09E00640

TUGAS AKHIR
SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI
TIGA PHASA DENGAN DIRECT TORQUE CONTROL DENGAN
MENGGUNAKAN MATLAB 7.0.1
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam
menyelesaikan pendididkan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro
Oleh
NAMA : JEREMIA PURBA
NIM
:040402046
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2009
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
DENGAN DIRECT TORQUE CONTROL DENGAN MENGGUNAKAN
MATLAB 7.0.1
oleh :
JEREMIA S. PURBA
NIM : 04 0402 046
Tugas Akhir ini diajukan untuk melengkapi salah satu syarat
untuk memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro
Disetujui oleh :
DOSEN PEMBIMBING
Ir. EDDY WARMAN
NIP : 130 809 911
Diketahui oleh :
KETUA DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
Ir. NASRUL ABDI, MT
NIP : 131 459 554
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2009
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR
Penulis bersyukur kepada Tuhan atas segala tuntunan dan pengajaran yang
diberikan-Nya dalam penyelesaian Tugas Akhir ini. Penulisan Tugas Akhir ini
bertujuan memenuhi syarat kurikulum Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik,
Universitas Sumatera Utara dalam menyelesaikan program studi strata satu (S1).
Adapun judul Tugas Akhir ini adalah: “Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi
Tiga Phasa dengan Direct Torque Control dengan Menggunakan Matlab 7.0.1”.
Selama penulisan Tugas Akhir ini, penulis mendapatkan banyak bantuan baik
berupa bimbingan dan kritikan sehingga dengan rasa syukur, penulis mengucapkan
terima kasih kepada:
1. Bapak Ir. Eddy Warman, selaku dosen pembimbing Tugas Akhir ini.
2. Bapak Ir. Syarifuddin Siregar, selaku dosen wali penulis yang telah
membantu dari awal perkuliahan sampai penyelesaian Tugas Akhir ini.
3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro.
4. Bapak Rahmad Fauzi, ST. MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik
Elektro.
5. Ayah dan Ibu Tercinta yang mengasihi saya, yang telah memberikan semua
kemampuan mereka dalam menyediakan segala kebutuhan saya selama
perkuliahan.
6. Seluruh teman-teman Departemen Teknik Elektro stambuk 2004
serta
seluruh saudara-saudariku yang namanya tidak dapat saya sebutkan satu
persatu, atas bantuan yang diberikan kepada saya.
7. Seluruh teman-teman yang ada di Laboratorium Elektrnika Dasar, yang
telah banyak menberikan dukungan dan bantuan selama penulisan tugas
akhir ini.
i
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Akhirnya penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penulisan Tugas
Akhir ini. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan saran yang membangun demi
penyempurnaan Tugas Akhir ini. Kiranya Tugas Akhir ini berguna bagi pembaca
terutama yang ingin mendalami pengontrolan pada motor induksi tiga phasa.
Terima kasih.
Medan, Januari 2008
( Jeremia Purba )
ii
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
ABSTRAK
Motor induksi banyak dipergunakan dalam industri saat ini karena dalam
penggunaannya motor induksi dapat dioperasikan dengan kecepatan yang bervariasi.
Pengaturan kecepatan putaran motor induksi
dapat dilakukan dengan beberapa
metode dan salah satu metode yang digunakan adalah dengan mengatur torsi secara
langsung.
Direct Torque Control (DTC) merupakan teknologi terbaru yang dapat
mengatur fluks dan torsi motor induksi secara langsung dengan mengatur vektor
tegangannya. Pengaturan vektor ini menggunakan pengendalian umpan balik torsi
dan fluks stator . Fluks dan torsi ini dihitung dari tegangan dan arus stator yang
diukur pada motor. Metode ini menggunakan model referensi stator (stator reference
frames) motor induksi
Dalam tulisan ini pengaturan kecepatan motor induksi tiga phasa dengan
Direct Torque Control akan disimulasikan dengan Matlab 7.0.1.
iii
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
DAFTAR ISI
Kata Pengantar ......................................................................................................... i
Abstrak................................................................................................................... iii
Daftar Isi ................................................................................................................ iv
Daftar Gambar ...................................................................................................... vii
Daftar Tabel ........................................................................................................... ix
BAB I : PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah.......................................................................... 2
1.3 Tujuan Penulisan............................................................................ 2
1.4 Batasan Masalah ............................................................................ 3
1.5 Metodologi Penulisan .................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan .................................................................... 3
BAB II: MOTOR INDUKSI
2.1 Umum ............................................................................................ 5
2.2 Konstruksi Motor Induksi .............................................................. 5
2.2.1 Stator ................................................................................... 6
2.2.1 Rotor ................................................................................... 7
2.3 Medan Putar ................................................................................... 9
2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa...................................... 12
2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi ............................................ 14
2.6 Pengaturan Putaran Motor Induksi .............................................. 18
2.7 Perhitungan Performansi Motor Induksi Tiga Phasa ................... 19
iv
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
2.7.1 Aliran Daya Pada Motor Induksi ...................................... 19
2.7.2 Perhitungan Torsi Pada Motor Induksi tiga Phasa............ 21
2.8 Model Dinamik Motor Induksi .................................................... 23
2.8.1 Model Motor Induksi Dua Phasa ...................................... 23
2.8.2 Transformasi untuk Memperoleh Matriks Yang
Konstan ............................................................................. 26
2.8.3 Transformasi Tiga Phasa ke Dua Phasa............................ 30
BAB III : PENGONTROLAN TORSI SECARA LANGSUNG
(DIRECT TORQUE CONTROL)
3.1 Umum ................................................................................................34
3.2 Pengontrolan Vektor Pada Motor Induksi..........................................35
3.3 Kondisi Switching dan Vektor Tegangan Output Inverter………….37
3.4 Pengontrolan Fluks. ...........................................................................42
3.5 Pengontrolan Torsi …………………………………………………44
BAB IV : SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA
PHASA
DENGAN
DIRECT
TORQUE
CONTROL
DAN
PEMBAHASANNYA
4.1 Umum ………………………………………………………………49
4.2 Rangkaian Simulasi ………………………………………………...49
4.3 Spesifikasi Komponen Simulasi …………………………………...50
4.4 Simulasi Dan Analisa Hasil Simulasi……………………………….55
v
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB V : PENUTUP
5.1 Kesimpulan …………………………………………………………60
5.1 Saran ..................................................................................................60
DAFTAR PUSTAKA ..........................................................................................61
vi
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1
Konstruksi motor induksi rotor belitan ............................... 6
Gambar 2.2
Stator ................................................................................... 6
Gambar 2.3
Rotor Sangkar .................................................................... 7
Gambar 2.4
Rotor Belitan....................................................................... 8
Gambar 2.5
Arus tiga phasa seimbang .................................................. 9
Gambar 2.6
Diagram phasor fluksi tiga phasa seimbang ....................... 9
Gambar 2.7
Medan putar pada motor induksi tiga fasa ........................ 10
Gambar 2.8
Rangkaian pengganti motor induksi ................................. 14
Gambar 2.9
Rangkaian ekivalen stator ................................................. 15
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen rotor .................................................. 17
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi sisi stator ................... 18
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen per-phasa motor induksi tiga phasa.. 19
Gambar 2.13 Diagram aliran daya pada motor induksi tiga phasa ......... 20
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen Thevenin per phasa motor induksi
tiga phasa .......................................................................... 22
Gambar 2.15 Kumparan stator dan rotor motor induksi dua-phasa........ 24
Gambar 2.16 Transformasi variabel rotor dari nilai aktual ke nilai
khayalan ............................................................................ 27
Gambar 2.17 Kumparan stator motor dua phasa dan tiga phasa ............ 30
Gambar 3.1
Skema DTC....................................................................... 35
Gambar 3.2
Rangkaian daya penggerak motor induksi tiga phasa....... 37
Gambar 3.3
Bentuk gelombang tegangan keluaran Dioda ................... 38
Gambar 3.4
Bentuk tegangan keluaran inverter ................................... 38
vii
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 3.5
Tegangan output inverter untuk setiap switching ............. 41
Gambar 3.6
Pembagian fluks linkages stator dalam 6 ruang................ 43
Gambar 3.7
Pengaruh switching V I dan VVI pada phasor fluks stator.. 44
Gambar 3.8
Blok diagram pengontrolan motor induksi dengan
direct torque control ......................................................... 47
Gambar 4.1
Rangkaian simulasi pengaturan kecepatan motor induksi
tiga phasa dengan direct torque control............................ 50
Gambar 4.2
Sumber tiga phasa ............................................................. 50
Gambar 4.3
Blok Parameter sumber tiga phasa.................................... 51
Gambar 4.4
DTC Induction Motor Drive ............................................. 51
Gambar 4.5
Blok Parameter asynchronous machine............................ 52
Gambar 4.6
Blok parameter converter and DC bus ............................. 53
Gambar 4.7
Blok parameter controller................................................. 54
Gambar 4.8
Demux ............................................................................... 55
Gambar 4.9
Scope ................................................................................. 55
Gambar 4.10 Grafik hasil simulasi untuk kondisi tanpa torsi beban ...... 56
Gambar 4.11 Grafik hasil simulasi untuk kondisi dengan torsi beban
sebesar 300 Nm................................................................. 57
Gambar 4.12 Grafik hasil simulasi untuk kondisi dengan torsi beban
sebesar 600 Nm................................................................. 58
viii
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1
Kondisi switching inverter phasa a ................................... 39
Tabel 3.2
Kondisi switching inverter................................................ 40
Tabel 3.3
Tegangan keluaran inverter............................................... 41
Tabel 3.4
Sambungan tabel tegangan keluaran inverter ................... 42
Tabel 3.5
Logic pegontrolan fluks .................................................... 43
Tabel 3.6
Logic pengontrolan torsi ................................................... 44
Tabel 3.7
Kondisi switching untuk berbagai kondisi S λ , S T dan Sθ 45
Tabel 3.8
Logic fluks phasor ............................................................ 47
Tabel 4.1
Respon Kecepatan dengan kecepatan Aktual 600 rpm .... 59
Tabel 4.2
Respon Kecepatan dengan kecepatan Aktual 1200 rpm... 59
ix
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Pada era saat ini, kebutuhan akan alat produksi yang tepat sangat diperlukan
agar dapat meningkatkan efisiensi waktu dan biaya. Sebagian besar dari peralatan
industri menggunakan tenaga listrik sebagai penggerak utama, yaitu motor listrik.
Pemilihan motor listrik untuk industri merupakan salah satu hal penting yang harus
dipertimbangkan.
