Preparation of Papers in Two-Column Format for the Proceedings of

Jurnal Elektro ELTEK Vol. 1, No. 2, 2010
ISSN: 2086-8944
Implementasi Inverter Sumber Tegangan (VSI)
Modulasi Lebar Pulsa (PWM) untuk Kendali
Motor Induksi
Abraham Lomi dan Yusuf Ismail Nakhoda
Jurusan Teknik Elektro Institut Teknologi Nasional Malang
e-Mail: [email protected]
Keywords— Inverter sumber tegangan, Modulasi lebar
pulsa, Harmonisa.
I.
PENDAHULUAN
Inverter dengan kendali modulasi lebar pulsa (MLP)
menggabungkan pengontrolah tegangan dan frekwensi
dalam satu sistem [1]. Pengendali kecepatan sebagian besar
motor induksi berukuran kecil dan sedang menggunakan
inverter sumber tegangan (IST) untuk membentuk dan
mengontrol tegangan keluaran tiga fasa dan frekwensi
melalui suatu tegangan masukan yang konstan. Untuk
memperoleh tegangan keluaran seimbang tiga fasa, sinyal
gelombang segitiga akan dikomparasikan dengan tegangan
tiga fasa sinusoida dengan beda fasa masing-masing
120olistrik. Struktur pengendali yang umum diadopsi oleh
industri terdiri dari penyerah diode jembatan, link dc, dan
inverter sumber tegangan modulasi lebar pulsa [2], seperti
diperlihatkan Gambar 1.
Pembangkitan gelombang yang curam merupakan salah
satu dari karakteristik yang melekat pada operasioanl
inverter sumber tegangan frekuensi tinggi.
Keluaran dari pengendali MLP, baik frekuensi maupun
besaran tegangan diatur dengan mengontrol operasi inverter.
Teknologi inverter yang akan diteliti ini didasarkan pada
teknologi komponen GTO (Gate Turn-Off Thyristor) dimana
inverter dapat beroperasi dengan suatu pensaklaran
(switching) frekuensi dengan kisaran antara puluhan hingga
kilo Hz. Frekuensi pesaklaran yang paling umum digunakan
pengendali MLP berkisar pada 1000 Hz hingga 5000 Hz.
Waktu kenaikan dari pulsa untuk IST dengan komponen
GTO ber-orde 10 mikrodetik hingga 0.1 mikrodetik [2].
Pada umumnya pengendali motor induksi dapat dibagi
dalam dua kategori berdasarkan prinsip kerjanya, yaitu
dengan menggunakan (1) inverter sumber arus (ISA) dan
inverter sumber tegangan (IST) [4]. Pengendali dengan
sistem ISA menggunakan komponen daya thyristor dan
GTO dengan frekwensi inverter terbatas pada sekitar
beberapa ratus hertz dan banyak digunakan dalam
pengendalian kecepatan motor induksi yang berkapasitas
besar.
1000
T e g a n g a n ( v o lt )
Abstract—With the development in power semi-conductor
components, adjustable speed drives with pulse width
modulation technology become more important and popular in
many sectors such as industry and commercial sector. Many
facilities are used adjustable speed drives with pulse width
modulation technology in driving induction motor to improve
and enhance their efficiency process and control process in the
system. Even pulse width modulation technology is used in
many sector, this technology provides problems such as
transient and harmonic. Those problems have to be eliminated
in order to ensure the optimum operation of the system.
This paper describes a model test system to study the
characteristics performance of the system through simulating
and investigate the effect of the application of the width pulse
modulation voltage source inverter. PSCAD tool is used to
simulate the system and mitigate the effect in order to improve
the system over all.
T e g a n g a n a n ta r S a lu r a n p a d a T e r m in a l M o to r d e n g a n P W M
500
0
-5 0 0
-1 0 0 0
0 .0 0
E le ctro te k Co n ce p ts®
Vd
Filter
kapasitor
0 .0 3
0 .0 4
TO P , Th e O u tp u t P ro ce sso r®
MI
Penyearah
diode
0 .0 2
W a ktu (d e tik)
Gambar 2. Tegangan keluaran antar saluran pengendali dengan teknologi
modulasi lebar pulsa.
