Studi Regulasi Output Generator Induksi dengan

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