Pada awalnya yang paling banyak digunakan dalam aplikasi mesin listrik yang
membutuhkan pengaturan kecepatan dan torsi dengan kehandalan yang tinggi adalah
motor DC karena fluks dan torsinya dapat dengan mudah diatur, yaitu dengan
mengubah arus jangkar atau arus medannya. Kekurangan motor ini adalah
membutuhkan perawatan yang rutin karena memiliki brush dan komutator, disamping
itu harganya relatif lebih mahal dibandingkan motor induksi. Motor induksi merupakan
motor yang paling menguntungkan dibandingkan dengan motor yang lain. Salah satu
keuntungan utamanya adalah motor induksi tidak membutuhkan hubungan elektrik
antara stator dengan rotor motor. Oleh karena itu motor induksi tidak membutuhkan
brush dan komutator, sehingga tidak membutuhkan perawatan yang rutin. Motor
induksi memiliki harga yang lebih murah, lebih ringan, padat dan kokoh serta memiliki
efisiensi yang tinggi. Tetapi dalam hal pengaturan kecepatan dan torsi motor induksi
bukanlah suatu permasalahan yang mudah untuk dilakukan.
Seiring dengan kemajuan dalam bidang elektronika daya
maka teknologi
pengaturan mesin listrik mengalami terobosan yang menggembirakan untuk memenuhi
kebutuhan pengaturan motor induksi dalam dunia industri. Perkembangan penggerak
1
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
motor induksi ini didasari atas keinginan untuk menandingi bahkan melebihi
kehandalan penggerak motor DC, seperti respon torsi yang cepat, dan ketelitian
pengaturan kecepatan, disamping itu juga memanfaatkan keunggulan motor induksi.
Generasi pertama penggerak motor induksi ini menggunakan pulse width modulation
untuk memberikan frekuensi arus sinusoidal yang dapat diubah kepada stator motor
induksi. Tetapi dengan cara ini tidak mampu mengatur torsi secara langsung. Dengan
kemajuan teknologi elektronika daya maka pengaturan motor induksi dengan Direct
Torque Control (DTC) ini telah memungkinkan untuk membuat motor induksi yang
berfungsi sebagai sumber torsi dengan pengaturan torsi secara langsung (direct torque
control).
1.2
RUMUSAN MASALAH
Dari latar belakang diatas, maka dapat dirumuskan beberapa permasalahan
antara lain :
1. Bagaimana cara pengaturan kecepatan putaran motor induksi.
2. Apa pengaruh perubahan torsi terhadap kecepatan putaran motor induksi.
3. Bagaimana keandalan pengaturan torsi secara langsung pada motor induksi.
1.3
TUJUAN PENULISAN
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah
1. Untuk memberikan penjelasan pengaturan torsi secara langsung (direct
torque control).
2. Untuk memberikan pembahasan simulasi pengaturan torsi secara langsung
(direct torque control) dengan matlab.
2
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
1.4
BATASAN MASALAH
Untuk menjaga agar pembahasan materi dalam tugas akhir ini lebih terarah,
penulis menetapkan suatu batasan masalah sebagai berikut:
1. Tidak membahas pengaruh direct torque control (DTC) pada saat starting
motor induksi.
2. Tidak membahas bagaimana pengontrolan torsi pada motor DC.
3. Tidak membahas secara rinci peralatan elektronika daya yang digunakan.
4. Tidak membahas pengaruh harmonisa terhadap motor induksi tiga phasa.
1.5
METODOLOGI PENULISAN
Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah sebagai berikut:
1. Studi literature : mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal,
majalah dan sebagainya.
2. Studi bimbingan : Diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing
yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro USU, mengenai
masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir ini
berlangsung
3. Percobaan dan pengamatan melalui simulasi Matlab.
1.6
SISTEMATIKA PENULISAN
Gambaran tulisan ini secara singkat dapat diuraikan pada sistematika
pembahasan sebagai berikut :
3
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB I: PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang penulisan, rumusan masalah,
tujuan penulisan, batasan masalah, metode penulisan, sistematika
penulisan.
BAB II: MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Bab ini menjelaskan konstruksi, teori medan putar, prinsip kerja,
rangkaian ekivalen dan model dinamik motor induksi.
BAB III: PENGONTROLAN TORSI SECARA LANGSUNG (DIRECT
TORQUE CONTROL) DENGAN INVERTER
Dalam bab ini dijelaskan prinsip terjadinya vektor tegangan inverter,
flux yang terjadi serta torsi yang dikontrol secara langsung oleh
switching inverter.
BABIV: SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI
DENGAN
DIRECT
TORQUE
CONTROL
SERTA
PEMBAHASANNYA
Bab ini menguraikan rangkaian simulasi, spesifikasi komponen
simulasi, prosedur simulasi, hasil simulasi, data hasil simulasi, dan
analisa hasil simulasi pengontrolan dengan direct torque control.
BAB V : PENUTUP
Dalam bab ini dituliskan hal-hal yang dianggap penting di dalam
penulisan yang dirangkumkan sebagai kesimpulan dan saran.
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
4
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB II
MOTOR INDUKSI
2.1
Umum
Motor listrik yang paling umum dipergunakan dalam perindustrian industri
adalah motor induksi. Berdasarkan phasa sumber daya yang digunakan, motor induksi
dapat diklasifikasikan menjadi motor satu phasa dan motor phasa banyak. Karena
sistem distribusi umumnya adalah tiga phasa, maka motor phasa banyak biasanya
adalah tipe tiga phasa. Motor induksi tiga phasa banyak digunakan di dalam berbagai
bidang industri, sedangkan motor induksi satu phasa banyak digunakan pada peralatan
rumah tangga karena motor induksi satu phasa mempunyai daya keluaran yang rendah.
Adapun beberapa keuntungan motor induksi dibandingkan motor lain adalah
konstruksinya yang sederhana tetapi padat dan kuat, ukurannya lebih kecil dan lebih
ringan sehingga harganya lebih murah, perawatan yang mudah, dan memiliki efisiensi
yang tinggi. Tetapi dalam hal pengaturan kecepatan dan pengontrolan torsi lebih sulit
dilakukan dibandingkan motor dc. Tetapi seiring perkembangan teknologi dalam
bidang elektronika daya, telah memungkinkan untuk menandingi motor dc dalam hal
pengaturan kecepatan dan pengontrolan torsi.
2.2
Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Stator
merupakan bagian yang diam dan rotor bagian yang berputar. Stator dan rotor
dipisahkan oleh celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi
diperlihatkan pada Gambar 2.1.
5
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi rotor belitan
2.2.1
Stator
Stator motor induksi pada prinsipnya sama dengan stator motor sinkron. Stator
tersebut terbuat dari sejumlah stamping (kaki) yang membentuk slot, tempat dari
belitan-belitannya. Belitan pada stator adalah belitan tiga phasa yang dihubungkan
dengan sumber tiga phasa. Belitannya dibelitkan untuk sejumlah kutub tertentu,
dimana jumlah pastinya ditentukan dari kecepatan yang dibutuhkan. Semakin besar
jumlah kutub, kecepatan putarnya semakin berkurang dan sebaliknya.
Jika belitan stator disuplai dengan tegangan tiga phasa maka akan mengalir arus
tiga phasa yang akan menghasilkan fluks magnetik berputar dengan besaran yang
konstan, fluks magnetik yang berputar ini akan menginduksikan ggl pada rotor.
Konstruksi stator motor induksi ditunjukkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Stator
6
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
2.2.2
Rotor
Ada dua jenis kumparan rotor, yaitu jenis rotor sangkar (squirel-cage rotor)
dan rotor belitan (wound rotor). Kedua rotor ini bekerja pada prinsip yang sama dan
mempunyai konstruksi stator yang sama, hanya berbeda dalam konstruksinya saja.
a. Rotor Sangkar (Squirrel Cage Rotor)
Hampir 90% dari motor induksi adalah jenis rotor sangkar, karena jenis ini
mempunyai konstruksi yang sangat sederhana dan kuat. Rotor ini seperti pada
Gambar 2.3, terdiri dari laminasi silindris inti dengan slot-slot yang paralel sebagai
tempat dari konduktornya, dan konduktor-konduktor ini terbuat dari batangan
tembaga atau aluminium alloy. Konduktornya tidak terisolasi dari inti, karena arus
rotor secara alamiah akan mengalir melalui tahanan yang paling kecil, yaitu
konduktor rotor. Pada setiap ujung konduktor rotor, semuanya dihubungsingkatkan
dengan cincin ujung sehingga tidak mungkin menambahkan tahanan luar sebagai
pembantu starting.
Gambar 2.3 Rotor sangkar
Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar yang lebih kecil adalah coran
tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang
lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan
kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tidak
7
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal
ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau
dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar.
b. Rotor Belitan (Wound Rotor)
Motor rotor belitan atau motor cincin slip berbeda dengan motor sangkar
dalam hal konstruksi rotornya. Rotor ini memiliki belitan tiga phasa dengan jumlah
kutub yang sama dengan stator. Belitan rotor ini juga diberikan tambahan resistansi
luar yang terhubung melalui slip-ring. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan
terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan phasa rotor dihubungkan secara Υ dan
masing-masing phasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang
pada poros rotor.
Motor rotor belitan kurang banyak digunakan dibandingkan dengan motor
sangkar tupai karena harganya yang mahal dan biaya pemeliharaannya yang lebih
besar. Rotor ini dapat dilihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Rotor belitan
8
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
2.3
Medan Putar
Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan
magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutubkutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah-ubah
mengelilingi stator. Adapun magnitudo dari medan putar ini selalu tetap yaitu sebesar
1.5 Φm dimana Φm adalah fluks yang disebabkan suatu phasa.
Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil
contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana ke-tiga
phasanya R, S, T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus pada phasa ini
ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT, maka fluks yang dihasilkan oleh arus-arus ini adalah:
ΦR
= Φm sin ωt
...................................................................( 2.1a )
ΦS
= Φm sin (ωt – 120o )............................................................( 2.1b )
ΦT
= Φm sin (ωt – 240o )............................................................( 2.1c )
Gambar 2.5 Arus tiga phasa seimbang
Gambar 2.6 Diagram phasor fluks tiga phasa seimbang
9
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
i
ii
iii
iv
2.7 Medan putar pada motor induksi tiga phasa
(i)
Pada keadaan 1 ( Gambar 2.5 ), ωt = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol
sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan
arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari
konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara
resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φm
dan dibuktikan sebagai berikut :
ΦR = 0 ; ΦS = Φm sin ( -120o ) = −
ΦT = Φm sin ( -240o ) =
3
Φm ;
2
3
Φm
2
Oleh karena itu resultan fluks, Φr adalah jumlah phasor dari ΦT dan – ΦS
Sehinngga resultan fluks, Φr = 2 x
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
10
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
(ii)
Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S, sedangkan pada
phasa R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum, dan pada saat ini ωt = 30o, oleh
karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing phasa :
ΦR = Φm sin ( 30o ) = 0,5 Φm
ΦS = Φm sin ( -90o ) = - Φm
ΦT = Φm sin (-210o) = 0,5 Φm
Maka jumlah phasor ΦR dan - ΦT adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 30o dari posisi pertama.