+
Sumber AC
50/60 Hz
0 .0 1
Motor Induksi
Mode
inverter
Gambar 1. Rangkaian topologi pengendali inverter.
Link dc (bus kapasitor) untuk pengendali jenis IST
mengandung riak kapasitor yang halus. Gelombang keluaran
inverter yang dibangkitkan seperti fungsi seri.
Sedangkan untuk motor induksi dengan ukuran kecil dan
menengah kebanyakan menggunakan inverter sumber
tegangan dengan konverter penyearah untuk dapat
memberikan tegangan searah konstan, sehingga variabel
tegangan dan frekwensi keluaran yang diinginkan sebagai
keluaran inverter modulasi lebar pulsa dapat diperoleh.
Walaupun penggunaan inverter sumber tegangan dengan
modulasi lebar pulsa ini sangat banyak digunakan, namun
rangkaian ini juga membangitkan gelombang harmonisa
yang dapat memberikan beberapa masalah terhadap unjuk
88
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 1, No. 2, 2010
ISSN: 2086-8944
kerja sistem. Secara umun tegangan keluaran antar fasa
(line-to-line voltage) pengendali inverter dengan modulasi
lebar pulsa pada terminal motor diperlihatkan oleh Gambar 2
[3].
II.
MODEL RANGKAIAN UJI
Pada penelitian ini akan digunakan inverter sumber
tegangan dengan modulasi lebar pulsa sebagai pengendali
kecepatan motor induksi. Disini akan diteliti dan dianalisis
performa sistem dengan melakukan pengukuran pada titiktitik tertentu untuk melihat bagaimana perilaku arus,
tegangan, harmonisa maupun besaran lain yang berpengaruh
terutama sebagai keluaran dari rangkaian inverter melalui
suatu simulasi dengan data-data pengukuran di
Laboratorium. Secara garis besar model rangkaian inverter
yang akan diteliti dapat diperlihatkan oleh Gambar 3.
Untuk mengaktifkan komponen GTO dirancang suatu
rangkaian kontrol dengan sinyal pembangkit gelombang
segitiga yang dikomparasi dengan gelombang tegangan fasa
dengan pergeseran sudut 120o listrik melalui komparator
dengan rasio amplitudo modulasi sebesar 0.9, rasio modulasi
frekwensi sekitar 15 dengan frekwensi keluaran inverter
sebesar 200 untuk memperoleh frekwensi pensaklaran
sebesar 3000 Hz. Dengan demikian akan menghasilkan
sinyal gelombang segi empat sebagai sinyal pemicu pada
gate GTO. Saluran kabel dari suplai sumber arus bolak-balik
ke terminal konverter penyearah mempunyai impedansi
yang relatif sangat kecil sehingga dapat dibaikan. Komparasi
sinyal gelombang segitiga dengan tegangan tiga fasa melalui
komparator menghasilkan gelombang segi-empat yang akan
diberikan pada gate komponen GTO, seperti diperlihatkan
Gambar 5.
Gelombang gigi gergaji dan segi-empat
1.50
IST MLP
3000 Hz
MI
AC 380 V
MI 10 HP
[Mag]
Bus DC
Konverter
penyearah
Lokasi pengukuran
Cos
Mag
Freq
F1
VCONTA
240.0
PHB
[Mag]
SIGAP
A
SIGB
Phase
Cos
Mag
Freq
VCONTB
VCONTB
120.0
PHC
B Comparator
B Comparator
SIGBP
A
SIGC
Phase
Cos
VCONTC
Mag
Freq
B Comparator
SIGCP
(A)
MA
Kontrol Tegangan
SIGA
VCONTA
(A)
Pulsa Pemicu
Phase
0.0410
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
0.0430
0.0440
...
...
...
0.0450
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
15.0
10.0
5.0
0.0
-5.0
-10.0
-15.0
0.100
Ia_ASDa
Ia_ASDb
Ia_ASDc
0.125
VCONTC
Gambar 4. Rangkaian kontrol kendali inverter.
