Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012
1
Studi Regulasi Output Generator Induksi dengan Voltage Source Inverter Heri Ardiansyah, Dedet Candra Riawan, dan Sjamsjul Anam. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya E-mail:
[email protected]
Abstrak—Generator induksi banyak digunakan pada sistem pembangkit listrik tenaga air daya yang kecil (PLTMH). Kelebihan menggunakan generator induksi dalam sistem ini adalah lebih sederhana dan konstruksi yang lebih kuat dibanding generator sinkron. Tegangan dan frekuensi output generator induksi sangat sensitif terhadap perubahan beban. Perubahan beban akan menyebabkan tegangan dan frekuensi output generator induksi menjadi berfluktuatif. Oleh karena itu, diperlukan regulasi tegangan dan frekuensi output generator induksi agar tegangan dan frekuensi output generator induksi tidak berfluktuatif pada kondisi perubahan beban. Dalam tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan generator induksi dengan pemasangan rangkaian voltage source inverter. Pada sisi dc rangkaian inverter dipasang dc chopper untuk menyerap daya output generator yang tidak dialirkan ke beban. Generator induksi disimulasikan beroperasi dengan beban konstan dan beban yang berubah. Hasil simulasi menunjukkan tegangan dan frekuensi output generator induksi tidak berfluktuatif pada kondisi beban yang berubah. Kata Kunci—Generator Induksi, PLTMH, voltage source inverter, dc chopper.
I. PENDAHULUAN
P
ermintaan akan kebutuhan listrik semakin meningkat setiap tahunnya. Dengan berkembangnya isu mengenai perusakan lingkungan akibat dari penggunaan bahan bakar fosil, maka perlu dikembangkan teknologi-teknologi pembangkitan listrik yang memanfaatkan energi yang ramah lingkungan. Energi terbarukan seperti angin dan air merupakan alternatif yang dapat digunakan untuk membangun pembangkit listrik. Selain ramah terhadap lingkungan, energi ini juga dapat langsung dimanfaatkan seiring dengan ketersediannya di alam. Pemanfaatan energi ini diharapkan mampu untuk mengurangi ketergantungan terhadap penggunaan bahan bakar fosil. Salah satu energi yang bisa digunakan untuk menghasilkan daya listrik adalah dengan memanfaatkan potensi energi air. Indonesia merupakan negara yang berpotensi untuk dibangun pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Prinsip sederhana pembangkit listrik tenaga mikrohidro adalah memanfaatkan energi kinetik air untuk dikonversi menjadi energi listrik. Untuk daerah-daerah yang tidak terjangkau jaringan listrik dapat dibangun pembangkit listrik stand alone. Pembangkit listrik stand-alone bisa menggunakan generator induksi penguatan sendiri, seiring dengan kelebihan generator induksi dibanding generator sinkron yaitu : harga yang lebih murah,
brushless, operasi yang sederhana, tidak membutuhkan eksitasi DC, dan konstruksi yang lebih kuat [2]. Tegangan dan frekuensi output generator induksi pada pengoperasian pembangkit stand-alone sangat sensitif terhadap perubahan beban[1]. Hal ini akan menyebabkan generator induksi beroperasi pada tegangan dan frekuensi output yang berfluktuatif pada perubahan beban. Dalam hal ini perlu dilakukan pengaturan tegangan dan frekuensi output generator induksi. Metode yang dapat digunakan untuk mengatur tegangan dan frekuensi output generator induksi adalah menggunakan rangkaian Voltage Source Inverter (VSI). Tujuan dari pemasangan rangkaian voltage source inverter adalah mengatur tegangan dan frekuensi output generator induksi. Pada rangkaian voltage source inverter terdapat rangkaian dc chopper yang digunakan untuk menyerap daya output generator induksi yang tidak dialirkan ke beban. Dalam tugas akhir ini akan dilakukan pemodelan generator induksi dengan pemasangan rangkaian voltage source inverter sebagai pengaturan tegangan dan frekuensi output generator Induksi. Kemudian akan dilakukan analisis mengenai pengaruh pemasangan rangkaian tersebut terhadap output generator induksi. II. GENERATOR INDUKSI DAN APLIKASI PADA PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA MIKROHIDRO
A. Pembangkit Listrik Tenaga Mikrohidro Besarnya daya mekanik yang didapat dari aliran air pada ketinggian tertentu dapat dirumuskan :
P Qgh
(1)
P = Daya mekanik (Watt) = Intensitas air (1000 kg/m2) Q = Debit aliran (m3/s)
g = Konstanta percepatan gravitasi bumi (m/s2) h = ketinggian aliran air (m) Gambar 1 menunjukkan skema sederhana pembangkit listrik tenaga mikrohidro yang menggunakan generator induksi.
Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012 Q h Turbin
Generator Induksi
3 fasa
GI Beban Eksitasi
Gambar. 1. Skema PLTMH
B. Generator Induksi Penguatan Sendiri Keuntungan dari generator induksi penguatan sendiri adalah dapat diaplikasikan pada pembangkit listrik stand alone. Generator jenis ini tidak membutuhkan sistem jaringan untuk eksitasi. Generator induksi penguatan sendiri menggunakan rotor jenis sangkar tupai (squirrel cage rotor). Salah satu keuntungan rotor tipe ini adalah lebih kuat dibandingkan dengan rotor tipe belitan (wound rotor). Kebutuhan eksitasi untuk membangkitkan medan magnet pada rotor diperoleh melalui pemasangan kapasitor pada belitan stator. Gambar 2 merupakan salah satu contoh skema dari generator induksi penguatan sendiri. Pada belitan stator dipasang kapasitor paralel pada masing-masing belitan stator untuk memenuhi kebutuhan eksitasi generator. Prime mover
Generator induksi
2
Salah satu metode yang digunakan untuk mengatur output generator induksi adalah dengan pemasangan governor mekanik. Pengaturan dengan governor mekanik dapat dilihat pada Gambar 3a. Untuk pembangkit listrik skala kecil, penggunaan governor mekanik dianggap tidak ekonomis. Selain itu, efek transient governor mekanik sangat lambat karena konstanta mekanik yang besar terhadap pengaruh perubahan beban. Sehingga penggunaan governor mekanik menjadi tidak efektif. Metode lain yang dapat digunakan untuk mengatur tegangan dan frekuensi output generator induksi adalah dengan menggunakan rangkaian VSI. Pengaturan dengan menggunakan rangkaian VSI dapat dilihat pada Gambar 3b. Pemasangan rangkaian VSI dapat menggantikan pemakaian governor mekanik. Rangkaian VSI dipasang paralel dengan generator. Rangkaian VSI dapat berfungsi sebagai sumber daya reaktif untuk eksitasi pada generator induksi. Sehingga tidak perlu kapasitor sisi ac sebagai eksitasi. Pemasangan kapasitor pada sisi ac digunakan sebagai filter output inverter. Secara umum, rangkaian VSI yang digunakan terdiri dari inverter 3 fasa dan rangkaian pengontrol tegangan dc yang terdapat resistor DC (Rdc) sebagai dump load.
Beban
a. Kapasitor Eksitasi
Prime mover
Generator induksi
Beban
GI Gambar. 2. Generator Induksi Penguatan Sendiri.
Tegangan yang terbangkit pada generator bergantung pada besarnya kecepatan dan fluks. Tegangan yang terinduksi pada generator dapat dirumuskan dengan persamaan di bawah ini:
Ea cn
Dump Load (Rdc)
(2)
Cdc
C
VSI
Lf
Ea
= Tegangan Terinduksi (Volt)
c
= Konstanta Mesin
= Fluks (Weber)
n
= Kecepatan putar (rpm)
Kecepatan generator diatur sesuai dengan kecepatan prime mover, sedangkan fluks bergantung pada besarnya kapasitor eksitasi. C. Pengaturan Tegangan dan Frekuensi Output Generator Induksi. Dalam pengoperasiannya, generator induksi sangat sensitif terhadap perubahan beban. Perubahan beban akan menyebabkan tegangan dan frekuensi output generator induksi berfluktuatif. Untuk menjaga output generator induksi tidak berfluktuatif, perlu dilakukan analisis mengenai regulasi tegangan dan frekuensi output generator induksi.
Duty Cycle
PWM
b. Gambar. 3. a. Pengaturan dengan Governor Mekanik[1], b. Pengaturan dengan VSI.
III. PENGATURAN OUTPUT GENERATOR INDUKSI DENGAN VOLTAGE SOURCE INVERTER. A. Skematik Total Sistem Rangkaian VSI dapat digunakan untuk menyerap daya yang tidak dialirkan ke beban. Aliran daya dalam sistem ini dapat dirumuskan dengan persamaan :
Pgen Pbeban Pinv
(3)
Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012 Daya total output generator induksi merupakan total daya yang disuplai ke beban dan daya yang diserap oleh rangkaian VSI. Gambar 4 menunjukkan skematik sistem secara umum. Sistem ini terdiri dari prime mover, generator induksi, rangkaian VSI, pengaturan tegangan generator, pengaturan tegangan dc, current controlled PWM, dan beban.