(iii) Pada keadaan ini ωt = 60o, arus pada phasa R dan phasa S memiliki besar yang
sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φm ), oleh karena itu fluks yang diberikan
oleh masing-masing phasa :
ΦR = Φm sin ( 60o )
=
3
Φm
2
ΦS = Φm sin ( -60o ) = −
3
Φm
2
ΦT = Φm sin ( -180o ) = 0
Maka magnitudo dari fluks resultan : Φr = 2 x
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 60o dari posisi pertama.
11
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
( iv ) Pada keadaan ini ωt = 90o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan arus pada
phasa S dan phasa T = 0,5 Φm , oleh karena itu fluks yang diberikan oleh
masing-masing phasa:
ΦR = Φm sin ( 90o ) = Φm
ΦS = Φm sin ( -30o ) = - 0,5 Φm
ΦT = Φm sin (-150o) = - 0,5 Φm
Maka jumlah phasor - ΦT dan – ΦS adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 90o dari posisi pertama.
2.4
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
Prinsip kerja motor induksi tiga phasa dapat dijelaskan sebagai berikut :
Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan
dihasilkan arus tiga phasa. Arus ini akan mengalir melalui belitan yang akan
menimbulkan fluks dan karena adanya perbedaan sudut phasa sebesar 1200 antara
ketiga phasanya, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan sinkron ns.
ns =
120 × f
p
( rpm ) ......................................... (2.2)
Dalam stator sendiri akan timbul tegangan pada masing-masing phasa yang dinyatakan
E1 = 4,44 fN 1Φ ( Volt ) .................................. (2.3)
Dalam keadaan rotor masih diam, medan putar stator akan memotong batang
konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl)
sebesar E2 :
12
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
E 2 = 4,44 fN 2 Φ m ( Volt ) ................................. (2.4)
dimana :
E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)
N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor
Фm = Fluks maksimum(Wb)
Karena kumparan rotor membentuk rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan
menghasilkan arus I2. Adanya arus I2 di dalam kumparan rotor akan menghasilkan
medan magnet rotor. Interaksi medan magnet rotor dengan medan putar stator akan
menimbulkan gaya F pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup
besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator.
Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron.
Perbedaan kecepatan sinkron medan putar stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut
slip, dinyatakan dengan:
s=
ns − n r
× 100% ................................................ (2.5)
ns
Pada saat rotor dalam keadan berputar, besarnya tagangan yang terinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip, dan tegangan induksi ini
dinyatakan dengan E2s.
E 2s = 4,44 sfN 2 Φ m ( Volt ) ............................... (2.6)
dimana :
E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)
f2 = s. f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam
keadaan berputar)
Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada
kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns.
13
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
2.5
Rangkaian Ekivalen Motor Induksi
Kerja motor induksi seperti juga kerja transformator adalah berdasarkan prinsip
induksi-elektromagnetik. Oleh karena itu, motor induksi dapat dianggap sebagai
transformator dengan rangkaian sekunder yang berputar. Rangakian pengganti motor
induksi dapat dilihat pada gambar 2.8.
R1
I2
X1
I2
IΦ
I1
V1
sX 2
Rc
Ic X m I m
E1
sE2
R2
Gambar 2.8 Rangkaian pengganti motor induksi
Untuk menentukan rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga phasa, pertamatama perhatikan keadaan pada stator. Gelombang fluks pada celah udara yang berputar
sinkron membangkitkan ggl lawan tiga phasa yang seimbang di dalam phasa-phasa
stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh
tegangan pada impedansi bocor stator, sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan
V1 = E1 + I 1 ( R1 + jX 1 ) Volt ………………………………….(2.7)
Di mana: V1 = tegangan terminal stator (Volt)
E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan(Volt)
I 1 = arus stator (Ampere)
R1 = resistansi efektif stator (Ohm)
X 1 = reaktansi bocor stator (Ohm)
Seperti halnya transformator, arus stator dapat dipecah menjadi dua komponen,
komponen beban dan komponen peneralan. Komponen beban I 2 menghasilkan suatu
14
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
fluks yang akan melawan fluks yang diakibatkan arus rotor. Komponen peneralan I Φ ,
merupakan arus stator tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluks celah
udara resultan. Arus peneralan dapat dipecah menjadi komponen rugi-rugi inti IC yang
sephasa dengan E1 dan komponen magnetisasi I m yang tertinggal dari E1 sebesar
90° . Sehingga dapat dibuat rangkaian ekivalen pada stator, seperti Gambar 2.9.
R1
I2
X1
IΦ
I1
V1
Rc
Ic X m I m
E1
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen stator
Pada rotor belitan, jika belilitan yang dililit sama banyaknya dengan jumlah
kutub dan phasa stator. Jumlah lilitan efektif tiap phasa pada lilitan stator banyaknya a
kali jumlah lilitan rotor. Bandingkan efek magnetis rotor ini dengan yang terdapat pada
rotor ekivalen magnetik yang mempunyai jumlah lilitan yang sama seperti stator.
Untuk kecepatan dan fluks yang sama, hubungan antara tegangan E rotor yang
diimbaskan pada rotor yang sebenarnya dan tegangan E 2 s yang diimbaskan pada rotor
ekivalen adalah
E 2 s = a E rotor ………………………….…………..(2.8)
Bila rotor – rotor akan diganti secara magnetis, lilitan-ampere masing- masing
harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya I rotor dan arus I 2 s pada rotor
ekivalen haruslah
I 2s =
I rotor
…………………………….…………….(2.9)
a
15
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Akibatnya hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z 2 S dari rotor
ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip Z rotor dari rotor yang sebenarnya haruslah
sebagai berikut
E 2S
a 2 E rotor
Z 2S =
=
= a 2 Z rotor ( Ohm ) …………………. .(2.10)
I 2S
I rotor
Karena rotor terhubung singkat, hubungan fasor antara ggl frekuensi slip E 2 s
yang dibangkitkan pada phasa patokan dari rotor patokan dan arus I 2 s pada phasa
tersebut adalah
E 2S
= Z 2 S = R2 + jsX 2 ……………………………………..(2.11)
I 2S
Dimana: Z 2 S = impedansi bocor rotor frekuensi slip/phasa (Ohm)
R2 = tahanan rotor (Ohm)
sX 2 = reaktansi bocor patokan pada frekuensi slip (Ohm)
Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.11) dinyatakan dalam cara yang
demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X 2 didefinisikan
sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada
frekuensi stator.
Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron.
Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip
sebesar E 2 s dan ggl lawan stator E 1 . Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor
akan sama dengan tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan stator.
Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor adalah s kali kecepatan
terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator dan rotor adalah
E 2 s = s E 2 ………………………………….………………..(2.12)
16
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang
dihasilkan komponen beban I 2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif
I 2 s = I 2 ...................................................................................(2.13)
Dengan membagi persamaan (2.12) dengan persamaan (2.13) didapatkan:
sE 2
E 2S
…………………………………….……………(2.14)
=
I 2S
I2
Didapat hubungan antara persamaan (2.13) dengan persamaan (2.14), yaitu
sE 2
E 2S
=
= R2 + jsX 2 ………………………………..….(2.15)
I 2S
I2
Dengan membagi persamaan (2.15) dengan s, maka didapat
E 2 R2
=
+ jX 2 ……………………………….……………..(2.16)
s
I2
Dari persamaan (2.11) , (2.12) dan (2.16) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen
pada rotor seperti pada Gambar 2.10.
R2
E2s
I2
R2
X2
sX 2
I2
E2 s
R2
s
X2
I2
E2 s
1
R2 ( − 1)
s
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen rotor
R2
R
= 2 + R2 - R2
s
s
R2
1
= R2 + R2 ( − 1) ………………….………………….(2.17)
s
s
Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas,
maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa pada masing-masing
phasanya dan untuk mempermudah perhitungan maka rangkaian ekivalen dilihat dari
sisi stator seperti pada Gambar 2.11.
17
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
R1
I '2
X1
R'2
'
I0
I1
V1
X2
Xm
Rc
Im
' 1
R2 ( − 1)
s
Ic
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi sisi stator
Dimana:
X '2 = a 2 X 2
R ' 2 = a 2 R2
2.6
Pengaturan Putaran Motor Induksi
Operasi putaran suatu motor induksi, diberikan oleh persamaan :
nr = n s (1 − S ) =
120. f
(1 − S ) ……………………………………..(2.18)
p
Dari persamaan 2.18, dapat dilihat bahwa pengaturan putaran pada motor induksi
dapat dilakukan beberapa cara, yakni:
Mengubah jumlah kutub
Salah satu cara pengaturan putaran adalah dengan mengubah jumlah kutub p,
dan ini hanya dapat memberikan perubahan putaran yang diskrit, karena p harus
merupakan bilangan bulat. Dengan perencanaan yang benar dari rotor sangkar , hanya
diperlukan untuk mengubah jumlah kutub dari belitan stator, bersamaan dengan itu
arus akan rotor akan menemukan jalurnya masing-masing pada sangkar.
Mengubah frekuensi
Pengaturan frekuensi untuk mengendalikan putaran motor induksi biasanya
dibarengi juga dengan pengaturan tegangan masuk yang sebanding dengan frekuensi.
Dengan menggunakan inverter , yaitu suatu alat yang dapat mengubah tegangan searah
menjadi tegangan bolak-balik, frekuensi yang dihasilkan dapat dibuat berubah.
18
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Perubahan frekuensi arus bolak-balik dari inverter ini ditentukan oleh periode pulsa
yang memicu penyearah yang digunakan. Dengan mempercepat atau memperlambat
periode pulsa yang memicu penyearah, frekuensi dan juga kecepatan dapat diatur.
Mengubah tegangan stator
Pengaturan putaran dengan mengubah tegangan stator dapat dilakukan dengan
mengatur vektor tegangannya. Pengaturan vektor tegangan ini menggunakan
pengendalian umpan balik torsi dan fluks stator .Fluks dan torsi dihitung dari tegangan
dan arus stator yang diukur pada motor. Fluks dan torsi ini merupakan keadaan aktual,
yang akan dibandingkan dengan torsi dan fluks referensi untuk menentukan kondisi
torsi error, fluks error dan posisi fluks stator. Dengan menggabungkan output torsi
error, output fluks error, dan posisi fluks stator maka dapat diperoleh posisi switching
inverter yang akan menentukan besar tegangan dan arus yang diberikan ke stator.
Pengaturan ini dapat dilakukan dengan Direct Torque Control (DTC) dan pengaturan
dengan metode ini akan dibahas lebih lanjut pada BAB berikutnya.
