BAB 1 - Perpustakaan Digital ITB

BAB 1
PENDAHULUAN
1.1
Latar belakang
Perkembangan elektronika daya telah membuat inverter menjadi bagian
yang tidak terpisahkan dari mesin-mesin listrik AC. Penggunaan inverter sebagai
sumber untuk mesin-mesin listrik AC telah membuat kendali mesin-mesin listrik
AC menjadi lebih mudah. Dengan cara mengubah sumber DC menjadi sumber
AC melalui proses penyakelaran, keluaran inverter lebih mudah untuk diatur baik
frekuensi, pergeseran fasa maupun ampltudo-nya. Selain itu, jumlah fasa keluaran
inverter dapat dibuat berapapun dengan cara mengatur jumlah lengannya. Hal ini
membuat belitan mesin listrik tidaklah harus tiga fasa sehingga lahirlah konsep
mesin multifasa yaitu mesin dengan jumlah belitan lebih dari tiga fasa.
Munculnya ide mesin dengan jumlah fasa lebih dari tiga berawal dari
beberapa kekurangan yang terdapat pada mesin tiga fasa itu sendiri. Pada saat
teknologi PWM (Pulse Width Modulation) belum berkembang, salah satu
permasalahan mesin tiga fasa yang dicatu oleh inverter enam pulsa adalah
munculnya riak torka frekuensi rendah. Karena frekuensi terendah komponen
harmonisa riak torka pada mesin n-fasa disebabkan oleh harmonisa waktu sumber
dengan orde 2n ± 1 maka meningkatkan jumlah fasa adalah solusi terbaik untuk
masalah ini. Berikut adalah beberapa keuntungan dari sistem penggerak multifasa
dibandingkan dengan tiga fasa [1], yaitu
1. Berkurangnya amplitudo dan naiknya frekuensi riak torka
2. Berkurangnya rugi-rugi harmonisa rotor
3. Meningkatnya keandalan karena mesin masih mampu untuk diasut
walaupun kehilangan eksitasi pada salah satu belitan fasanya
4. Berkurangnya arus fasa inverter sehingga pada aplikasi daya besar,
sakelar tidak harus diparalel dan dengan demikian meningkatkan
keandalan
5. Toleransi terhadap gangguan yang lebih baik.
1
2
Bab 1 Pendahuluan
Dengan kelebihan-kelebihan ini, mesin multifasa biasanya digunakan pada
aplikasi-aplikasi daya besar dan faktor keselamatan yang tinggi diantaranya
adalah pada aplikasi propulsi listrik kapal laut, lokomotif, aplikasi industri dengan
daya besar, kendaraan hibrid serta pesawat terbang.
Sumber catu daya untuk mesin multifasa diperoleh dari inverter multifasa.
Penelitian mengenai inverter multifasa, mulai dari design sampai teknik kendali,
telah banyak dilakukan. Salah satu topik penelitian yang sering dilakukan adalah
teknik modulasi inverter multifasa untuk mengatur proses penyakelaran sehingga
keluaran inverter sesuai dengan yang diharapkan. Teknik modulasi yang sering
digunakan adalah carrier-based PWM. Dari segi konsep pembentukan sinyal
keluaran modulator, pada dasarnya ada dua cara implementasi carrier-based
PWM yaitu metode suboscillation dan modulasi space-vector [2]. Pada metode
suboscillation, sinyal keluaran modulator diperoleh dari hasil perbandingan antara
sinyal modulasi dengan sinyal carrier (biasanya adalah sinyal segitiga). Teknik ini
mudah untuk diimplementasikan karena tidak membutuhkan proses penghitungan
yang rumit. Berbeda dengan teknik pertama, sinyal keluaran modulator dengan
modulasi space-vector diperoleh dengan cara menghitung lamanya vector-vector
yang harus bekerja untuk menghasilkan keluaran yang diharapkan.
Titik netral beban inverter biasanya dibuat mengambang sehingga arus
urutan nol tidak bisa mengalir. Hal ini memberikan kebebasan dalam menentukan
siklus kerja sakelar-sakelar inverter. Pada metode suboscillation hal ini
memungkinkan dilakukannya injeksi sinyal urutan nol pada sinyal modulasi
sedangkan pada modulasi space-vector adalah kebebasan pembagian kerja dua
vector nol. Pemilihan sinyal urutan nol pada metode suboscillation atau
pembagian kerja dua vector nol pada modulasi space-vector akan mempengaruhi
performa kerja dari inverter yaitu linearitas tegangan (indeks modulasi
maksimum), kualitas arus keluaran (riak arus) dan rugi-rugi penyakelaran. Oleh
karena itu penelitian mengenai hubungan antara teknik modulasi dengan performa
kerja inverter perlu dilakukan.
