan secara berkala
dan medan magnet rotor saling tegak lurus yang
Harga motor DC relatifmahal
dihasilkan kedua medan magnet tersebut
Diperlukanencodersebagaiumpanbalik
selalu
Dengankelemahan-kelemahan
sehingga
torsi
maksimum.
elektromagnet
Kondisi
demikian
di
atas,
sering dinamakan berbasis orientasi medan
dewasainibanyakdikembangkanVSD yang
(field orientation). Sekali kondisi field
menggunakan motor AC jenis motor
orientation tercapai, maka torsi pada motor
induksi
DC dapat dikendalikan dengan mudah
menawarkanbeberapakeunggulan,
melalui pengaturan arus jangkar dengan
antaranyaukurannyalebihkecil,
tetap menjaga arus medan konstan (Riyadi
konstruksisederhana,
Slamet, Penggerak kecepatan variable
bebasperawatandanhargamurah.
(IM)
yang di kokoh,
Sehinggabanyakdikembangkanteknik-
teknikmengendalikankecepatan motor AC yang
bertujuanmengemulasikankinerja
motor DC padaVSDberbasis motor AC
Vs Rs i s
d s [1] dt
Vr Rr i r
d r j r 0 [2] dt
(Ojo,O., Consoli, A., danLipo, T.A., 1990, An Improved Model of Saturated Induction
Sedangkan persamaan untuk fluks stator dan rotor adalah :
Machines).
s Ls i s Lm ir [3] r Lr ir Lm i s [4]
2.1 RangkaianEkuivalen Motor/Generator Induksi
Jika persamaan (4) disubstitusikan ke
Model motor/generator diperoleh dari
persamaan (2), maka :
rangkaian
ekivalen
motor/generator
induksi seperti terlihat pada gambar 2 (a)
Vr
Rr r Lm is d r j r r 0 [5] Lr dt
Sehingga dari persamaan (5) dapat
dan (b).
diperoleh persamaan turunan fluks rotor :
R d r r Lm iS dt Lr
R r j r r [6] Lr
Jika persamaan (3), (4), dan (6) disubstitusikan ke persamaan (1), maka : (a) Rangkaian sumbu-ds
s
2 L R Vs Rs m 2 r Lr
2 L i s Ls m Lr (7)
Dari persamaan
d L j L R is m r m r 2 L dt Lr r
r
, persamaan turunan arus
stator dapat dinyatakan sebagai berikut Lr d is 2 dt L s Lr Lm
2 L Rs m2 Lr
L L i s m Rr j m r r s L2 L r r
Sehingga dari persamaan (6) dan (8), muncul model motor induksi dalam kerangka (b). Rangkaian sumbu-qss Gambar 2. Rangkaian ekivalen model dinamik motor induksi tiga fasakerangka acuan stator Dari gambar rangkaian 2, dengan asumsi tegangan rotor motor induksi adalah nol (vqr = vdr = 0), maka persamaan tegangan stator dan rotor motor induksi adalah :
acuan stator (sumbu αβ) adalah : L R Lm L 1 Rs m 2 r i s m r V Ls Lr Tr r Ls Lr r Ls s Lr L R L Lm Lr d 1 Rs m 2 r i s m r r i s V 2 Ls Lr Tr r Ls s dt Ls Lr Ls Lr Lm Lr
Lr d i s 2 dt L s Lr Lm
L d 1 r m i s r r r [11] dt Tr Tr L d 1 r m i s r r r dt Tr Tr
[12]
(Nguyen PhungQuang, Jörg-Andreas
With Ramp Exciting Voltage”, Annals of
Dittrich, “VectorControl of ThreePhase
the University of Craiova, Electrical
AC Machine”,September 1965).