2.7
Perhitungan Performansi Motor Induksi Tiga Phasa
2.7.1 Aliran Daya Pada Motor Induksi
Pada motor induksi tidak ada sumber tegangan yang langsung terhubung ke
rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang yang
diinputkan ke rotor.
a
Ι1
+
V1
n
R1
Ι 2'
X1
R2'
Ιc
Ιm
Rc
Xm
Pg
-
Celah Udara
X 2'
PFW/3
R (1− s)
s
'
2
Ps/3
ωm
Ts/3
Daerah
Konversi Daya
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen per-phasa motor induksi tiga phasa
19
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
dengan:
PFW = Rugi-rugi gesek dan angin motor
Ps = Daya penggerak poros
Ts = Torsi penggerak poros
Model rangkaian ekivalen per phasa motor induksi tiga phasa pada Gambar
2.12 menggambarkan proses pengubahan daya elektromekanik pada motor induksi tiga
phasa. Daya total yang diinputkan pada kumparan stator (P1) dapat dirumuskan sebagai
berikut:
P1 = 3 V1 I1 Cos θ ……………………………………………….(2.18)
dengan: V1 = tegangan sumber
I1 = arus masukan
θ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dan tegangan sumber
Sebelum daya ditransfer melewati celah udara, motor induksi mengalami rugirugi berupa rugi-rugi tembaga stator (3 I12 R1) dan rugi-rugi inti stator (3 E12 / Rc ).
Daya yang ditransfer melalui celah udara (3 PAG) sama dengan penjumlahan rugi-rugi
tembaga rotor (3Prcu) dan daya mekanik (3 Pd). Daya yang ditransfer melalui celah
udara ini sering disebut juga dengan daya input rotor.
3 PAG = 3 Prcu + 3 Pm
'
'
3 (I 2 ) 2
R2
(1 − s ) '
'
'
'
= 3 ( I 2 ) 2 R2 + 3 ( I 2 ) 2
R2 ……….. .(2.19)
s
s
Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.13 yang menggambarkan
diagram aliran daya pada motor induksi tiga phasa.
Celah Udara
Konversi daya
' 2
'
Ps
3PAG = 3( I 2 ) R2 / s
3 V1 I 1 Cos θ
Tsω m
Rugi - rugi Rugi - rugi
tembaga stator inti stator
2
3I1 R1
2
3E1 / Rc
Rugi - rugi
tembaga rotor
'
3( I 2 ) 2 R2
'
Daya mekanik
'
3(I 2 )2
(1 − s ) ' Rugi-rugi gesek
R2 dan angin
s
P
FW
Gambar 2.13 Diagram aliran daya pada motor induksi tiga phasa
20
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Hubungan antara rugi-rugi tembaga rotor dan daya mekanik dengan daya input
rotor, masing-masing dalam besaran per-phasa dapat ditulis sebagai berikut:
'
'
Prcu = ( I 2 ) 2 R2 = s PAG ……………………………….……..…. (2.20)
'
Pd = ( I 2 ) 2
(1 − s) '
R2 = (1 − s) PAG ……………………………...(2.21)
s
Dari gambar 2.13 juga dapat dilihat bahwa motor induksi juga mengalami rugirugi gesek dan angin (PFW ) sehingga daya output mekanik yang merupakan daya
penggerak poros (Ps) sama dengan daya mekanik total (3Pd) dikurangi rugi-rugi gesek
dan angin (PFW ).
Ps = 3Pd − PFW = Tsω m ……………………………………………(2.22)
dengan Ts = torsi penggerak poros
ω m = kecepatan sudut poros
2.7.2 Perhitungan Torsi Pada Motor Induksi Tiga Phasa
Torsi mekanik (Td) dapat dihitung dengan membagi persamaan (2.21) dengan
kecepatan sudut poros (ωm ).
Td =
s=
dengan
Pd
ωm
=
ns − nm
ωm
(1 − s )
ωm
=
'
R
( I 2 ) 2 ……………......……………….…(2.23)
s
' 2
ωs −ωm
ω
= 1 − m ……………………..........…...(2.24)
ωs
ωs
ω s = kecepatan sudut sinkron (radian/detik)
ω m = kecepatan sudut poros rotor (radian/detik)
ω m = (1 − s )ω s
'
R
(I 2 ) 2
s …………………………………………(2.25)
Td =
' 2
sehingga:
ωs
21
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Rangkaian ekivalen pada Gambar 2.11 dapat disederhanakan sehingga menjadi
rangkaian Thevenin seperti diperlihatkan pada Gambar 2.14. Dengan rangkain ini,
'
harga arus rotor ( I 2 ) dapat dihitung, sehingga persamaan torsi yang diinginkan dapat
diperoleh.
RTh
jX Th
I2
'
+
+
jX 2
E1
VTh
R2 s
Celah Udara
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen Thevenin per phasa motor induksi tiga phasa
Dengan:
VTh =
ZM
Vφ
Z M + Z1
ZM =
RC jX M
RC + jX M
Z Th = RTh + jX Th =
Z 1 = R1 + jX 1
Z1Z M
Z1 + Z M
I2 =
VTh
Z Th + Z 2
I2 ' =
VTh
……………………….....(2.26)
RTh + R2 s + jX Th + jX 2
'
Sehingga:
;
Besar arus ini adalah:
I2
'
=
VTh
'
( RTh + R2 s ) 2 + ( jX Th + jX 2 ) 2
…………………......(2.27)
Substitusi persamaan (2.26) ke persamaan (2.25) dan pengalian dengan 3
(untuk torsi tiga phasa) diperoleh persamaan torsi mekanik total:
22
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Td ,3φ =
2.8
3 VTh
2
R2
s
'
' 2
⎡⎛
R2 ⎞
⎟ + X Th + X 2 '
ω s ⎢⎜⎜ RTh +
s ⎟⎠
⎢⎝
⎣
(
⎤
2
⎥
⎥
⎦
)
……………..……….……(2.28)
MODEL DINAMIK MOTOR INDUKSI
2.8.1 Model Motor Induksi Dua Phasa
Rangkaian ekivalen motor seperti diuraikan sebelumnya hanya dapat digunakan
untuk menganalisa performansi motor induksi dalam keadaan stabil (steady-state). Ini
menyebabkan kondisi transien ketika terjadi perubahan beban dan perubahan frekuensi
diabaikan. Perubahan ini terjadi pada aplikasi yang membutuhkan penggerak pengatur
kecepatan yang variabel (variable speed drive). Model dinamik ini digunakan untuk
melihat pengaruh perubahan sesaat tegangan/arus, frekuensi stator dan torsi. Untuk
mendapatkan model dinamik motor induksi, maka ada beberapa asumsi yang diambil
pada motor induksi yaitu:
1. Celah udara yang seragam (Uniform air gap)
2. Kumparan stator dan rotor motor seimbang, dengan distribusi magnetomotive
force (mmf) yang sinusoidal.
3. Induktansi bervariasi secara sinusoidal terhadap posisi rotor.
4. Perubahan parameter motor dan saturasi diabaikan.
Model dinamik motor induksi ini didapat dengan menggunakan model motor
induksi dua phasa dalam koordinat d (direct) dan q (quadrature). Motor induksi dua
phasa dengan kumparan stator dan rotor ditunjukkan pada Gambar 2.15.
23
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
q-axis
iqs
T1
+
vα
−
iα
θr
Rotor
−
vβ
+
+
vqs
−
α
T2
T1
d-axis
T2
iβ
Stator
β
i
ds
−
+
vds
Gambar 2.15 Kumparan stator dan rotor motor induksi dua phasa
Tegangan terminal pada kumparan stator dan rotor merupakan penjumlahan
tegangan jatuh pada resistansi dengan rata-rata perubahan fluks (persamaan 2.29 s/d
2.32) Perubahan fluks ini merupakan perkalian arus dengan induktansi.
v qs = Rq iqs + p ( Lqq iqs ) + p ( Lqd ids ) + p( Lqα iα ) + p ( Lqβ i β ) ..........................(2.29)
v ds = p ( Ldq iqs ) + ( Rd ids ) + p ( Ldd ids ) + p( Ldα iα ) + p( Ldβ i β ) ..........................(2.30)
vα = p ( Lαq iqs ) + p ( Lαd ids ) + Rα iα + p( Lαα iα ) + p( Lαβ i β ) ...........................(2.31)
v β = p ( Lβq iqs ) + p ( Lβd ids ) + p ( Lβα iα ) + Rβ i β + p( Lββ i β )
.........................(2.32)
dengan p adalah operator diferensial d/dt. v qs , v ds , vα , v β adalah tegangan terminal
stator pada koordinat q, d, dan pada kumparan rotor α dan β . iqs dan ids adalah arus
stator pada koordinat d dan q. iα dan i β adalah arus rotor pada kumparan α dan β .
Lqq , Ldd , Lαα dan Lββ adalah induktansi diri pada q, d axis dan pada kumparan α dan
β . T1 adalah jumlah belitan kumparan stator, sementara T2 adalah jumlah belitan
kumparan rotor. Induktansi bersama antara dua buah kumparan dilambangkan dengan
L, dengan dua subscript. Subscript pertama menyatakan ggl induksi yang timbul pada
sebuah kumparan oleh karena arus pada kumparan lain (arus pada kumparan lain ini
dinotasikan dengan subscript kedua). Sebagai contoh Lqd merupakan induktansi
24
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
bersama antara kumparan d dan q disebabkan arus pada kumparan d. Dengan asumsi
celah udara yang seragam (uniform) maka besarnya induktansi diri konstan setiap saat
tanpa dipengaruhi posisi angular rotor.
Lαα = Lββ = Lrr ( Lrr =Induktansi rotor)……….……(2.33)
Ldd = Lqq = Ls ( Ls = Induktansi stator) ……….…...(2.34)
Induktansi bersama antara kumparan-kumparan stator dan antara kumparan-kumparan
rotor adalah nol, karena fluks yang timbul pada kumparan tidak akan melingkupi
kumparan lain yang berbeda sudut 900. Sehingga:
Lαβ = Lβα = 0 ………………………………..….…..(2.35)
Ldq = Lqd = 0 ………………………………………..(2.36)
Induktansi bersama antara kumparan stator dengan rotor merupakan fungsi posisi rotor,
θ r . Induktansi bersama ini merupakan fungsi sinusoidal karena asumsi mmf
(magnetomotive force) yang sinusoidal pada kumparan. Karena kumparan stator dan
rotor adalah simetris, maka induktansi bersama antara kumparan stator dengan rotor
adalah sama apakah dilihat dari sisi stator ataupun rotor.