0.0420
Dalam simulasi yang dilakukan terlihat
profil
gelombang arus pada masing-masing fasa untuk pengendali
yang disalurkan dari sumber arus bolak-balik ke rangkaian
inverter seperti diperlihatkan oleh Gambar 6.
FS
A
SIGCP
III. HASIL PENGUJIAN DAN S IMULASI
VTRI
VTRI
1.20
0.90
0.60
0.30
0.00
SIGC
Gambar 5. Sinyal pemicu GTO.
Sinyal Gelombang Segitiga
0.0
PHA
1.50
1.00
0.50
0.00
-0.50
0.0400
(A)
Rangkaian yang diteliti terdiri dari sumber tegangan arus
bolak-balik 380 V yang langsung di suplai pada rangkain
konverter 6 pulsa yaitu rangkaian penyearah diode.
Rangkaian penyearah ini dihubungkan dengan rangkaian
inverter melalui bus dc kapasitor yang dihubungkan dengan
rangkaian utama inverter untuk kendali motor induksi. Profil
tegangan keluaran dari penyearahan dioda ini merupakan
tegangan dan arus searah konstan yang diukur pada bus
kapasitor.
Komponen daya inverter akan menggunakan GTO (Gate
Turn-Off Thyristor). Pemilihan komponen GTO ini karena
inverter dapat beroperasi dengan frekwensi pesaklaran
hingga ribuan kilo hertz dan mensuplai motor induksi
dengan kapasitas 10 HP. Sebagai sinyal pemicu pada gate
GTO menggunakan gelombang segitiga (triangular).
Dari model rangkaian uji pada Gambar 3 akan
dikembangkan dan dirancang secara lengkap dan detail
dilengkapi
dengan
rangkaian
kontrolnya
dengan
menggunakan software PSCAD, kemudian mengukur
besaran-besaran keluaran baik pada sisi penyearah, inverter
maupun motor, seperti diperlihatkan Gambar 4.
[Mag]
-1.50
Gambar 3. Model rangkaian uji inverter.
F
VTRI
0.150
0.175
0.200
...
...
...
Gambar 6. Arus fasa masukan.
89
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 1, No. 2, 2010
ISSN: 2086-8944
Rangkaian penyearah menyalurkan arus dan tegangan
searah ke rangkaian inverter dengan komponen GTO.
Mengingat nilai dc bus kapasitor yang dihasilkan
mengandung harmonisa yang cukup besar, hal ini akan
berpengaruh terhadap profil tegangan keluaran inverter
modulasi lebar pulsa. Oleh karena itu nilai kapasitor harus
diambil (diperbesar) agar tegangan dan arus searah yang di
suplai ke rangkaian inverter modulasi lebar pulsa dengan
komponen GTO merupakan arus searah yang minim
harmonisa, sehingga tegangan keluaran terminal inverter
dapat sesuai dengan yang diinginkan. Untuk melihat
bagaimana pengaruh nilai kapasitansi dc buah kapasitor
terhadapat harmonisa yang dibangkikan konverter
penyearah, maka dipasang dua nilai kapasitansi yang
berbeda. Untuk tahap pertama nilai dc bus kapasitor sebesar
1000µF dan menghasilkan tegangan arus searah yang
mengandung konten harmonisa yang cukup besar. Tentu saja
hal ini akan berpengaruh pada sistem kerja inverter sumber
tegangan modulasi lebar pulsa yang dapat memperkuat
konten harmonisa pada tegangan keluarannya. Mengingat
kontribusi nilai dc bus kapasitor yang rendah terhadap
konten harmonisa yang timbul, maka nilai dc bus kapasitor
harus diperbesar menjadi 5000µF, sehingga tegangan
keluaran inverter modulasi lebar pulsa minim konten
harmonisa. Profil gelombang tegangan dc bus kapasitor
dengan nilai kapasitor yang berbeda oleh Gambar 7.