Engineering series, No. 30, 2006)
Strategi Pengendalian Vektor Kontrol
id Cos(e t ) sin ( e t ) i iq sin( t ) Cos ( t ) i [15] e e
Dalam sistem kendali motor berbasis
Sedangkan
vektor
harus
kerangka acuan bergerak (d,q) menjadi
dimanipulasi dari sistem 3 fasa kedalam
kerangka acuan bergerak (α,β), maka
kerangka referensi 2 fasa.
digunakan transformasi Park balik
maka
tegangan
motor
Ini berarti
untuk
mempresentasikan
bahwa arus motor harus diukur secara matematis berubah dari tiga-fase frame kerangka acuan stasioner (a, b, c) dari gulungan stator ke dua sumbu tegak lurus kerangka acuan diam atau yang disebut
i Cos(e t ) Sin (e t ) i d i Sin( t ) Cos ( t ) i q e e [16] Pada gambar 3 menunjukkan strategi
dengan transformasi clarke.
pengendalian motor induksi 3 fasa dengan
1 1 1 ia i 2 2 ib i 3 3 0 ic 2 2
sistem vektor SPWM. Pada sistem ini arus [13]
ubah kedalam referensi melalui persamaan
Sedangkan matriks transformasi dua fasa
ia i b ic
i i
clarke. Output dari persamaan ini adalah sistem 2 fasa dalam kerangka acuan stator
menjadi tiga fasa adalah : 1 0 2 1 3 3 2 2 1 3 2 2
3 fasa motor diambil melalui sensor arus di
(kerangka acuan diam). Komponen ini digunakan sebagai masukan transformasi [14]
Demikian pula, tegangan yang akan diterapkan pada motor secara matematis berubah dari frame kerangka acuan diam /
park yang menghasilkan komponen dq sebagai kerangka acuan bergerak (Zhenyu Yu and David Figoli, “AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240”,Texas
Instruments
Incorporated, April, 1998)
tegak lurus diubah kedalam kerangka acuan bergerak dari rotor yang disebut dengan transformasi park (SZABÓ C, Maria IMECS, Ioan Iov, Incze, ”VoltHertz Hontrol of the Synchronous Motor
3.METODOLOGI PENELITIAN Untuk menjalankan sistem Vektor PWM inverter maka komponen arus dq
diumpan balikan melalui referensi arus dq
menghasilkan tegangan DC yang linier
yang diolah melalui PI kontroller untuk
dengan
menghasilkan transformasi park balik dari
terhadap tegangannya. Untuk meratakan
dq ke Komponen dimodulasikan dengan
tegangan keluaran rectifier dipasang tapis
sinyal carrier segitiga dalam suatu sistem
kapasitor elektronik C pada terminal
SPWM
keluaran penyearah. Tegangan searah yang
(Sinusoidal
PulseWidth
Modulation) sehingga menghasilkan pulsa-
sifat
gelombang
arus
sefasa
dihasilkan dari sistem penyearah adalah :
pulsa kontrol yang sudah terkendali secara vektor untuk menjalankan saklar daya
Ed
IGBT pada inverter 3 fasa.
3 2
Ell
(17)
.....................
dengan Ed dan Ell masing-masing adalah tegangan keluaran searah dan tegangan bolak-balik antar fasa-masukan. Tegangan searah keluaran bridge rectifier setelah ditapis
dengan
kapasitor,
selanjutnya
dikonversi menjadi tegangan bolak-balik oleh inverter. Untuk mengendalikan saklar Gambar 3. Skema dasar inverter terkendali vektor
IGBT pada sistem inveretr diperlukan driver yang berfungsi memindahkan sinyal kontrol dengan tegangan kecil kedalam
3.1 Sistem inverter 3 fasa Skema
yang
rangkaian
digunakan
untuk
Rectifier yang disusun dari enam dioda yangdihubungkan
jembatan
berfungsi
untuk mengkonversikan tegangan bolakbalik
menjadi
tegangan
searah
(penyearah). Selain dengan penyearah dioda sistem rectifier
ini
juga bisa
menggunakan motode Rectifier SPWM yaitu sistem penyearah yang terkendali melalui
penyakalaran
IGBT
sehingga
yang
bekerja
pada
tegangan yang relatif lebih besar.