Lαd = Ldα = Lsr Cosθ r ………………………………..(2.37)
Lβd = Ldβ = Lsr Sinθ r ………………………………...(2.38)
Lαq = Lqα = Lsr Sinθ r ………………………………...(2.39)
Lβd = Lqβ = − Lsr Cosθ r ………………………………(2.40)
Dengan Lsr adalah nilai puncak induktansi bersama kumparan stator dengan kumparan
rotor. Persamaan 2.40 bernilai negatif karena arus yang bernilai positif pada kumparan
β menghasilkan fluks linkage yang bernilai negatif pada kumparan q. Dengan mensubstitusikan persamaan 2.33 s/d 2.40 ke dalam persamaan 2.29 s/d 2.32 dihasilkan
25
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
persaman differensial dengan induktansi yang bervariasi terhadap waktu. Persaman
tersebut menjadi:
v qs = ( R s + L s p ) i qs + Lsr p (iα Sinθ r ) − Lsr p (i β Cosθ r ) ………..…….(2.41)
v ds = ( R s + L s p )i ds + L sr p (iα Cosθ r ) + L sr p (i β Sinθ r ) ………...…….(2.42)
vα = L sr p (i qs Sinθ r ) + Lsr p (i ds Cosθ r ) + ( Rrr + Lrr p )iα ………..……(2.43)
v β = − Lsr p (i qs Cosθ r ) + Lsr p (i ds Sinθ r ) + ( Rrr + Lrr p )i β ...………….(2.44)
dengan:
R s = Rq = Rd = tahanan stator
R rr = Rα = R β = tahanan rotor
Lrr = induktansi rotor
Ls = induktansi stator
Lsr = induktansi bersama kumparan stator dengan rotor
Persamaan 2.41 s/d 2.44 berubah-ubah menurut waktu karena dipengaruhi oleh
posisi sesaat rotor ( θ r ). Oleh karena itu untuk mempermudah menganalisis
performansi motor dibutuhkan persamaan yang lebih sederhana yang besarnya tidak
tergantung pada posisi rotor.
2.8.2 Transformasi Untuk Memperoleh Matriks yang Konstan
Transformasi untuk memperoleh induktansi yang konstan diperoleh dengan
cara menggantikan model motor yang sebenarnya (aktual) dengan model khayalan
pada koordinat d, q seperti ditunjukkan pada Gambar 2.16.
26
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
q-axis
iqs
T1
iqrr
+
vqrr
T2
+
vα
−
−
+
vqs
−
iα
β
T2
θr
Rotor
Stator
T2
T1
d-axis
idrr
−
vβ
+
T2 −
vdrr+
iβ
−
vds+
ids
α
Gambar 2.16 Transformasi variabel rotor dari nilai aktual ke nilai khayalan
Pada proses ini nilai khayalan rotor setiap phasa-nya memiliki jumlah belitan
yang sama dan juga menghasilkan mmf (magnetomotif force) yang sama dengan
kumparan aktual rotor. Dengan memproyeksikan kumparan α dan β ke sumbu d-axis
dan q-axis, maka akan didapatkan arus pada kumparan khayalan
idrr dan
iqrr (persamaan 2.45)
⎡idrr ⎤ ⎡Cosθ r Sinθ r ⎤ ⎡iα ⎤
⎢i ⎥ = ⎢
⎥ ⎢ ⎥ ……............……………(2.45)
⎣ qrr ⎦ ⎣ Sinθ r − Cosθ r ⎦ ⎣i β ⎦
Transformasi ini berlaku untuk tegangan, arus dan fluks linkages pada sebuah mesin.
Persamaan (2.45) ditulis menjadi:
[ ]
idqrr = Tαβ iαβ
dengan
[
idqrr = idrr
[
iαβ = iα
dan
.………………………………………..(2.46)
iqrr
iβ
]
t
]
t
.……………………………………….(2.47)
..…………………………...…………...(2.48)
⎡Cosθ r Sinθ r ⎤
Tαβ = ⎢
⎥ ………………………………(2.49)
⎣ Sinθ r − Cosθ r ⎦
27
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Transformasi dari bentuk α - β axis ke d-q axis berlaku juga untuk sebaliknya karena:
Tαβ = Tαβ
−1
..……………………………………………...(2.50)
Dengan demikian diperoleh:
⎡iα ⎤ ⎡Cosθ r Sinθ r ⎤ ⎡idrr ⎤
⎢i ⎥ = ⎢
⎥ ⎢ ⎥ ………………………..(2.51)
⎣ β ⎦ ⎣ Sinθ r − Cosθ r ⎦ ⎣iqrr ⎦
dan untuk persamaan tegangan diperoleh:
⎡vα ⎤ ⎡Cosθ r Sinθ r ⎤ ⎡v drr ⎤
⎢v ⎥ = ⎢
⎥ ⎢ ⎥ ……………………...(2.52)
⎣ β ⎦ ⎣ Sinθ r − Cosθ r ⎦ ⎣v qrr ⎦
dengan memasukkan transformasi pada persamaan (2.45) ini kedalam persamaan
(2.41) dan (2.42) didapatkan
v qs = ( R s + Ls p) i qs + ( L sr p ) iqrr …………...…….……(2.53)
v ds = ( R s + Ls p)i ds + Lsr p(i drr ) …………………...…..(2.54)
dengan memasukkan nilai iα dari persaman (2.51) kedalam persamaan (2.43)
didapatkan
[
vα = L sr p (i qs Sinθ r ) + Lsr p(i ds Cosθ r ) + ( Rrr + Lrr p ) i drr Cosθ r + i qrr Sinθ r
]
= Lsr Sinθ r piqs + Lsr iqsθ&r Cosθ r + Lsr Cosθ r pids − Lsr idsθ&r Sinθ r +
[
]
Rrr idrr Cosθ r + iqrr Sinθ r + Lrr Cosθ r pidrr − Lrr idrrθ&r Sinθ r + Lrr Sinθ r piqrr
+ Lrr iqrrθ&r Cosθ r
[
]
vα = L sr pi qs − Lsrθ&r i ds − Lrrθ&r i drr + ( R rr + Lrr p )i qrr Sinθ r +
[L θ&
sr
r
]
iqs + Lsr pids + Lrrθ&r iqrr + ( Rrr + Lrr ) idrr Cosθ r …………..(2.55)
dengan, θ&r adalah turunan dari θ r terhadap waktu.
Dari persamaan transformasi (3.53) bahwa vα = v drr Cosθ r + v qrr Sinθ r sehingga:
[
v drr = Lsrθ&r iqs + Lsr pids + Lrrθ&r iqrr + ( Rrr + Lrr ) idrr
]
………………...(2.56)
28
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
[
v qrr = Lsr piqs − Lsrθ&r ids − Lrrθ&r idrr + ( Rrr + Lrr p )iqrr
]
………………..(2.57)
Dari (2.53), (2.54) ,(2.56) dan (2.57) persamaan vektor tegangan tersebut dituliskan
dalam bentuk matriks yaitu:
⎡v qs ⎤ ⎡ R s + Ls p
⎢ ⎥ ⎢ 0
⎢v ds ⎥ = ⎢
⎢v ⎥ ⎢ L sr p
⎢ qrr ⎥ ⎢
⎢⎣v drr ⎥⎦ ⎢⎣ L srθ&
0
Rs + Ls p
− L θ&
sr
L sr p
⎤
⎥
L sr p
0
⎥
&
R rr + Lrr p − Lrrθ r ⎥
⎥
Lrrθ&r
R rr + Lrr p ⎥⎦
0
L sr p
r
⎡iqs ⎤
⎢ ⎥
⎢ids ⎥ ...….(2.58)
⎢iqrr ⎥
⎢ ⎥
⎣⎢idrr ⎦⎥
Seperti halnya pada rangkaian ekivalen trafo, jika dilihat dari sisi stator persamaan
(2.58) menjadi:
⎡v qs ⎤ ⎡ R s + Ls p
⎢ ⎥ ⎢ 0
⎢v ds ⎥ = ⎢
⎢v ⎥ ⎢ L m p
⎢ qr ⎥ ⎢
⎢⎣v dr ⎥⎦ ⎢⎣ Lmθ&
⎤
⎥
0
R s + Ls p
Lm p ⎥
− Lmθ&r
Rr + Lr p − Lrθ&r ⎥
⎥
Lm p
Lrθ&r
Rr + Lr p ⎥⎦
0
0
Lm p
⎡iqs ⎤
⎢ ⎥
⎢ids ⎥ ...……...(2.59)
⎢iqr ⎥
⎢ ⎥
⎢⎣idr ⎥⎦
dengan:
Rr = a 2 Rrr ,
iqr =
Lr = a 2 Lrr ,
idr =
iqrr
T1
T2
,
v qr = a v qrr ,
a=
idrr
,
a
v dr = a v drr ,
Lm = aLsr
a
Persaman (2.59) menunjukkan bahwa vektor tegangan merupakan perkalian matriks
impedansi dengan vektor arus. Disini induktansi pada matriks impedansi konstan dan
tidak tergantung lagi pada posisi rotor. Sebagian elemen matriks impedansi bergantung
pada kecepatan rotor, sehingga persamaan (2.59) linier jika matriks impedansi konstan.
Matriks impedansi yang konstan terjadi jika kecepatan konstan (steady state). Jika
kecepatan rotor berubah-ubah (dinamik) sehingga perubahan ini bergantung kepada
arus maka persamaan tersebut menjadi nonlinier.
29
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
2.8.3 Transformasi Tiga Phasa ke Dua Phasa
Model motor induksi yang dibahas sebelumnya adalah untuk mesin dua phasa.
Mesin induksi dua-phasa jarang sekali digunakan dalam aplikasi industri. Model
dinamik motor induksi tiga phasa diturunkan dari mesin dua phasa. Kedua model ini
ekivalen karena kumparan pada dua phasa dan tiga phasa menghasilkan mmf
(magnetomotive force) dan arus yang sama. Gambar 2.17 menunjukkan kumparan dua
phasa dan tiga phasa.
a
ias
d
T1
q
iqs
3
T1
2
3
T1
2
ids
θc
120 0
T1
T1
120 0
b
ics
ibs
c
Gambar 2.17 Kumparan stator motor dua phasa dan tiga phasa.
