INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL MALANG

Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
Analisis Penggunaan Motor Induksi Satu Fasa
Menggunakan Space Vector Pulse Width
Modulation (SVPWM) Dengan MATLAB
Antonio Fernandes Filipe dan M. Abdul Hamid
Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang
e-mail : [email protected]
Abstrak—Penggunaan motor induksi yang sangat luas
dalam bidang industri maupun dalam rumah tangga
menyebabkan motor jenis ini mendapat perhatian serius dari
konsumen maupun fabrik motor itu sendiri. Ha ini disebabkan
karena mottr induksi dalam ukuran kecil banyak digunakan
untuk keperluan rumah tangga, seperti untuk penggerak
mesin cuci dan refrigerator, sedangkan motor induksi dengan
kapasitas besar digunakan pada dunia industri sebagai
penggerak pompa, fan, kompresor dan banyak lainnya.
Pada umumnya motor induksi pada umumnya
disimulasikan dan dianalisis pada kondisi ajek (steady state),
tetapi untuk mengetahui sifat pengendalian dalam bidang
elektrik, maka analisisnya dapat menggunakan metode space
vector pulse width modulation (SVPWM). Penggunaan metode
SVPWM dimaksudkan untuk meningkatkan daya keluaran
dan juga dapat menurunkan faktor distorsi harmonisa pada
motor induk 1 fasa. Pada penelitian ini akan dibandingkan dua
sistem pengontrolan yaitu dengan menggunakan SVPWM dan
auto trafo dengan menggunakan software Matlab.
Kata kunci—svpwm, autotrafo, motor induksi, matlab
simulink.
I.
PENDAHULUAN
Penggunaan motor induksi yang mencakup dunia luas
baik dalam bidang industri maupun dalam kehidupan seharihari membuat motor jenis ini mendapat perhatian dari para
pengguna serta pabrik pembuatannya untuk semakin
meningkatkan mutu dari suatu motor induksi yang
dihasilkan
sehingga
tidak
mengecewakan
para
konsumennya. Motor induksi yang kecil digunakan untuk
peralatan rumah tangga misalnya untuk mesin cuci, dan
lemari es, sedangkan motor induksi dengan kapasitas yang
besar digunakan pada sektor industri seperti pada pompa,
fan, kompresor dan banyak lainnya.
Pada umumnya motor induksi dianalisis dan
disimulasikan pada kondisi steady state, tetapi untuk
mempelajari pengendalian dalam bidang elektrik metode
SVPWM juga sangat di butuhkan.
Penggunaan metode SVPWM ini dimaksudkan untuk
meningkatkan output daya dan juga dapat menurunkan
faktor distorsi harmonisa pada motor induksi 1 fasa. Dalam
menganalisis performa motor induksi satu fasa tersebut akan
digunakan software MATLAB.
II.
KAJIAN P USTAKA
A. Teori Dasar Motor Induksi
Motor arus bolak-balik (motor AC) adalah suatu mesin
yang berfungsi untuk mengubah tenaga listrik arus bolak-
balik menjadi tenaga mekanik atau tenaga gerak, dimana
tenaga gerak ini berupa perputaran pada motor. Salah satu
jenis motor AC ini adalah motor induksi atau motor
asinkron. Disebut motor asinkron karena putaran riil motor
yakni pada rotor tidak sama dengan putaran fluks magnet
stator. Dengan kata lain, bahwa antara putaran rotor dan
putaran fluks magnet terdapat selisih putaran yang disebut
slip. Motor induksi polyphase banyak dipakai dikalangan
industri. Ini berkaitan dengan beberapa keuntungannya [2],
antara lain:
1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi
hampir tak pernah mengalami kerusakan, khususnya tipe
rotor sangkar bajing).
2. Harga relatif murah dan perawatan mudah.
3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak
dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang
ditimbulkan dapat dikurangi (khususnya motor induksi
rotor belitan).