3
C. Parameter Generator Induksi Mesin induksi yang digunakan adalah mesin induksi yang terdapat di laboratorium. Gambar 6 merupakan mesin induksi yang digunakan. Untuk mendapatkan parameter-parameter mesin dilakukan tes mesin induksi. Dari tes yang dilakukan, didapat parameter sebagai berikut : Tabel 1. Spesifikasi Mesin Induksi Parameter
Nilai
Type Kw/HP V A Seri No IP Hz rpm
EM802-4 0,75/1 220/380 3,6/2,1 001321 55 50 1380
Gambar. 6. Mesin Induksi. Tabel 2. Parameter Mesin Induksi Gambar. 4. Skematik Total Sistem
B. Prime Mover Untuk memutar generator, maka diperlukan prime mover sebagai penggerak. Pemodelan prime mover pada sistem ini mengikuti karakteristik turbin pada pembangkit listrik tenaga mikrohidro. Turbin yang digerakkan oleh tenaga air dikopel dengan generator yang akan membangkitkan energi listrik. Dengan asumsi daya mekanik yang didapatkan dari aliran air selalu konstan, karakteristik turbin dapat dimodelkan dengan rumusan sebagai berikut [1]: (4) Tsh T0 M ( 0 )
T0 , 0 adalah setiap titik pada kurva Torsi vs kecepatan pada gambar 5. M adalah gradien negatif dari persamaan linear karakteristik torsi pada gambar 5.
Parameter
Definisi
Nilai
Rs L1s Rr L1r Lm p
Resistansi stator Induktansi stator Resistansi rotor Induktansi rotor Induktansi magnetisasi Jumlah kutub
10,79 Ohm 0,095 H 10,08 Ohm 0,095 H 0,61 H 4
D. VSI 3 Fasa Gambar 7 menunjukkan rangkaian voltage source inverter 3 fasa, terdiri dari 3 lengan dengan 6 buah IGBT. Pensaklaran inverter ini diatur dengan metode current controlled PWM. + S1
Vab S6
S2
-
Daya Mekanik
Torsi
S5
Vdc S4
T(Nm)
S3
Gambar.7. Rangkaian VSI 3 Fasa
Nr 0
Kecepatan putar
N(rad/ s)
Gambar.5. Karakteristik Torsi
Kecepatan prime mover akan semakin kecil ketika beban semakin besar. Sebaliknya, kecepatan prime mover akan besar ketika beban semakin kecil.
E. Current Controlled VSI 3 Fasa Pensaklaran pada VSI 3 fasa menggunakan metode linear current controlled PWM. Metode ini menggunakan kontroller PI. Gambar 8 menunjukkan metode current controlled PWM yang digunakan untuk mengatur pensaklaran VSI 3 fasa.
Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012 +
I ref(t)
I err(t)
I mod(t) PI
+
PWM Current Control
-
-
Komparator
I inv(t)
Sinyal Segitiga
Gambar.8. Current Controlled PWM
I err (t ) I ref I inv (t )
(5)
I err
= Sinyal arus error
I ref
= Arus referensi
I inv
= Arus inverter yang terukur.
Sinyal error ini dikelola oleh kontroller PI dengan rumusan : t
I mod (t ) K pcc I err (t ) K icc I err (t )dt
4
Verr
= Sinyal tegangan error
Vref
= Tegangan referensi
Vab
= Tegangan generator (line to line) rms yang terukur.
I set
= Sinyal output PI.
K pab
= Konstanta proportional PI Vab
= Konstanta integral PI Vab K iab = waktu atau waktu sesaat (menyatakan persamaan t kontinyu) G. DC Chopper dan Kontrol Tegangan DC. Sisi dc inverter dipasang rangkaian dc chopper. Rangkaian ini digunakan untuk menyerap daya output generator yang tidak dialirkan ke beban. Rangkaian dc chopper dapat dilihat pada gambar 10. Duty Cycle
(6)
0
I mod
= Sinyal modulasi output PI.
K pcc
= Konstanta proportional Current-Controlled
K icc
= Konstanta integral Current-Controlled
Ir +
Idc
Vdc
t
Ic
Rdc
Cdc
= waktu atau waktu sesaat (menyatakan persamaan kontinyu)
Gambar.10.
F. Kontrol Tegangan Generator Induksi Untuk mengatur besarnya tegangan output generator induksi digunakan kontroller PI. Kontrol tegangan output generator induksi berkaitan dengan kontrol arus output inverter. Output kontroller PI pada kontrol tegangan generator merupakan sinyal yang akan digunakan sebagai referensi arus untuk kontroller PI pada current controlled PWM VSI 3 fasa. Sinyal tersebut dikalikan dengan fungsi sinusoidal dengan frekuensi 50 Hz.