Dengan menganggap kumparan tiga phasa masing-masing memiliki jumlah
belitan (T1) per phasa. Untuk menghasilkan mmf yang sama maka kumparan dua phasa
mempunyai jumlah belitan (3T1/2) per phasa. mmf pada sumbu d-q didapat dengan
memproyeksikan mmf (magnetomotive force) tiga phasa pada sumbu d-q. Dimisalkan
sumbu q tertinggal θ c dari sumbu a, maka hubungan antara arus phasa d-q dengan
phasa abc adalah:
⎡
⎢Cosθ c
⎡iqs ⎤ ⎢
⎢ ⎥ ⎢
⎢ids ⎥ = ⎢ Sinθ c
⎢io ⎥ ⎢
⎣ ⎦
1
⎢
⎢⎣
2
2π
)
3
2π
)
Sin(θ c −
3
1
2
2π ⎤
)
3 ⎥
⎥
2π ⎥
)
Sin(θ c +
3 ⎥
⎥
1
⎥
⎥⎦
2
Cos (θ c −
Cos (θ c +
⎡ias ⎤
⎢i ⎥ …………..(2.60)
⎢ bs ⎥
⎢⎣ics ⎥⎦
30
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Arus io menyatakan ketidakseimbangan arus phasa a, b dan c dan dikenal sebagai arus
urutan nol. Persamaan diatas dituliskan dengan:
iqdo = [Tabc ] iabc …………………………………………………(2.61)
[
dengan:
iqdo = iqs ids
iabc = [ias
ibs
io
]
t
……………………………………….(2.62)
ics ] ……………………………………...(2.63)
t
dan variabel transformasi dari phasa abc ke phasa d-q adalah:
2π
)
3
2π
Sin(θ c −
)
3
1
2
⎡
⎢Cosθ c
⎢
2 ⎢
[Tabc ] = ⎢ Sinθ c
3
⎢
⎢ 1
⎣⎢ 2
Cos (θ c −
2π ⎤
)
3 ⎥
⎥
2π ⎥
Sin(θ c +
) ……………..(2.64)
3 ⎥
⎥
1
⎥
2
⎦⎥
Cos (θ c +
Transformasi dari arus dua phasa ke arus tiga phasa adalah
iabc = [Tabc ] −1 iqdo
[Tabc ] −1
………………………………………………..(2.65)
⎡
⎢ Cosθ c
⎢
2π
)
= ⎢Cos (θ c −
⎢
3
⎢
2π
⎢Cos (θ c +
)
3
⎣
Sinθ c
2π
)
3
2π
Sin(θ c +
)
3
Sin(θ c −
1
1
1
⎤
⎥
⎥
⎥ …………………...(2.66)
⎥
⎥
⎥
⎦
Jika sumbu q pada Gambar 2.18 berimpit dengan phasa a (θ c = 0) ,maka
transformasi dari sumbu abc ke sumbu d-q menjadi seperti pada persamaan (2.67).
Kondisi seperti ini disebut model stator reference-frames.
T s abc
⎡
⎢1
⎢
2⎢
= ⎢0
3
⎢
⎢1
⎢2
⎣
−
−
1
2
3
2
1
2
1
2
3
2
1
2
−
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥ …………………………….(2.67)
⎥
⎥
⎥
⎦
31
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Sehingga untuk tegangan pada dua phasa:
⎡v qs ⎤
⎡v as ⎤
⎢ ⎥
⎢ ⎥
s
⎢v ds ⎥ = T abc ⎢v bs ⎥ …………………………………………….(2.68)
⎢v 0 ⎥
⎢⎣v cs ⎥⎦
⎣ ⎦
⎡
⎢1
⎡v qs ⎤
⎢
⎢ ⎥ 2⎢
⎢v ds ⎥ = 3 ⎢0
⎢v 0 ⎥
⎢
⎣ ⎦
⎢1
⎢2
⎣
−
1
2
−
3
−
2
1
2
1
2
3
2
1
2
⎤
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎡v as ⎤
⎢v ⎥ ………………………(2.69)
⎢ bs ⎥
⎢⎣v cs ⎥⎦
sehingga,
v qs =
2⎡
1
⎤
v as − (v bs + v cs )⎥ …………………………………....(2.70)
⎢
3⎣
2
⎦
untuk sistem tiga phasa yang seimbang berlaku:
v as + v bs + v cs = 0 ………………………………………………(2.71)
maka
(v bs + v cs ) = − v as ……………………………………….……..(2.72)
dengan mensubstitusikan persamaan (2.72) ke dalam persamaan (2.70) didapatkan
tegangan quadrature stator (v qs ) menjadi:
v qs =
2⎡3
⎤
v as ⎥ = v as …………………………………….….…(2.73)
⎢
3⎣2
⎦
dengan cara yang sama didapatkan
v ds =
1
3
(v cs − v bs ) =
1
3
v cb ………………………….….…...(2.74)
dari persaman (2.73) dan (2.74) didapatkan hubungan tegangan stator mesin dua phasa
dengan mesin tiga phasa. Transformasi ini berlaku juga untuk arus dan juga fluks.
Dengan demikian:
32
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
iqs = ias …………….…………………………………………....(2.75)
ids =
1
3
(ics − ibs ) …………...…………………….…...………..(2.76)
33
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB III
PENGONTROLAN TORSI SECARA LANGSUNG (DIRECT TORQUE
CONTROL)
3.1
Umum
Dalam penggunaannya, motor induksi dapat dioperasikan dengan kecepatan
yang bervariasi. Oleh karena itu, motor induksi banyak dipergunakan dalam industri
saat ini. Pengaturan kecepatan putaran motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa
metode dan salah satu metode yang digunakan adalah dengan mengontrol torsi motor
induksi secara langsung.
Direct Torque Control merupakan kemajuan terbaru dalam teknologi
pengontrolan motor induksi. Seperti diketahui bahwa fungsi dasar penggerak pengatur
kecepatan (variable speed drive) adalah mengendalikan aliran energi dari jala-jala ke
mesin dalam proses produksi industri. Energi ini disuplai lewat poros motor. Dua
besaran yang dapat diukur yang menunjukkan kondisi poros ini adalah torsi dan
kecepatan. Untuk mengendalikan aliran energi maka besaran tersebut harus diatur.
Dalam prakteknya salah satu dari besaran ini harus dikontrol yang dikenal dengan
kontrol torsi (torque control) dan kontrol kecepatan (speed control). Ketika variable
speed drive beroperasi sebagai kontrol torsi maka kecepatan bergantung kepada beban.
Sebaliknya ketika beroperasi sebagai kontrol kecepatan, maka torsi bergantung kepada
beban.
Pada awalnya yang paling banyak digunakan dalam aplikasi mesin listrik yang
membutuhkan pengaturan kecepatan dan pengontrolan torsi dengan kehadalan yang
tinggi adalah motor DC karena fluks dan torsinya dapat dengan mudah diatur tanpa
membutuhkan peralatan elektronika yang kompleks. Perkembangan teknologi
34
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
penggerak pengatur kecepatan mesin ac (ac variable speed drive) didasari atas
keinginan untuk menandingi bahkan melebihi performansi yang cukup bagus yang
dimiliki penggerak motor dc (dc drives), seperti respon torsi yang cepat dan pengaturan
kecepatan yang akurat dengan memanfaatkan berbagai kelebihan motor ac.
3.2
Pengontrolan Vektor Pada Motor Induksi
Teknik pengontrolan pada motor induksi yang dikenal dengan field-oriented
control (FOC) bekerja dengan performansi dinamik yang tinggi yang sebanding
dengan karakteristik dari motor dc. Pengontrolan motor induksi ini dilakukan dengan
mengontrol parameter motor dalam besaran vektor. Pengontrolan vektor ini
menggunakan pengendalian umpan balik torsi dan fluks stator (Gambar 3.1). Fluks dan
torsi dihitung dari tegangan dan arus stator yang diukur pada motor. Metode ini
menggunakan model referensi stator (stator reference frames) motor induksi.
Gambar 3.1 Skema DTC
Persaman tegangan stator mesin dalam model referensi stator (stator reference frames)
dalam besaran vektor adalah:
35
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
v s = Rs i s +
dλ s
………………………………………………….(3.1)
dt
sehingga:
λ s = ∫ (v s − R s i s )dt .. ……………………………………….....….(3.2)
dengan: v s = vektor tegangan stator
i s = vektor arus stator
Rs = tahanan stator
λ s = vektor fluks stator
dengan demikian fluks linkages dalam koordinat stator reference frames dihitung
berdasarkan
λ qs = ∫ (v qs − R s i qs )dt ……………………………………………..(3.3)
λ ds = ∫ (v ds − R s i ds )dt ………………………………..……………(3.4)
sehingga besarnya fluks stator adalah:
λ s = (λ qs ) 2 + λ ( ds ) 2 ∠θ fs .………………………............…….(3.5)
⎛ λ qs ⎞
⎟⎟ …………………….………………….(3.6)
λ
⎝ ds ⎠
θ fs = tan −1 ⎜⎜
Persamaan torsi elektromagnetik adalah:
Te =
3P
(iqs λds − ids λqs ) …………………..…..……….(3.7)
22
Frekuensi listrik dihitung dengan mendifferensialkan sudut vektor fluks rotor yaitu:
ωe =
ωe =
⎛ λ qs
dθ r
d ⎧⎪
= ⎨tan −1 ⎜⎜
dt
dt ⎪⎩
⎝ λ ds
λ&qs λ ds − λ&ds λ qs
λ2s
⎞⎫⎪
⎟⎟⎬
⎠⎪⎭
……...………………………………..…..(3.8)
36
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Persamaan kecepatan rotor adalah :
ω r = P (ω e − Rr
Te
λr 2
) …………………………………(3.9)
dengan komponen d dan q-axis diperoleh dari transformasi tiga phasa ke sistem dua
phasa.
iqs = ias …………………….……………………….……..…....(3.10)
ids =
3.3
1
3
(ics − ibs ) ………………...…………….…………..…..(3.11)
Kondisi Switching Dan Vektor Tegangan Output Inverter
Rangkaian daya penggerak motor induksi tiga phasa dapat dilihat pada
Gambar 3.2.
D1 D3 D5
T1
TR
Sumber a
Tegangan b
Tiga
Phasa c
Diode-Bridge
Rectifier
RR
Regenerating
Circuit
T5
a
cf
D4 D6 D2
T3
b
T4
Link Filter
T6
c
Motor
Induksi
Tiga
Phasa
T2
PWM Inverter
Gambar 3.2 Rangkaian daya penggerak motor induksi tiga phasa
Sumber tegangan tiga phasa pada Gambar 3.2 terlebih dahulu disearahkan
dengan menggunakan penyearah tiga phasa. Bentuk gelombang setelah disearahkan
dapat dilihat pada Gambar 3.3.
37
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
56
61
Vc
Va
b
Vm
12
23
Vac
b
34
Vbc
45
Vb
Vca
a
0
Vm
0
0
0
90
270
180
Vm
0
1200
60
0
0
240
180
300
0
0
360
Gambar 3.3 Bentuk gelombang tegangan keluaran Dioda
Setelah disearahkan maka tegangan ini akan diubah kedalam tegangan bolakbalik yang akan diberikan kepada motor induksi tiga phasa. Bentuk tegangan yang
dihasilkan oleh inverter ini untuk konduksi 1800 pada transistor adalah seperti pada
Gambar 3.4.
2
V dc
3
1
Vdc
3
Vas
π
2
π
2
π
2
π
ωt
π
ωt
π
ωt
π
3
π
3
π
3
Vbs
1
Vdc
3
1
− Vdc
3
Vcs
1
Vdc
3
0
2
− V dc
3
Gambar 3.4 Bentuk tegangan keluaran Inverter
38
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Pada Inverter tiga-phasa seperti pada Gambar 3.2 dapat dibuat beberapa
kombinasi switching yang akan menghasilkan vektor tegangan yang berbeda. Jika T1
on dan T4 off (dilambangkan dengan Sa = 1) maka pada Va timbul tegangan sebesar
Vdc, seperti dapat dilihat pada Tabel 3.1. Demikian juga halnya pada Sb dan Sc. Ketika
T1 dan T4 off maka tidak ada tegangan pada Va.