B. Prinsip Kerja Motor Induksi 1 fasa
Masalah utama yang berhubungan dengan desain motor
induksi satu phasa adalah tidak adanya medan magnet putar
seperti halnya pada motor induksi tiga phasa. Karena hanya
ada satu phasa pada belitan stator, medan magnet pada
motor induksi satu phasa tidak berputar, tetapi hanya
menimbulkan medan pulsasi saja yang berada pada posisi
yang tetap, bukan medan yang berputar terhadap ruang.
Karena tidak ada medan magnet putar pada stator, motor
induksi satu phasa tidak mempunyai torsi awal [2].
Gambar 1. Torsi pada motor induksi 1 fasa [10].
Torsi resultan yang dihasilkan oleh kedua komponen
torsi tersebut pada dasarnya dapat menggerakkan motor
dengan arah maju ataupun mundur. Namun pada keadaan
start kemampuan motor untuk bergerak maju ataupun
mundur adalah sama, karena itu motor tetap diam (tidak
110
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
memerikan reaksi). Untuk menggerakkan motor tersebut
maka kita harus memberikan sedikit torsi maju ataupun torsi
mundur dengan bantuan suatu alat. Sehingga bila diberi
tambahan sedikit torsi maju maka motor tersebut akan
mengikuti torsi resultan maju yang menyebabkan motor
akan bergerak maju, begitupula sebaliknya bila motor diberi
tambahan sedikit torsi mundur.
C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi
Untuk membahas rangkaian ekivalen dari motor induksi
satu fasa, dapat diperhatikan pada saat motor diam. Pada
saat itu motor seolah-olah berfungsi sebagai trafo satu fasa
dengan sisi sekunder dihubung singkat. Rangkaian ekivalen
dapat dilihat pada Gambar 2.
Ista
Forward
rotating field
Rc/2
Xm/2
Ipos
Rrot(1-spos)/(2spos)
Z mM =
Xsta/2 Rsta/2
Reverse
rotating field
Rc/2
Xrot/2 Rrot/2
Xm/2
Ineg
Rrot(1-sneg)/(2sneg)
Gambar 2. Rangkaian ekivalen motor induksi 1 fasa [11].
In
2 − Kr
= In
Kr
2
1+
2 − Kr
Ipos forward
Ineg reversing
: Tegangan Input pada Motor (Volt)
: Reaktansi Stator (Ohm)
: Resistasni Stator (Ohm)
: Resistansi Inti (Ohm)
: Reaktansi Bersama Stator dan Rotor
: Reaktansi Rotor (Ohm)
: Resistansi Rotor (Ohm)
: Slip
: Arus pada putaran medan maju
: Arus pada putaran medan mundur
(6)
Vn
I mag main
(7)
Kr
x I man main
2 − Kr
Vn
(8)
Z mc =
(9)
I mag cross
Re − R1
Kr
(10)
X1 = X 2 = X e
1 − Kr
(11)
1 − Kr
Ea' .Ea
(12)
Em' .Em
D. PWM Inverter
Secara umum pengontrol kecepatan motor induksi satu
fasa yang menggunakan inverter satu-fasa dapat dilihat pada
Gambar 3. Pada dasarnya system pengontrol ini merupakan
kombinasi dari penyearah satu fasa (rectifier) , inverter dan
PWM generator. Dengan pengaturan pada unit PWM,
frekuensi dan tegangan output dari inverter dapat diatur
untuk mengontrol motor induksi satu fasa.