Tesis – Deni 23206049
3
Bab 1 Pendahuluan
1.2
Studi pustaka
Penelitian mengenai teknik modulasi yang paling baik telah banyak
dilakukan. Pada kasus inverter tiga fasa teknik modulasi yang paling awal
berkembang dan paling mudah diimplementasikan adalah modulasi sinusoidal
PWM (SPWM). Gambar 1-1.a
memperlihatkan blok diagram teknik ini dan
Gambar 1-1.b memperlihatkan sinyal modulasi sinusoidal tiga fasa dengan sinyal
segitiga. Dengan syarat bahwa daerah kerja linear adalah sinyal modulasi tidak
boleh melebihi sinyal segitiga dan dengan asumsi amplitudo sinyal segitiga adalah
satu maka dengan mudah dapat ditentukan dengan bahwa indeks modulasi teknik
SPWM adalah satu.
Salah satu usaha untuk memperbaiki performa teknik SPWM adalah dengan
menginjeksikan sinyal urutan nol yaitu harmonisa ketiga dengan amplitudo 1/6
sinyal fundamental [3]. Dengan injeksi ini indeks modulasi maksimum meningkat
15% persen apabila dibandingkan dengan teknik SPWM. Selain itu riak arus
keluaran inverter juga menjadi lebih kecil.
Penelitian mengenai sinyal modulasi optimum yang menghasilkan riak arus
keluaran minimum telah dilakukan secara analitik[4]. Dari hasil analisis diperoleh
bahwa sinyal modulasi optimum untuk inverter tiga fasa dengan riak arus keluaran
minimum adalah sinyal modulasi sinusoidal dengan injeksi seperempat harmonisa
ketiga. Selain menghasilkan riak arus keluaran minimum, injeksi seperempat
harmonisa ketiga juga membuat indeks modulasi maksimum meningkat 12%
apabila dibandingkan dengan teknik SPWM.
vT
(a)
Tesis – Deni 23206049
v1r
v2r
(b)
v3r
4
Bab 1 Pendahuluan
Gambar 1-1. (a) Blok diagram S PWM (b) Sinyal modulasi dan sinyal segitiga.
Kemajuan teknologi digital membuat teknik modulasi space-vector banyak
diimplementasikan pada inverter tiga fasa. Walaupun konsep modulasi spacevector berbeda dengan metode suboscillation, namun modulasi space-vector dapat
dicari ekuivalensinya dengan metode suboscillation [5]. Pada inverter tiga fasa,
modulasi space-vector mirip dengan metode suboscillation dengan sinyal
modulasinya adalah sinyal sinusoidal yang diinjeksi sinyal segitiga dengan
frekuensi tiga kali frekuensi sinyal sinusoidal. Dengan demikian, walaupun riak
arus keluaran inverter dengan modulasi space-vector lebih kecil dari SPWM,
namun masih lebih tinggi dari modulasi sinusoidal dengan injeksi seperempat
harmonisa ketiga.
Hampir sama dengan modulasi sinusoidal dengan injeksi
seperenam harmonisa ketiga, indeks modulasi maksimum modulasi space-vector
juga lebih tinggi 15% apabila dibandingkan dengan SPWM. Perbandingan antara
ketiga teknik modulasi diatas dengan parameter riak arus keluaran dapat dilihat
pada Gambar 1-2 [4].
Konsep SPWM pada tiga fasa dapat dengan mudah dikembangkan untuk
sistem N-fasa dengan menambah sinyal modulasi menjadi N-fasa. Sama seperti
sebelumnya indeks modulasi maksimum untuk teknik ini juga adalah satu. Untuk
meningkatkan indeks modulasi, injeksi harmonisa ke-N juga dapat diterapkan
pada sistem multifasa [6]. Namun demikian peningkatan indeks modulasi semakin
berkurang seiring dengan bertambahnya jumlah fasa.
Konsep modulasi space-vector juga dapat diterapkan pada sistem multifasa.
Pada sistem tiga fasa jumlah vector adalah 8 buah dengan 6 vector aktif dan 2
vector nol. Pada sistem multifasa jumlah vector adalah 2n buah dimana dua
diantaranya adalah vector nol. Vector-vector aktif tersebar pada bidang spacevector dengan magnitudo yang berbeda-beda.
Beberapa vector memiliki
magnitudo yang sama dan membentuk bidang poligon, vector-vector lain dengan
magnitudo yang lain membentuk bidang poligon yang lain. Gambar 1-3
memperlihatkan bidang space-vector untuk sistem lima fasa. Dari gambar ini
dapat dilihat ada tiga layer bidang dekagon.