Tabel 3.1 Kondisi Switching Inverter Phasa a
T1
T4
Sa
Va
on
off
1
Vdc
off
off
0
0
Tegangan output tiga phasa diperoleh dari konfigurasi waktu penyalaan enam
buah transistor pada Gambar 3.2 tersebut. Ada 8 jenis switching yang berbeda yang
dapat dibuat dari kombinasi
Sa, Sb, dan Sc. Delapan jenis switching ini akan
menghasilkan 8 buah vektor tegangan output inverter yang berbeda. Vektor tegangan
yang terjadi untuk tegangan line to line berlaku:
v ab = v a − v b ⎫
⎪
v bc = v b − v c ⎬ …………….. ……………………………………………(3.12)
v ca = v c − v a ⎪⎭
Untuk sistem yang setimbang berlaku:
v a + vb + v c = 0 …………….………………………..………………..…(3.13)
v a = − vb − v c
persamaan ini dimodifikasi menjadi:
v a + 2 v a = v a − vb − v c + v a
3 v a = v ab − v ca
va =
v ab − v ca
3
39
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Sehingga tegangan phasa kumparan stator motor adalah:
v as =
v ab − v ca
…………..…………….………………………………....(3.14)
3
dengan cara yang sama didapatkan
v bs =
v bc − v ab
………………………..…………………………………..(3.15)
3
v cs =
v ca − v bc
……………..……………………………………………..(3.16)
3
dengan, v as , v bs , v cs = tegangan phasa kumparan stator motor.
dan tegangan stator motor pada d dan q axis adalah:
v qs =
v ds =
2⎡3 ⎤
v as = v as ..………………………………..……………….(2.73)
3 ⎢⎣ 2 ⎥⎦
1
3
(v cs − v bs ) =
1
3
v cb ………………………………..………….(2.74)
dari persamaan (3.12), (3.14 s/d 3.16), (2.73), dan (2.74) didapatkan tegangan pada
mesin (juga merupakan tegangan output inverter) untuk setiap jenis switching yang
dapat dilihat pada Tabel 3.2.
Tabel 3.2 Kondisi Switching Inverter
Tabel 3.3 Kondisi switcing inverter
Switcing Sa S b
Sc
Va
Vb
Vc Vab Vbc
Vca
0 − Vdc
I
1
0
0 Vdc
0
II
1
0
1 Vdc
0
Vdc Vdc − Vdc 0
III
0
0
1
0
0
Vdc
IV
0
1
1
0
Vdc Vdc − Vdc
V
0
1
0
0
Vdc 0 − Vdc Vdc
VI
1
1
0 Vdc Vdc 0
0
Vdc − Vdc
VII
0
0
0
0
0
0
VIII
1
1
1 Vdc Vdc Vdc
0
0
0
0
0
0
0
Vdc
0 − Vdc Vdc
0
Vdc
0
Vas
V bs
Vcs
Vqs
V ds
1
2
2
1
Vdc − Vdc − Vdc
Vdc 0
3
3
3
3
Vdc
1
1
1
2
Vdc
Vdc − Vdc
Vdc
3
3
3
3
3
Vdc
1
1
1
2
− Vdc − Vdc
Vdc − Vdc
3
3
3
3
3
1
1
2
2
Vdc
Vdc − Vdc 0
− Vdc
3
3
3
3
1
1
1
2
V
− Vdc
Vdc − Vdc − Vdc − dc
3
3
3
3
3
1
1
1
2
Vdc
Vdc
Vdc − Vdc
Vdc −
3
3
3
3
3
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
40
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
q
2
Vdc I
3
1
Vdc
3
VI
−
1
Vdc
3
V
II
1
Vdc
3
(0,0)
(VII,VIII)
1
− Vdc
3
2
− Vdc
3
d
III
IV
Gambar 3.5 Tegangan output inverter untuk setiap switching.
Jadi untuk berbagai jenis switching inverter didapatkan phasor tegangan stator
yang berbeda sebagai resultan dari Vqs dan Vds (Gambar 3.5, Tabel 3.3 dan Tabel 3.4).
Tabel 3.3 Tegangan Keluaran Inverter
41
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Tabel 3.4 Sambungan Tabel Tegangan Keluaran Inverter
Dengan phasor tegangan yang berubah-ubah maka sesuai dengan persamaan
(3.1) dan (3.2) didapat fluks stator berubah secara vektoris.
3.4
Pengontrolan Fluks
Fluks yang bergerak melingkar pada stator mesin menempati salah satu dari
enam ruang seperti pada Gambar 3.6. Phasor fluks stator mempunyai besar λ s , dengan
posisi θ fs . Fluks dalam koordinat d-q adalah λ ds dan λ qs . Jika phasor fluks berada pada
ruang <2> maka vektor tegangan yang harus diberikan adalah VI atau I. Salah satu dari
kedua vektor tegangan ini memperbesar fluks sementara yang lain mengurangi.
Penjelasan ini dapat dilihat pada Gambar 3.7.
42
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
q
λs
1
λqs
600
6
600
5
600
θ fs
2
600
d
λds
600
3
4
Gambar 3.6 Pembagian fluks linkages stator dalam 6 ruang.
Pada Gambar 3.7 dapat dilihat pengaruh switching phasor tegangan I ( VI ),
yang memperbesar phasor fluks dari λ s menjadi λ sI . Sementara phasor tegangan VI
( VVI ) mengurangi fluks menjadi λ sVI . Ini menyebabkan phasor tegangan yang lebih
dekat memperbesar fluks sementara phasor tegangan yang lebih jauh mengurangi
fluks. Tetapi kedua-duanya memperbesar posisi phasor fluks. Pengontrolan fluks ini
dilakukan dengan cara membandingkan fluks aktual ( λ s ) yang didapat dari persamaan
(3.3 s/d 3.5) dengan fluks referensi ( λ ref ) . Kemudian hasil perbandingan ini
dikonversikan dalam sinyal digital (dilambangkan S λ ). Perbandingan ini dapat dilihat
pada Tabel 3.5.
Tabel 3.5 Logic Pengontrolan Fluks
Kondisi
Sλ
λ ref − λ s > 0
1
λ ref − λ s ≤ 0
0
43
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Dari hasil perbandingan ini akan ditentukan vektor tegangan yang sesuai untuk
mengontrol perubahan fluks secara langsung. Jika S λ bernilai 1 berarti fluks harus
diperbesar, sementara jika bernilai 0 fluks harus diperkecil.
q
λsI
VVI
λsVI
λqs
VI
λs
0
d
λds
Gambar 3.7 Pengaruh switching VI dan VVI pada phasor fluks stator.
3.5
Pengontrolan Torsi
Pengontrolan torsi ini dilakukan dengan membandingkan torsi yang diinginkan
(torsi referensi) dengan torsi aktual pada motor (Tabel 3.6). Torsi aktual motor dihitung
dengan menggunakan persamaan (3.7).
Tabel 3.6 Logic Pengontrolan Torsi
Kondisi
ST
(Tref − Te ) > δTe
1
− δTe < (Tref − Te ) < δTe
0
(Tref − Te ) < −δTe
-1
44
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
dengan Te adalah torsi elektromagnetik, Tref adalah torsi referensi dan δ Te adalah
batas torsi yang diterima di atas torsi referensi. Ketika torsi error (Tref − Te ) melebihi
δ Te maka waktunya untuk menambah torsi, dilambangkan dengan sinyal + 1 . Jika
torsi error berada antara positif dan negatif δ Te , maka phasor tegangan harus vektor
tegangan nol. Untuk torsi error di bawah δ Te maka waktunya untuk melakukan
pengereman, dilambangkan dengan sinyal -1.
Sementara jika S T bernilai 1 berarti phasor tegangan harus dinaikkan, 0 artinya
phasor tegangan bernilai tetap dan -1 berarti phasor tegangan harus diperlambat di
belakang phasor fluks untuk pengereman. Dengan menggabungkan output fluks error
S λ , output torsi error S T dan keenam ruang posisi fluks stator Sθ maka tabel switching
dapat dibuat untuk memperoleh switching inverter yang tepat pada suatu kondisi
tertentu seperti dapat dilihat pada Tabel 3.7.
Tabel 3.7 Kondisi Switching untuk Berbagai Kondisi S λ , S T , dan Sθ
45
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Pada kolom Sθ = <1> untuk sinyal fluks bernilai 1 yang berarti besarnya fluks
kurang dari yang diharapkan sehingga phasor fluks harus diperbesar. Pada saat
bersamaan torsi error bernilai positif yang berarti torsi harus dinaikkan. Dengan
menggabungkan kedua sinyal ini dengan posisi fluks phasor pada <1> maka phasor
tegangan yang memenuhi untuk kondisi ini adalah I dan VI. Tetapi ini hanya berlaku
pada sudut 30 0 pada <1>. Pada sudut 30 0 kedua, phasor tegangan I akan memperbesar
phasor fluks tetapi memperlambat sudut fluks. Ini akan menyebabkan penurunan
frekuensi stator dan mengubah arah torsi. Pengontrolan pada kondisi ini dimaksudkan
untuk membuat fluks terus berputar (dalam hal ini berlawanan arah jarum jam).
Dengan demikian pada sudut 30 0 kedua, pada ruang <1> phasor tegangan yang sesuai
adalah VI. Jadi untuk S T dan S λ bernilai +1 dengan posisi phasor fluks pada ruang <1>
phasor tegangan yang memenuhi hanya phasor tegangan VI. Ketika sinyal torsi bernilai
nol pilihan satu-satunya adalah memberi phasor tegangan nol yaitu vektor tegangan
VIII. Jika torsi error menjadi negatif dengan S T = -1, sementara S λ =1 maka torsi harus
diperkecil dengan memberi phasor tegangan II.
Jika S λ = 0 (yang berarti phasor fluks telah melampaui nilai yang seharusnya)
maka fluks ini harus diperkecil dengan memilih phasor tegangan V. Dengan memilih
phasor tegangan V maka akan memepercepat perputaran fluks, sehingga slip makin
bertambah dengan demikian torsi elektromegnetik juga bertambah besar. Dengan
demikian dipenuhi untuk Untuk S T = 1. Jika S T = 0 maka waktunya untuk memilih
Phasor tegangan nol (dalam hal ini phasor vector tegangan VII). Sementara untuk S T =
-1 maka torsi harus diperkecil sementara fluks bertambah. Dalam kondisi phasor
tegangan harus memperlambat perputaran torsi, sehingga phasor tegangan yang tepat
46
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
adalah III. Untuk posisi phasor fluks pada ruang yang lain maka phasor tegangan yang
sesuai dapat dilihat pada Tabel 3.8.