Dimana:
Vsta
Xsta
Rsta
Rc
Xm
Xrot
Rrot
S
(5)
I mai cross =
a=
Vsta
Xo − Xe
Xo
I mag main =
R2 =
Xrot/2 Rrot/2
Xsta/2 Rsta/2
Kr =
Kontrol Motor Induksi
Generator
PWM
Driver
Gate
DC
Konverter
AC ke DC
AC
DC
Inverter
DC ke AC
AC
MI
Dalam prinsip medan putar ganda dimana gelombang
magnet merupakan dua komponen medan putar yaitu,
medan putar maju dan medan putar mundur, yang besarnya
sama dan berlawanan arah. Keduanya mempunyai setengah
amplitudo dari medan magnet yang berpulsasi, yang
masing-masing menyatakan pengaruh medan maju dan
medan mundur. Berikut adalah persamaan yang digunakan
dalam menentukan parameter motor:
V
(1)
Ze = L
IL
W
(2)
Re = L2
IL
Xe = Z e − Re = 46.42 − 40.81
2
X0 =
2Vn
In
2
2
2
(3)
(4)
Gambar 3. Rangkaian utama pengendali motor induksi satu fasa.
E. Inverter Satu Fasa Sebagai Suplai Tegangan Motor
Induksi.
Inverter satu fasa gelombang penuh. Inverter ini dikenal
sebagai inveter jembatan yang dapat ditinjau sebagai dua
buah inverter setegah gelombang, sehingga persamaan
tegangan Vab dinyatakan sebagai
Vab = Vao - Vbo
Dimana titik o merupakan titik tengah teoritis dari sumber
tegangan dan Vao dan Vbo adalah dua keadaan yang terdapat
dalam inverter jembatan setengah gelombang. Karena
menggunakan 4 buah komponen daya, maka memiliki 24 =
16 kemungkinan kombinasi berbeda dari kondisi hubung
buka terhadap masing-masing komponen daya. Namun dari
16 kemungkinan tersebut hanya 4 kemungkinan kombinasi
111
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
yang dapat menghasilkan tegangan bolak-balik pada beban.
Kemungkinan yang lainnya akan mengakibatkan hubung
singkat pada sumber tegangan. Gambar 4 memperlihatkan
topologi rangkaian inverter jembatah gelombang penuh.
ISSN: 2086-8944
4. Menjalankan simulasi motor induksi dengan parameter
motor dan setting sudut penyalaan (firing) dari rangkaian
kontrol yang sudah dimasukan.
5. Menampilkan hasil simulasi
6. Pengecekan dengan eksperimen
Secara umum diagram alir-nya dapat dilihat pada Gambar 5.
Mulai
Gambar 4. Topologi rangkaian inverter jembatan gelombang penuh
Tabel I memperlihatkan dua kemungkinan dari kondisi
hubung buka pada komponen daya yang menghasilkan
tegangan Vab nol, sehingga hanya ada 3 kemungkinan bagi
tegangan beban Vab, yaitu +E, -E, dan 0.
TABEL I
KEMUNGKINAN KONDISI HUBUNG KOMPONEN DAYA
Kondisi hubung
T1 , T4
T2 , T3
T1 , T3
T2 , T4
Tegangan beban Vab
+E
-E
0
0
E. Matlab Simulink
Matlab merupakan suatu software yang sangat baik
digunakan untuk menganaliasa berbagai kebutuhan dalam
bidang teknik. Didalam matlab terdapat dua bagian penting
yaitu M-files yang berfungsi untuk menuliskan listing
programnya dan simulink yang digunakan untuk melakukan
simulasi. Dengan menggunakan simulink yang merupakan
kesatuan dalam program tersebut kita dapat melakukan
suatu pemodelan sistem kontrol atau suatu plant yang akan
diatur. Hal ini dapat didasari dengan menggunkan blok-blok
yang telah tersedia serta setting parameter-parameter akan
menjadi lebih mudah. Blok-blok simulink dapat juga
dibentuk dari persamaan matematika dengan menggunakan
blok transfer function sehingga kita dapat menuliskan
persamaan dalam blok tersebut sesuai dengan parameter
yang akan kita cari.
Selain Simulink dalam MALTAB juga terdapat M-Files
yaitu bagain untuk menuliskan listing program yang dengan
hasil program setelah dijalankan akan disimulasikan dengan
Blok Simulik yang telah dibuat.