Untuk mengatur tegangan kapasitor digunakan kontroller PI, dapat dilihat pada Gambar 11. Output kontroller PI merupakan sinyal yang akan dimodulasikan dengan sinyal segitiga untuk mendapatkan duty cycle yang akan digunakan untuk mengatur pensaklaran pada rangkaian dc chopper. Tegangan resistor dc (Rdc) dirumuskan:
VRdc D Vdc
D VRdc
I ref I set sin(t )
(9) Persamaan tersebut berlaku untuk setiap fasa. Gambar 9 menunjukkan kontrol tegangan output generator sekaligus kontrol arus output inverter.
Vdcref(t)
Vref(t)
(10)
= Duty cycle = Tegangan Rdc +
-
Vdcerr(t)
VDreff
+
Duty Cycle
-
PI
Vdc(t)
Pengaturan Tegangan Generator
+
Rangkaian DC chopper
Sinyal Segitiga
Verr(t) I set PI
-
Gambar.11. Kontrol Tegangan DC.
Vab RMS a.
Vdcerr (t ) Vdcref Vdc (t )
Pengaturan Arus Inverter
(11)
t
I ref(t)
I set
+
-
I err(t)
I mod(t)
+
0
Komparator
I inv(t) Sin wt
b.
VDref (t ) K pdc Vdcerr (t ) K idc Vdcerr (t )dt
PWM Current Control
-
PI
Sinyal Segitiga
Gambar.9. a. Kontrol Tegangan output Generator, b. Current Controlled PWM
Verr (t ) Vref Vab (t )
0
= Sinyal tegangan error Vdc
Vdcref
= Tegangan referensi Vdc
Vdc VDreff
(12)
= Tegangan dc terukur. = Sinyal output PI yang akan dimodulasi dengan sinyal
(7)
segitiga. K pdc = Konstanta proportional PI Vdc.
(8)
K idc
t
I set (t ) K pab Verr (t ) K iab Verr (t )dt
Vdcerr
= Konstanta integral PI Vdc.
Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012 = waktu atau waktu sesaat (menyatakan persamaan kontinyu) t
IV. HASIL SIMULASI
5
Frekuensi yang dihasilkan generator adalah 50 Hz. Frekuensi output generator mengikuti frekuensi sinyal sinusoidal pada pengaturan tegangan output generator (persamaan 9). Gambar 13 menunjukkan 2 siklus tegangan output generator induksi pada simulasi beban konstan.
A. Parameter Simulasi. Dalam simulasi ini digunakan parameter-parameter : Tabel 3. Parameter Simulasi
Prime Mover Pengaturan Tegangan Generator
Current Controlled PWM
Pengaturan Tegangan DC
Induktor Inverter Kapasitor ac
Parameter
Nilai
P Kecepatan Putar K pab
500 Watt 1600 rpm 2
K iab Vabref K pcc
0,6 380 V 5
K icc
0,0004
f out f segitiga
50 Hz 5000 Hz 8
K pab
K iab
0,06
Vdcref f segitiga Rdc Lf Cac
800 V 2000 Hz 1000 Ohm 20mH 4φF
B. Simulasi Beban Konstan Simulasi pada beban konstan dilakukan dengan memasang beban R=500 Ohm. Hasil simulasi menunjukkan daya output generator induksi adalah 438,5 Watt, daya yang diserap beban 303,1 Watt, dan daya yang diserap rangkaian inverter adalah 133,2 Watt. Tegangan output generator adalah 380 Volt dengan frekuensi 50 Hz. Gambar 12 Menunjukkan hasil simulasi pada beban konstan, dapat dilihat besarnya aliran daya pada sistem, tegangan output generator induksi dan kecepatan putar generator.
Gambar.13. 2 Siklus Tegangan Output Generator.
C. Simulasi Pengurangan Beban Simulasi pengurangan beban dilakukan dengan merubah beban awal R=500 Ohm menjadi R=800 Ohm, sehingga besarnya aliran daya ke beban berkurang. Gambar 14 menunjukkan hasil simulasi pada operasi pengurangan beban. Daya ouput generator induksi dijaga konstan pada saat terjadi pengurangan beban. Daya yang diserap rangkaian inverter akan bertambah ketika aliran daya ke beban berkurang. Hasil simulasi juga menunjukkan tegangan dan kecepatan putar generator dijaga konstan saat terjadi pengurangan beban. Frekuensi output generator 50 Hz, mengikuti frekuensi sinyal sinusoidal pada pengaturan tegangan output generator (Persamaan 9).