Tabel 3.8 Logic Fluks Phasor
θ fs
Ruang fluks
0 ≤ θ fs ≤ π / 3
(2)
− π / 3 ≤ θ fs ≤ 0
(3)
− 2π / 3 ≤ θ fs ≤ −π / 3
(4)
− π ≤ θ fs ≤ −2π / 3
(5)
2π / 3 ≤ θ fs ≤ π
(6)
π / 3 ≤ θ fs ≤ 2π / 3
(1)
Direct torque control ini merupakan pengontrolan penggerak motor ac yang
unik karena switching pada inverter mengontrol secara langsung variabel motor yaitu
fluks dan torsi. Blok diagram pengontrolan dengan direct torque control (pengontrolan
secara langsung) Ini dapat dilihat pada Gambar 3.8.
Gambar 3.8 Blok diagram pengontrolan motor induksi dengan direct torque control
47
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Pada Gambar 3.8 dapat dilihat beberapa langkah dalam pengontrolan torsi dan
fluks yaitu sebagai berikut:
1. Pengukuran arus dan tegangan motor.
Pada operasi normal dua buah arus phasa motor beserta dengan tegangan
diukur.
2. Transformasi arus dan tegangan tiga phasa (abc) ke dua phasa (d-q)
Arus dan tegangan dua phasa dihitung dengan menggunakan persamaan (2.73)
s/d (2.76)
3. Penghitungan besar torsi, fluks dan sudut fluks stator
Besar torsi, fluks dan sudut fluks stator dapat dihitung dengan menggunakan
persamaan (3.5) s/d (3.7)
4. Penetuan keadaan S λ , S T dan Sθ
S λ didapat dari hasil perbandingan fluks aktual dengan fluks referensi. S T dari
hasil perbandingan torsi aktual dengan torsi referensi. Ini dapat dilihat pada
Tabel 3.5 dan Tabel 3.6. Sementara Sθ menyatakan posisi fluks stator.
5. Penentuan Jenis Switching
Kemudian ditentukan switching yang sesuai dengan yang dibutuhkan.
Switching yang sesuai untuk masing-masing keadaan S λ , S T dan Sθ didapat
dari Tabel 3.7.
48
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB IV
SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
DENGAN DIRECT TORQUE CONTROL DAN PEMBAHASANNYA
4.1
Umum
MATLAB (Matrix Laboratory) adalah sebuah program untuk analisis dan
komputasi numerik yang merupakan bahasa pemrograman matematika lanjutan dengan
dasar pemikiran menggunakan sifat dan bentuk matrik.
MATLAB sering digunakan untuk
ƒ
Matematika dan komputasi
ƒ
Pengembangan dan algoritma
ƒ
Pemrograman modeling, simulasi dan pembuatan prototipe
ƒ
Analisa data, eksplorasi dan visualisasi
ƒ
Analisis numerik dan statistik
ƒ
Pengembangan aplikasi teknik
Dalam Tugas Akhir ini, Matlab digunakan untuk mensimulasikan pengaturan
kecepatan motor induksi tiga phasa dengan direct torque control.
4.2
Rangkaian Simulasi
Model rangkaian simulasi pengaturan kecepatan motor induksi tiga phasa
dengan direct torque control dapat dilihat pada gambar 4.1.
49
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 4.1 Rangkaian simulasi pengaturan kecepatan motor induksi tiga phasa dengan
direct torque control
4.3
Spesifikasi Komponen Simulasi
Berikut ini adalah model-model dan blok parameter yang digunakan dalam
simulasi, yaitu :
Three Phase Source ( Sumber Tiga Phasa)
Model sumber tiga phasa pada gambar 4.2 merupakan implementasi sumber tegangan
tiga phasa dengan impedansi dalam R-L. Ketiga phasa sumber tegangan dihubungkan
Y dengan hubungan netral ditanahkan.
Gambar 4.2 Sumber Tiga Phasa
Data parameter sumber tegangan tiga phasa adalah sebagai berikut:
1. Tegangan phasa-phasa (VLL) :
460 V
2. Frekuensi Sumber (f)
:
60 Hz
3. Tahanan Sumber (R)
:
0.0056 Ω
4. Induktansi Sumber (L)
:
0.15 mH
50
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Adapun parameter-parameter sumber tegangan tiga phasa dimasukkan ke dalam blok
parameter sumber tiga phasa seperti pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Blok Parameter sumber tiga phasa
DTC Induction Motor Drive
DTC Induction Motor pada gambar 4.4 terdiri dari beberapa bagian yaitu motor
induksi, inverter, dioda penyearah, speed controller, braking chopper, dan DTC
controller.
Gambar 4.4 DTC Induction Motor Drive
51
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Adapun parameter-parameter motor induksi dapat dilihat pada blok parameter
asynchronous machine seperti pada gambar 4.5.
Gambar 4.5 Blok Parameter asynchronous machine
52
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Adapun parameter-parameter Inverter, braking chopper, diode dan DC Bus dapat
dilihat pada blok parameter converter and DC bus seperti pada gambar 4.6.
Gambar 4.6 Blok parameter converter and DC bus
53
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Adapun parameter-parameter speed controller dan DTC controller dapat dilihat pada
blok parameter controller seperti pada gambar 4.7.
Gambar 4.7 Blok parameter controller
Demux
Demux merupakan pembagi sinyal keluaran mesin yang berasal dari motor, conv, ctrl
pada blok DTC Induction Motor Drive. Sinyal keluaran pada mesin ada 4 komponen
yaitu arus stator, kecepatan rotor, torsi elektromagnetik, tegangan DC bus. Untuk
memisahkan sinyal ini menjadi 4 bagian agar dapat dibaca oleh alat ukur maka
digunakan demux.
54
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 4.8 Demux
Scope
Scope merupakan blok yang menampilkan sinyal keluaran dari keempat komponen
demux yaitu arus stator, kecepatan rotor, torsi elektromagnetik, tegangan DC bus
Gambar 4.9 Scope
4.4
Simulasi Dan Analisa Hasil Simulasi
Simulasi pengaturan kecepatan putaran motor induksi tiga phasa dilakukan
dengan menggunakan Matlab 7.0.1. Rangkaian simulasi ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Masukan kecepatan referensi yang diberikan adalah 600 rpm, kemudian dinaikkan
menjadi 1200 rpm pada saat t = 1,5 detik. Simulasi dilakukan untuk kondisi tanpa torsi
beban dan kondisi dengan torsi beban sebesar 300 Nm dan 600 Nm. Hasil simulasi
untuk kondisi tanpa torsi beban ditunjukkan pada Gambar 4.10, kondisi dengan torsi
beban sebesar 300 ditunjukkan pada Gambar 4.11, dan kondisi dengan torsi beban
sebesar 600 ditunjukkan pada Gambar 4.12.
55
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 4.10 Grafik hasil simulasi untuk kondisi tanpa torsi beban
56
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 4.11 Grafik hasil simulasi untuk kondisi dengan torsi beban
sebesar 300 Nm
57
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
Gambar 4.12 Grafik hasil simulasi untuk kondisi dengan torsi beban
sebesar 600 Nm
Dari hasil simulasi pengaturan kecepatan motor induksi dengan direct torque
control untuk kecepatan referensi 600 rpm terlihat bahwa untuk kondisi torsi tanpa
beban motor mampu mencapai kecepatan referensi dalam waktu 0,5 detik dan
mengalami lonjakan kecepatan sebesar 1,58 % selama 0,6 detik. Pada torsi beban
58
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
sebesar 300 Nm, motor mampu mencapai kecepatan referensi dalam waktu 0,51 detik
dan mengalami lonjakan kecepatan sebesar 1,33 % selama 0,56 detik. Pada torsi beban
sebesar 600 Nm, motor mampu mencapai kecepatan referensi dalam waktu 0,52 detik
dan tidak mengalami lonjakan.
Perbandingan respon kecepatan untk kecepatan acuan 600 rpm dapat di lihat pada
Tabel 4.1.
Tabel 4.1 Respon Kecepatan dengan kecepatan Aktual 600 rpm
Parameter
Lama mencapai
referensi
Lama Lonjakan
% lonjakan
0 Nm
Torsi Beban
300 Nm
600 Nm
0,5 detik
0,51 detik
0,53 detik
0,6 detik
0,56 detik
0
1,58 %
1,33 %
0
Pada saat kecepatan referensi dinaikkan menjadi 1200 rpm, secara umum
kecepatan aktual motor mampu mencapai kecepatan referensi baik untuk kondisi tanpa
beban, tosi beban 300 Nm, dan Torsi beban 600 Nm, dengan perbandingan respon
kecepatan mtor seperti pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Respon Kecepatan dengan kecepatan Aktual 1200 rpm
Parameter
Torsi Beban (Nm)
300
0
600
Lama mencapai
referensi
Lama lonjakan
0,5 detik
0,51 detik
0,52 detik
0,6 detik
0,56 detik
0
% lonjakan
1,58 %
1,33 %
0
59
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
BAB V
PENUTUP
5.1
KESIMPULAN
Berdasarkan pembahasan bab-bab yang sebelumnya, maka dapat diambil
beberapa kesimpulan sebagai berikut :
1. Pengaturan kecepatan motor induksi dengan Direct Torque Control (DTC)
mempunyai respon dinamik yang tinggi, hal ini dapat dilihat dari kecepatan
aktual dalam mengikuti kecepatan referensi cukup akurat.
2. Pada Direct Torque Control, switching inverter langsung mengontrol parameter
motor yaitu tegangan stator dengan menggunakan pengendalian umpan balik
fluks dan torsi.
3. Respon kecepatan aktual motor induksi dipengaruhi oleh beban, yaitu semakin
besar beban yang diberikan mengakibatkan respon kecepatan aktual untuk
mengikuti kecepatan referensi semakin lambat dan semakin memperkecil
besarnya lonjakan kecepatan.
5.1
SARAN
1. Oleh karena Tugas Akhir ini berupa simulasi, jadi untuk lebih memperjelas
kehandalan pengaturan kecepatan motor induksi tiga phasa dengan
direct
torque control dan juga untuk lebih memahami penggunaan Direct torque
control dapat dilakukan dengan percobaan langsung di lapangan.
60
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009
DAFTAR PUSTAKA
Bose, Bimal K.2002. Modern Power Electronics and AC Drive,. Prentice Hall.
Lister C. Eugene.1998. Mesin dan Rangkaian Listrik, Edisi Keenam, Jakarta,
Erlangga.
Krishnan, R.2001. Electric Motor Drives, Modeling, Analysis, and Control.
Prentice Hall.
Rashid,
Muhammad
H.2004.
Power
Electronics,
Circuit,
Devices,
and
Applications, Third Edition, Prentice Hall.
Stephen J. Chapman.1999. Electric Machinery Fundamentals, Mc Graw-Hill Bool
Company.
Technical Guide No. 1, Direct Torque Control, ABB Industry Oy.
Zuhal .1993. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Cetakan IV,
Jakarta, Gramedia Pustaka Utama.
61
Jeremia Purba : Simulasi Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Dengan Direct Torque Control Dengan Menggunakan
Matlab 7.0.1, 2009.
USU Repository © 2009