Komponen GTO yang digunakan pada inverter modulasi
lebar pulsa ini mempunyai resitansi “on” state-nya sebesar
0.0001Ω, resistansi snubber dan kapasitansi-nya masingmasing 100Ω dan 1µF. Sedangkan tegangan breakdownnya
cukup besar. Dari pengukuran pada terminal inverter
modulasi lebar pulsa, profil dengan pada fasa A dan
tegangan antar-fasa AB diperlihatkan oleh Gambar 8.
Terminal inverter modulasi lebar pulsa dihubungkan
dengan motor induksi tiga fasa melalui kabel sepanjang 1 m
dengan impedansi yang relatif sangat kecil, sehingga tidak
ada kerugian yang terjadi pada saluran kabel tersebut.
Namun kabel tersebut di seri dengan suatu choke induktor
yang berfungsi sebagai pembatas manakala terjadi tegangan
lebih. Choke ini mempunyai nilai induktansi sebesar 1.8 mH
dan motor yang digunakan mempunyai kapasitas 10 HP, 380
volt, 50 Hz. Terlihat dari hasil simulasi bahwa profil
tegangan yang terukur pada terminal inverter lebar pulsa
dengan tegangan pada terminal motor induksi identik
mengingat kawat saluran yang menghubungkan dua
peralatan tersebut relatif pendek dan mempunyai impedansi
yang sangat kecil, sehingga tidak terjadi kerugian pada
saluran. Sedangkan profil arus pada masing-masing fasa
yang diserap oleh motor induksi masih mengandung
harmonisa yang secara umum tidak terlalu berpengaruh
dalam operasional motor diperlihatkan Gambar 9.
C=5000uF
IdcLinkR
VdcLink
Iamotor
8.0
0.50
6.0
0.40
4.0
0.30
2.0
(A)
(pu)
0.60
0.20
Ibmotor
Icmotor
0.0
-2.0
0.10
-4.0
0.00
-6.0
-8.0
-0.10
0.000
0.025
0.050
0.075
0.100
0.125
0.150
0.175
0.200
...
...
...
Gambar 7. Profil dengan pada bus kapasitor dengan nilai kapasitor yang
berbeda.
0.1900
0.1920
0.1940
0.1960
0.1980
...
...
...
0.2000
Gambar 9. Profil arus motor induksi tiga fasa.
Suatu hal yang perlu kita perhatikan bahwa komponen
GTO yang telah dipilih dengan kriteria yang sudah
disebutkan diatas, kita dapat mengukur dan melihat profil
arus pada resistansi snubber, tegangan dan arus pada
komponen GTO seperti diperlihatkan Gambar 10.
Arus dan tegangan bus kapasitor akan disuplai ke
rangkaian inverter modulasi lebar pulsa dimana komponen
GTO akan menghantar dengan adanya sinyal segi empat
yang sudah dibangkitkan melalui komparator sebagai hasil
komparasi antara sinyal gelombang segitiga dengan sumber
tegangan tiga fasa.
Profil tegangan dan arus pada GTO
0.150
Isnuber
VPWMA
0.30
-0.020
0.00
6.0
-0.60
0.60
VPWMAB
-1.0
0.30
0.100
Igto1
0.00
[Mag]
(pu)
Vgto1
-0.30
[Mag]
(pu)
0.60
[Mag]
C=5000uF
-0.30
-0.60
0.1800
0.1840
0.1880
0.1920
Gambar 8. Profil tegangan pada terminal inverter.
0.1960
0.2000
...
...
...
-0.040
0.1900
0.1920
0.1940
0.1960
0.1980
0.2000
Gambar 10. Profil arus snubber, arus dan tegangan GTO.
90
...
...
...
Jurnal Elektro ELTEK Vol. 1, No. 2, 2010
ISSN: 2086-8944
Dengan demikian, untuk arus pengendalian yang terukur
untuk harmonisa dasar, kelima, ketujuh, kesembilan dan
kesebelas, masing-masing 6.825, 2.729, 0.636, 0.000 dan
0.000. Artinya bahwa konten harmonisa sudah tidak ada lagi
pada orde ke-9 dan ke-11. Sedang untuk sudut fasanya,
tingkat harmonisa dasar, kelima, ketujuh, kesembilan dan
kesebelas, masing pada posisi 20.468o, 91.789o, 110.859o
dan 45.662o dan 39.93o. Sedang total distorsi harmonisa
(THD) sebesar 81.727, seperti yang diperlihatkan Gambar
11.