Gambar.14. Daya Sistem, Tegangan Output Generator dan Kecepatan Putar Generator Simulasi Pengurangan Beban. Gambar.12. Daya Sistem, Tegangan Output Generator dan Kecepatan Putar Generator Simulasi Beban Konstan.
Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2012 D. Simulasi Penambahan Beban Simulasi pengurangan beban dilakukan dengan merubah beban awal R=800 Ohm menjadi R=450 Ohm, sehingga aliran daya ke beban akan bertambah. Gambar 15 Menunjukkan hasil simulasi pada pengurangan beban generator. Daya output generator dijaga konstan meskipun adanya pengaruh penambahan beban generator. Daya yang diserap inverter akan berkurang ketika beban bertambah. Tegangan dan kecepatan putar generator dijaga konstan saat terjadinya penambahan beban. Frekuensi output generator 50 Hz, mengikuti frekuensi sinyal sinusoidal pengaturan output generator (persamaan 9). Frekuensi dijaga konstan baik pada kondisi beban yang berkurang ataupun beban yang bertambah.
B. Saran 1) Tugas akhir ini dibatasi pada beban 3 fasa linear dan seimbang, untuk penelitian selanjutnya dapat dilakukan analisis pengaturan dengan menggunakan beban satu fasa, tidak seimbang atau dengan beban non linear. 2) Dalam tugas akhir ini menggunakan metode pengaturan arus output inverter menggunakan kontrol linear, untuk selanjutnya dapat dilakukan analisis dengan menggunakan metode kontrol lain. DAFTAR PUSTAKA [1]
[2]
[3]
[4]
[5] [6]
[7] [8] Gambar.15. Daya Sistem, Tegangan Output Generator dan Kecepatan Putar Generator Simulasi Penambahan Beban.
V. KESIMPULAN A. Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisis data yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa: 1) Pemasangan rangkaian VSI dan dc chopper dengan kombinasi pengaturan tegangan ac, tegangan dc dan current-controlled inverter dapat digunakan untuk mengatur tegangan dan frekuensi output generator induksi. Tegangan dan frekuensi output generator induksi adalah masing-masing 380 Volt dan 50 Hz, dan tidak berfluktuasi saat terjadi perubahan beban. 2) Generator induksi dengan pemasangan rangkaian VSI beroperasi dengan daya output relatif konstan 438,5 Watt. Daya yang diserap inverter akan bertambah ketika beban berkurang, dan sebaliknya daya inverter akan berkurang ketika beban bertambah. 3) Dari hasil simulasi yang dilakukan, penggunaan kontroller PI pada sistem menunjukkan tegangan dan frekuensi output generator induksi dijaga sesuai dengan yang diinginkan.
6
C. Marinescu, C.P. Ion, “Optimum Control for an Autonomous Micro Hydro Power Plant with Induction Generator”IEEE.Romania.28Juni2Juli 2009. Shokrollah Hamid, Timorabadi ,"Voltage Source Inverter for Voltage Control and Frequency Control of A Stand-Alone Self-Excited Induction Generator"University of Toronto.Canada.1998 Firmansyah Ifhan, Ir. Syariffuddin Mahmudsyah,M.Eng,Ir.Teguh Yuwono “Studi Pembangunan Pembangkit Listrik Tenaga Mikro Hidro (PLTMH) Dompyong 50 kW di Desa Dompyong, Bendungan, Trenggalek Untuk Mewujudkan Desa Mandiri Energi (DME)”Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. Min Min Kyaw, V.K. Ramachandaramurthy”Fault Ride Through and Voltage Regulation for Grid Connected Wind Turbine”Elsevier.Renewable Energy 36(2011) 206-215.2011 "Self-Excited Induction Generators"2006 by Taylor & Francis Group, LLC.UK. Stefan Breban, Mehdi Nasser, Arnaud Vergnol, Benoît Robyns, Mircea M. Radulescu”Hybrid wind/microhydro power system associated with a supercapacitor energy storage device-Experimental results”IEEE. Proceedings of the 2008 International Conference on Electrical Machines.2008 Rashid, Muhammad H. “Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications”, Pearson Prentice Hall. 2009. G.V Jayaramaiah, B.G. Fernandes “Analysis od Voltage Regulator for a 3-Ф Self-Excited Induction Generator Using Current Controlled Voltage Source Inverter” Power Electronics and Motion Control Conference, 2004. IPEMC 2004. The 4th International. 1416Aug.2004