pengendalian arus bolak-balik (AC Drive) pada sistem inverter terdiri dari Bridge
daya
Dengan teknik kendali SPWM maka konfigurasi saklar daya inverter diatas
dapatmenghasilkan
beberapa
kemungkinan pensaklaran seperti pada gambar berikut :
Tabel-1: Konfigurasi Switching dari Three-Leg 000
001
010
011
100
101
110
111
Voltage
Source
PWM
Converter
Gb. 5 Konfigurasi saklar daya inverter 3 fasa 3 lengan
4.HASIL PENELITIAN Inverter 3 fasa memiliki enam buah
Konfigurasi switching dari sistem inverter
saklar daya (3 lengan) yang masing-
3 fasa diatas menghasilkan 8 buah vektor
masing saklar dapat dikendalikan waktu
yang terdiri dari 6 buah vektor tegangan
On dan Off-nya. Setiap pasang saklar (1
aktif
lengan) inverter bekerja pada sistem 1 fasa
menghasilkan 3 buah tegangan line to line
sehingga keduanya harus dikendalikan
dan 2 buah vektor tegangan pasif (pasive
secara berlawanan, sementara terhadap
voltage
lengan yang laen masing-masing bekerja
tegangan nol. Suatu vektor tegangan yang
berdasarkan pergseran fasa sistem 3 fasa
berada
yaitu tergeser 1200 sehingga terbentuk
merepresentasikan tiga buah tegangan line-
logika
line
pensaklaran
inverter
3
fasa
ditunjukkan pada tabel 1.
(active
voltage
vectors)
yang
pada
selalu
Perputaran
dengan
yang
menghasilkan
sumbu
tersebut.
berlawanan
vectors)
arah
vektor
jarum
jam
sepanjang 3600 yang merepresentasikan tegangan sinusoidal tiga fasa ideal dengan amplituda
ditentukan
oleh
besarnya
magnitute dari vektor tegangan tersebut. Dalam
radian
masing-masing
ditunjukkan pada gambar 7
Gb. 6. Inverter 3 fasa dengan saklar IGBT
vektor
Dari gambar 8, Vs1 merupakan nilai
Phasa V V3
tegangan yang dihasilkan dari resultan
V2
S2
magnitute vektor V1 yang disimbolkan VR S3
S1
V4
V7
denganmagnitutevektor2yang disimbolkan
V0
Phasa U V1
dengan VL. Tegangan Vs1 bekerja pada
S4
S6
sektor 1 yang dibentuk dari 4 buah vektor V0 ,V1,V2 dan V7 sehingga menghasilkan
S5
logika pensaklaran yang ditunjukkan pada
V5
V6
tabel 2
Phasa W
Gb. 7. Vektor-vektor tegangan pada sumbudalam radian
Tabel-2 :logika Switching vector teganganpada sector 1 V0
V1
V2
V7
Dari gambar 6 merepresentasikan 8
U
0
1
1
1
topologi switching dalam bentuk segi
V
0
0
1
1
enam (atau Space Vector segi enam).
W
0
0
0
1
Vektor dalam radian dibagi menjadi 6 sektor.
Dari
menghasilkan
keenam 8
sektor
logika
yang
pensaklaran
tersebut dapat dihasilkan nilai tegangan
Dalam
bentuk
logika
pulsa
yang
menjalankan saklar daya IGBT pada inverter ditunjukkan pada gambar 8.
stator motor induksi dengan metode pada gambar 8.