C=5000uF
200
Fund - ...
5th har...
7th har...
9th har...
11th ha...
150
100
50
[Mag]
Dari profil parameter yang terekam terlihat bahwa ada
bentuk yang menyerupai yang terlihat pada arus GTO
dimana mempunyai pola yang hampir sama dengan profil
arus snubber namun dengan besaran yang sedikit berbeda.
Tingkat penggunaan inverter sumber tegangan modulasi
lebar pulsa yang kebanyakan digunakan dalam pengendalian
motor induksi kecil menengah, juga membangkitkan
harmonisa yang cukup mengganggu dan sangat tegantung
pada nilai bus kapasitor yang dipasang.
Dalam penelitian ini, juga ditemukan komponen
harmonisa, baik pada tegangan dc yang seharusnya
diharapkan konstan, namun dengan memperbesar nilai bus
kapasitor, konten harmonisa ini bisa dieliminir. Disisi lain,
tegangan pada terminal pada inverter pun masih
mengandung unsur harminosa namun pada orde-orde
tertentu, yang secara umum adalah kecil. Total distorsi
harmonisa dari tegangan dapat dihitung dengan
menggunakan persamaan:
0
-50
-100
-150
-200
2
 V
V 
n, rms 

THD   0    


 V1  n  2,3,... V1,rms 
0.000
2
dimana tegangan rms untuk harmonisa individu diperhitung
dari persamaan:
Vrms  V
2

 Vn2,rms
(2)
n 1
Sedangkan distorsi arus harmonisa,
THDi 
I 02 

 I n2
(3)
n  2,3,...
Karena ω1 merupakan frekwensi sudut dari komponen dasar
gelombang arus, maka persamaan (3) dapat ditulis,
THDi 
1
1 L

V 
  nn 
0.075
0.100
0.125
0.150
0.175
0.200
Gambar 11. Profil harmonisa inverter sumber tegangan modulasi lebar
pulsa.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil pengukuran di Laboratorium, tidak ada
perbedaan yang signifikan antara beberapa besaran
parameter seperti besaran arus amupun tegangan pada
terminal yang diukur. Namun kelemahannya, bahwa
peralatan ukur yang digunakan tidak dapat menampilkan
secara grafis akan tetapi nilai absolut yang terukur
menunjukkan hasil yang hampir sama. Hal lain yang bisa
disimpulan dari penelitian ini, bahwa panjang kabel yang
menghubungkan antara terminal inverter modulasi lebar
pulsa dengan terminal motor sangat berpengaruh pada profil
tegangan dengan konten harmonisa yang sangat berbeda.
(4)
REFERENSI
n2
[1]
Vn
n1 L
0.050
2
Karena bentuk gelombang arus sangat tergantung pada
impedansi beban, sehingga tidak bisa diprediksi, namun
dalam beberapa aplikasi karakteristik beban dapat
dikarakteristikkan oleh komponen induktansi yang relatif
mempunyai nilai yang kecil. Oleh karena itu, amplitudo arus
harmonisa dapat dikalkulasi dengan pendekatan persamaan,
In 
0.025
(1)
n = 2, 3, 4, ..
(5)
[2]
[3]
[4]
[5]
D. Grahame Holmes and Thomas A. Lipo, Pulse Width Modulation
for Power Converters, IEEE Press, Wiley-Interscience, 2003.
Mohan, Undeland, and Robbins, Power Electronics: Converters,
Applications, and Design, John Wiley & Sons, Inc., 1995.
Christopher J. Melhron, Le Tang, Transient Effects of PWM Drives
on Induction Motors, Electroteck Concepts, Inc. Knoxville,
Tennessee.
R. Mohan Mathur and Rajiv K. Varma, Thyristor-Based FACTS
Controllers for Electrical Transmission Systems, John Wiley, 2002.
PSCAD Ver. 4.2., Manitoba HVDC Research Center, Manitoba,
Winnipeg, Canada.
91
...
...
...