F. Algoritma Pemograman
Langkah-langkah yang dilakukan dalam simulasi
tersebut adalah sebagai berikut.
1. Pengujian parameter dan rangkaian kontrol motor
induksi 1 fasa.
a. DC Test
b. Tanpa beban ( No Load Test )
c. Rotor Tertahan ( Blocked Rotor Test )
d. Perbandingan Lilitan
2. Membentuk blok simulink motor induksi 1 fasa dan sub.
sistem rangkaian
kontrolnya berdasarkan fungsi
peralihan (transfer function).
3. Memasukan Parameter Motor dan setting sudut
penyalaan (firing) dari Rangkaian Kontrolnya.
Merangkai Rangkaian eksperimen
penggunaan motor induksi satu fasa
dengan SVPWM
Pengujian motor
induksi: DC Test,
No Load,
Blocked Rotor
Jalankan eksperimen
Catat hasil
eksperimen:
Kecepatan, Arus
dan Tegangan
Membuat blok simulasi motor induksi
transfer function
Memasukan parameter motor dan
setting waktu untuk torsi mekanik motor
Membandingkan hasil
simulasi dan eksperimen:
Khususnya Kecepatan,
Arus dan Tegangan
Jalankan simulasi
Nilai Error
Simulasi
Tampilkan Hasil
Simulasi Torsi,
Kecepatan,
Arus dan
Tegangan
Pengecekan
dengan
eksperimen
Ya
Tidak
Selesai
Gambar 5. Diagram alir pengujian motor induksi.
III. PENGUJIAN DAN SIMULASI
A. Hasil perhitungan pengujian parameter motor induksi
tiga fasa
Berdasarkan parameter pada Tabel II dibuat model
simulasi motor induksi 1 fasa dengan pengendalian SVPWM
seperti dperlihatkan Gambar 6.
TABEL II
PARAMETER M OTOR
R1 (Ω)
R2 (Ω)
L1 (H)
L2 (H)
Lm (H)
a
3.83
37.30
0.01833
0.03681
1.67
1.67
B. Simulasi motor induksi satu fasa yang menggunakan
pengendali SVPWM
Dengan menggunakan parameter yang telah dihitung
melalui pengujian dan name plate motor maka kita dapat
112
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
melakukan analisa untuk melihat Kinerja motor yang
menggunakan pengendali SVPWM dengan pengaturan lebar
pilsa yang dihasilkan oleh PWM.
ISSN: 2086-8944
(a)
(b)
Gambar 6. Blok parameter motor induksi 1 fasa.
C. Simulasi motor induksi 1 fasa menggunakan pengendali
SVPWM
Dengan menggunakan parameter yang telah dihitung
melalui pengujian dan name plate motor, maka kita dapat
melakukan analisa untuk melihat kinerja motor yang
menggunakan pengendali SVPWM dengan pengaturan lebar
pilsa yang dihasilkan oleh PWM. Gambar 7
memeperlihatkan model simulink motor induksi 1 fasa
dengan pengendalian SVPWM.
(c)
Gambar 7. Model Simulink motor induksi 1 fasa dengan pengendalian
SVPWM.
(d)
IV. HASIL SIMULASI
Gambar 8. (a) Tegangan , (b) Arus, (c) Torsi, (d) Kecepatan motor.
Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi menggunakan
software Matlab dengan menggunakan SVPWM.
Hasil simulasi seperti diperlihatkan Gambar 8 (a) terlihat
bahwa dengan pengontrolan SVPWM masukan sebesar 220
V dantegangan keluaran 220 V, di peroleh arus Istart sebesar
5,3 A dan Inom = 1,3 A. Sedangkan torsinya sebesar 0.6327
N.m dan kecepatan sebesar 3027 rpm masing-masing
diperlihatkan Gambar 8 (c) dan (d).