V0
V1
V2
V7
V2
V1
V0
000
100
110
111
110
100
000
U V2
V W Vs1
VL
Gb. 9. Logika pulsa vector tegangan pada VR
V1
sector 1 Gb. 8.Realisasinilaitegangan yang dibentukolehduabuah vector
Melalui metode penyaklaran saklar daya inverter
dengan
pola
pengendalian
berdasarkan pengendalian masing-masing
sektor
maka
meminimalkan
rugi-rugi
pensaklaran inverter. Dengan metode vektor kontrol yang menghasilkan seperti
8
yang
topologi
penyaklaran
direpresentasikan
pada
gambar 8, menghasilkan tegangan fasa netral inverter 3 fasa dengan nilai tegangan berdasar tabel persamaan berikut :
Tabel-3
Nilai
tegangan
keluaran
inverter dengan metode vektor kontrol
Gb.10. Pola penyaklaran vektor secara berurutan pada masing-masing sektor
6.
Kesimpulan
1. Metode vektor kontrol SPWM inverter ini dapat diimplementasikan dengan baik
dalam
untuk
mengendalikan
Nilai tegangan tersebut dihasilkan dari
saklar IGBT pada rectifier dan inverter
suatu alogaritma pulsa penyaklaran invertr
pada aplikasi turbin angin sebagai
space vektor SPWM secara lengkan dari
terobosan untuk pengembangan energi
gambar 9.
terbarukan 2. Untuk proses realisasi metode kendali Space vector Sinusoidal pulse width Modulation lebih mudah diimplementasikan
secara
digital
yang
merepresentasikanpulsa-pulsa penyaklaran sector.
pada
masing-masing
7.
8. Trzynadlowsky Andrzej M, “Control
Daftar Pustaka
of induction motors”, department of 1. A. K. Sharma, R. A. Gupta, Laxmi Srivastava, “Performance of ann based indirect vector control induction motor
electrical engineering university of Nevada, 2001 9. Zhenyu Yu and David Figoli, “AC
drive”, Journal of Theoretical and
Induction
Applied Information Technology, 2007
Constant V/Hz Principle and Space
2. Musafa,Akhmad,“SimulasiPerancanga nPengendaliVektorArusPada
Motor
Induksi 3 Fasadengan C-MEX SFUNCTION”,
Seminar,
Universitas
Indonesia, 2007. Dittrich, “vector control of three phase AC Machine”, e-ISBN: 978-3-540-
TMS320C240”,
Using
Technique Texas
with
Instruments
Incorporated, April, 1998. 10. Simoes, M.G, Farret, F.A, “Renewable
4. Ojo,O., Consoli, A., danLipo, T.A., Improved
with Induction Generator”,Crc press, Boca raton, Florida, 2004 11. SZABÓ C, Maria IMECS, Ioan Iov, Incze, ” Volt-Hertz Hontrol of the
79029-7, September 1965 “An
PWM
Control
energy systems Design and Analysis
3. Nguyen PhungQuang, Jörg-Andreas
1990,
Vector
Motor
Model
of
Synchronous
Motor
With
Ramp
Exciting Voltage”, Annals of the
Saturated Induction Machines”, IEEE
University
Trans. on Industry Applications, vol 26
Engineering series, No. 30, 2006.
of
Craiova,
Electrical
12. “Field Orientated Control of 3-Phase
no 2, maret, 1990 5. Rahsyid M.H, “Power Electronics:
AC-Motors”,
Literature
Number:
Circuits, Devices and Applications”,
BPRA073, Texas Instruments Europe,
PT Prehallindo, Jakarta, 1999.
February 1998
6. Riyadi, Slamet, “Penggerak kecepatan
13. www.st.com, “Flux control simulink
variable pada motor induksi tiga fasa
and software library of a PMSM”,
berbasis V/Hz dan Direct torque
Application note, AN2290, March
control “,Unika Soegijapranata, 2010
2007
“Metode
7. Soemarto,
Baru
Dalam
Identifikasi Parameter Motor Induksi“, Epsilon
:
Engineering
Journal and
of
Electrical Information
Technology Vol. 1, No. 1, July 2003.