Tesis – Deni 23206049
5
Bab 1 Pendahuluan
0.06
SIN
Riak Arus Keluaran
0.05
SIN34
SIN36
0.04
SVPWM
0.03
0.02
0.01
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
k (modulasi indeks)
Gambar 1-2. Perbandingan riak arus keluaran inverter tiga fasa dengan berbagai teknik
modulasi, SIN (SPWM), SIN34 (SPWM + 1/4harmonisa ketiga), SIN36 (SPWM +
1/6harmonisa ketiga), dan SVPWM (modulasi space-vector).
(a)
(b)
Gambar 1-3. Vector aktif pada (a) bidang 1 (d-q) dan (b) bidang 2.
Tesis – Deni 23206049
6
Bab 1 Pendahuluan
Berbeda dengan sistem tiga fasa yang hanya memetakan vector-vector pada
satu bidang kompleks, sistem multifasa memetakan vector-vector pada (n – 1)/2
bidang kompleks (n disini adalah ganjil lebih dari tiga). Misalkan pada sistem
lima fasa maka akan terdapat 2 bidang kompleks yang memetakan vector-vector
tersebut. Gambar 1-3 (a) merupakan bidang pertama yang berhubungan dengan
komponen fundamental sedangkan Gambar 1-3 (b) merupakan bidang kedua yang
berhubungan dengan komponen harmonisa orde 2j ± 3 (j = 0,1,2 …) atau salah
satunya adalah harmonisa orde tiga. Dari Gambar 1-3 dapat dilihat bahwa
dekagon terluar pada bidang pertama menjadi dekagon terdalam pada bidang
kedua begitu juga sebaliknya.
Implementasi modulasi space-vector yang paling sederhana adalah dengan
menggunakan dua buah vector aktif terluar yang merupakan pengembangan
langsung dari modulasi space-vector untuk sistem tiga fasa[7]. Keuntungan teknik
ini adalah rugi-rugi penyakelaran yang minimum karena dalam satu periode
penyakelaran hanya ada enam kali perubahan kondisi sakelar. Selain itu tegangan
keluaran maksimum yang dapat dihasilkan 23% lebih tinggi bila dibandingkan
dengan SPWM [8]. Namun demikian, dengan melihat pada Gambar 1-3,
penggunaan hanya dua buah vector terluar akan membentuk tegangan pada bidang
dua. Tegangan ini akan bersuperposisi dengan tegangan pada bidang pertama
sehingga keluaran inverter akan terdistorsi dan mengandung harmonisa orde
rendah[8].
Untuk menghasilkan keluaran yang sinusoidal maka komponen pada bidang
dua harus dibuat nol. Untuk melakukan ini maka dibutuhkan vector lain yang
harus digunakan. Secara umum, jumlah vector aktif yang harus digunakan pada
modulasi space-vector untuk multifasa adalah (n – 1) vector aktif [9]. Jadi pada
inverter lima fasa jumlah vector aktif yang harus digunakan adalah empat buah.
Pemilihan empat buah vector aktif dapat dilakukan dengan bebas. Pada umumnya
empat vector yang digunakan adalah vector-vector yang paling dekat dengan
vector referensi[8,9,10,11], namun demikian dapat juga dipilih 4 buah vector
terluar[12].
Pada mesin multifasa dengan belitan terkonsentrasi, torka keluaran mesin
Tesis – Deni 23206049
7
Bab 1 Pendahuluan
dapat ditingkatkan dengan menginjeksikan arus harmonisa ketiga [13,14]. Pada
metode suboscillation injeksi ini dapat dilakukan dengan mengubah sinyal
modulasi inverter dari sinusoidal menjadi sinusoidal ditambah injeksi harmonisa
ketiga. Sedangkan pada modulasi space-vector hal ini dapat dilakukan dengan
mengatur besar tegangan pada bidang dua[10].
1.3
Permasalahan dan batasan masalah
Permasalahan utama yang dibahas dalam penelitian ini adalah mencari
hubungan antara teknik modulasi dengan riak arus keluaran dan masukan yang
dihasilkan pada inverter multifasa.
Dari paparan sebelumnya diketahui bahwa terdapat banyak teknik modulasi
yang telah dikembangkan untuk sistem multifasa. Namun demikian semua teknik
modulasi ini dapat dianggap sebagai metode suboscillation dengan sinyal
modulasi adalah sinyal fundamental ditambah dengan sinyal injeksi. Sinyal
fundamental adalah bentuk tegangan keluaran yang diinginkan (sinusoidal atau
sinusoidal ditambah harmonisa ketiga) sedangkan sinyal injeksi adalah sinyal
urutan nol yang sesuai dengan teknik modulasi yang bersangkutan (misalnya pada
modulasi space-vector sinyal injeksi adalah sinyal segitiga dengan frekuensi n kali
frekuensi sinyal fundamental). Dengan demikian dapat dilakukan analisis untuk
mencari sinyal modulasi optimum yang menghasilkan riak arus keluaran dan
masukan yang minimum dengan menemukan sinyal injeksi yang tepat.