A. Simulasi motor induksi 1 fasa menggunakan autotrafo
Gambar 9 memperlihatkan rangkaian simulink motor
induksi yang dikendalikan autotrafo dengan tegangan
keluaran autotrafo sebesar 220 Volt. Gambar 9 (a)
memperlihatkan bahwa dengan sudut pemicuan sumber
113
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 2, No. 1, April 2011
ISSN: 2086-8944
tegangan sebesar 220 Volt diperoleh arus pengasutan (Istart)
sebesat 6.1 A, arus nominal (Inom) sebesar 1.3 A. Sedangkan
kecepatan motor diperoleh sebesar 2867 rpm dengan torsi
sebesar 0.5 N.m.
(d)
Gambar 10. Profil tegangan, arus, kecepatan dan torsi untuk Vtrafo = 220 V.
V. KESIMPULAN
Gambar 9. Model simulink motor induksi 1 fasa dengan autotraformator.
(a)
Dari pengujian laboratoriun, simulasi dan analisis unjuk
kerja motor induksi 1 fasa FUJIKAWA 100 Watt dengan
menggunakan pengendali SVPWM, diperoleh beberapa
kesimpulan antara lain:
1. Analisis kinerja motor induksi (kecepatan, kerja, torsi,
arus, cosφ) menggunakan SVPWM didapatkan hasil
yang lebih baik dari pada mengunakan autotrafo.
2. Untuk arus start dengan menggunakan kontrol SVPWM
Arus penghasutan lebih optimal dibandingkan dengan
kontrol menggunakan auto trafo yaitu Arus start yang
menggunakan SVPWM sebesar 5.3 Ampere dan arus
nominalnya sebesar 1.3 ampere, sedangkan dengan
menggunakan auto trafo arusnya sebesar 6.1 Ampere dan
arus nominalnya sebesar 1.6 ampere.
3. Perbandingan kinerja motor induksi 1 fasa menggunakan
SVPWM dengan autotrafo diperoleh bahwa untuk Vrms
sebesar 220 Volt, putaran motor yang dihasilkan oleh
pengendali SVPWM sebesar 3027 rpm, sedangkan
dengan menggunakan autotrafo sebesar 2867 rpm.
Sedangkan torsi yang dihasilkan dengan pengendali
SVPWM sebesar 0,6327 N.m dan dengan autotrafo
sebesar 0.5 N.m
DAFTAR PUSTAKA
(b)
[1]
[2]
[3]
[4].
(c)
[5]
[6]
Anggu Anugra, Marinzan Bin Sulaiman, Rosli Omar “Space Vector
Anaysis In Electrical Drives For Single–Phasa Induction Motor
Using” Faculty of Electrical Engineering, Universiti Technical
Malaysia.
Bai Hua, et al., “Comparison of Three PWM Strategies –SPWM,
SVPWM & One-cycle Control”, Power Electronics and Drive
Systems, 2003. PEDS 2003. The Fifth International Conference on
Volume 2, 17-20 Nov. 2003 Page(s):1313 - 1316 Vol.2.
Wei-Feng Zhang and Yue-Hui Yu, “Comparison of Three SVPWM
Strategies” Journal of Electrical Science and Technology of China,
Vol. 5. No.3, September 2007. pg. 283 -287.
P. C. Krause, 0. Wasynczuk, and S. D. Sudhoff, “Analysis of electric
machinery”, IEEE Press, Piscataway, N.J., 1996, ISBN 0-7803-1
101-9, pp.415- 477.
H. Kragh, “Modelling, analysis and optimisation of power
electronic circuits for low-cost drives”, Ph.D. Thesis, Aalborg
University - Denmark, Institute of Energy Technology, February,
2000.
Frede Blaabjerg, et. al., “Comparison of Variable Speed Drives for
Single-Phase Induction Motors”. Power Conversion Conference
2002, PCC Osaka 2002, Proceedings of the Volume 3, 2-5 April
2002 Page(s):1328-1333 vol. 3.
114