Pada umumnya, sumber DC untuk inverter diperoleh dari hasil penyearahan
sumber AC yang kemudian difilter dengan menggunakan induktor dan kapasitor.
Untuk menentukan besar kapasitor yang digunakan ada dua aspek yang perlu
diperhatikan yaitu riak tegangan kapasitor dan yang lebih penting arus yang
mengalir pada kapasitor yang menentukan rugi-rugi pada kapasitor dan pada
akhirnya menentukan umur kapasitor . Pada dasarnya, arus yang mengalir pada
kapasitor adalah riak arus masukan inverter, sehingga analisis riak arus masukan
penting untuk dilakukan untuk menentukan rating kapasitor yang harus
digunakan.
Tesis – Deni 23206049
8
Bab 1 Pendahuluan
Dalam melakukan analisis ini terdapat beberapa batasan yang harus
diperhatikan yaitu
1. Sakelar dianggap ideal
2. Efek dead time diabaikan
3. Frekuensi sinyal carrier jauh lebih tinggi dari sinyal modulasi
4. Beban inverter adalah beban linear dan seimbang
5. Tidak memperhitungkan rugi-rugi penyakelaran.
1.4
Tujuan penelitian
Dari permasalahan diatas maka tujuan penelitian yang akan dilakukan
adalah:
1. Mencari bentuk gelombang modulasi yang bisa meminimumkan riak sisi
AC maupun sisi DC inverter PWM multifasa, pada beban dengan ggl
sinusoidal dan nonsinusoidal.
2. Membandingkan riak sisi AC dan sisi DC inverter PWM multifasa pada
bermacam bentuk gelombang modulasi.
3. Melakukan percobaan untuk memvalidasi metoda analisis yang
digunakan.
1.5
Metode penelitian
Biasanya metode yang digunakan untuk menganalisis riak arus adalah
dengan menggunakan transformasi fourier yaitu mengubah domain waktu ke
domain frekuensi. Penggunaan metode ini untuk mencari nilai rms riak memiliki
kelemahan yaitu pada tingkat keakuratannya. Agar hasil analisis semakin akurat
maka orde harmonisa yang harus dianalis harus semakin tinggi. Hal ini membuat
perhitungan menjadi rumit. Metode lain yang dapat digunakan adalah dengan
konsep averaging seperti yang digunakan pada [4]. Dengan menggunakan metode
ini, nilai rms riak dapat diperoleh tanpa harus mempertimbangkan jumlah orde
harmonisa.
Secara umum seluruh bentuk sinyal modulasi dapat didefinisikan sebagai
sinyal fundamental ditambah dengan sinyal injeksi. Dengan menggunakan metode
averaging dan dengan definisi sinyal modulasi tersebut,
Tesis – Deni 23206049
pertama-tama dicari
9
Bab 1 Pendahuluan
persamaan riak arus pada satu periode penyakelaran. Dari persamaan ini
kemudian dapat dilakukan minimisasi riak arus keluaran dengan melakukan
diferensiasi terhadap sinyal injeksi. Dari sini maka bisa diperoleh sinyal injeksi
yang optimum yang dapat meminimumkan riak arus keluaran dan masukan. Nilai
rms riak arus dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan riak arus
dalam satu periode penyakelaran pada rentang satu periode kerja inverter.
Untuk memvalidasi hasil analisis maka dilakukan percobaan.
1.6
Sistematika penulisan
Tesis ini disusun menjadi berapa bab.
Pada Bab 1 dibahas mengenai Pendahuluan penelitian yang dilakukan. Latar
belakang masalah, studi pustaka mengenai penelitian sebelumnya, batasan
masalah dan metode penelitian termasuk didalam bab ini.
Bab 2 membahas mengenai Analisis Beban pada Sistem Multifasa. Pada bab
ini ditunjukan perbedaan mendasar antara sistem multifasa dengan sistem tiga fasa
yang akan menentukan analisis selanjutnya.
Pada Bab 3, Analisis Riak Arus Keluaran Inverter Multifasa pada Beban
terhubung Poligon dipaparkan secara rinci dan komprehensif.
Pada Bab 4, Analisis Riak Arus Keluaran Inverter Lima Fasa dilakukan
secara lebih menyeluruh untuk berbagai macam teknik modulasi.
Bab 5 membahas mengenai Analisis Riak Arus Keluaran Inverter LimaFasa pada Beban terhubung Bintang.
Analisis Riak Masukan Inverter Lima-Fasa dibahas pada Bab 6.
Bab 7 berisi Kesimpulan dan Saran untuk penelitian selanjutnya.
Tesis – Deni 23206049