Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40
Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi
Rotor Belitan Menggunakan DC Chopper
Wijaya Kusuma 1
Sistem pengendalian slip digunakan pada motor induksi rotor belitan untuk
mengatur kecepatan putaran motor serta untuk memperbaiki kinerja dari sistem
kendali, khususnya berhubungan dengan faktor daya dan efisiensi sistem secara
keseluruhan. Konverter thyristor 12-pulse digunakan sebagai mode inverter dengan
penambahan DC chopper yang digunakan untuk mentransfer slip energi balik ke
suplai utama AC melalui transformator tiga fasa. Pengaturan kecepatan motor ini
dilakukan dengan mengubah duty cycle dari chopper dengan mengubah sudut
penyalaan inverter. Dengan demikian faktor daya suplai akan dapat diperbaiki.
Kata-kata kunci:sistem pengendalian slip, motor induksi, rotor belitan, DC
chopper
Abstract
This research introduces a slip energy recovery drive system for speed control of a
wound rotor induction motor offering improvement of drive performance,
particularly line power factor and overall system efficiency. A 12-pulse line
commutated thyristor converter operating in an inverter mode in conjunction with
an additional DC chopper is employed to transfer slip energy back to ac mains
supply via three phase transformers. This approach offers motor speed control by
varying the duty cycle of the chopper instead of changing the inverter firing angle.
As a consequence, supply power factor can be improved.
Keywords: slip, energy recovery, induction motor, wound rotor, DC chopper
I. PENDAHULUAN
Aplikasi kendali motor induksi dengan kontrol daya pada sisi stator
banyak digunakan dalam aplikasi di industri. Aplikasi kendali ini dapat
digunakan baik pada motor induksi rotor sangkar maupun rotor belitan
(wound rotor), dengan pertimbangan bebannya ringan, biaya murah, inertia
rotor rendah, batasan kecepatan, pemeliharaan dan keandalan. Pada motor
belitan, daya slip dapat diberikan dengan mudah melalui slip-ring, yang
kemudian dapat dikontrol secara mekanik atau elektronik untuk pengaturan
kecepatan motor.
1
Wijaya Kusuma. Dosen Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro,
Politeknik Negeri Malang
Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024
Motor belitan ini mempunyai beberapa kelebihan. Daya slip untuk
pengaturan kecepatan dapat diatur dengan menggunakan konverter statik
sehingga menghilangkan rugi disipasi pada resistor. Slip energy recovery
drives telah banyak digunakan dalam beberapa aplikasi, seperti pada pompa
kapasitas besar, kendali kipas, sistem variable-speed energi angin, sistem
variable-speed/ constant-frequency, variable-speed pompa hydro/generator
dan utility system flywheel energy storage systems.
Slip energy recovery drivesyang dikenal sebagai sistem Scherbius ini
relatif rendah biaya, rangkaian kontrolnya mudah dan mempunyai efisiensi
yang tinggi pada putaran rendah. Sistem ini mentransfer daya dari rotor
motor induksi kembali ke suplai AC utama untuk memperbaiki efisiensi
drive.
Masalah dari slip energy recovery drives ini adalah rendahnya faktor
daya, umumnya berkisar 0,4 - 0,6. Oleh karena itu, perlu dilakukan suatu
cara untuk memperbaiki rendahnya faktor daya
ini, yaitu dengan
menggunakan DC chopper yang digunakan untuk memperbaiki faktor daya
suplai pada range kecepatan antara 50%- 80% putaran sinkron. Selain itu
skema ini juga digunakan untuk mengatur kecepatan motor dengan mengatur
duty cycle dari chopper.
2. KAJIAN PUSTAKA
2.1 Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik yang mempunyai
penggunaan paling luas, terutama pada industri. Motor induksi ini
mempunyai beberapa kelebihan, antara lain mempunyai kontruksi yang
kokoh dan sederhana, pemeliharaan yang relatif mudah dan murah
dibandingkan dengan motor arus searah. Motor induksi terdiri dari dua
bagian utama, yaitu stator dan rotor. Bagian rotor ini terdiri atas dua jenis,
yaitu rotor sangkar (squirrel cage) dan rotor belitan (wound rotor). Motor
induksi rotor sangkar mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atas
beberapa konduktor yang disusun menyerupai sangkar tupai. Sedangkan
rotor belitan terdiri dari tiga buah belitan yang tersusun dengan hubungan
bintang (Y).
2.2 DC Chopper
Sesuai dengan kata aslinya, chopper dalam bahasa Indonesia mempunya
arti ‘pemotong’. Bila diartikan secara kamus, DC Chopper dapat diartikan
sebagai ‘pemotong arus searah’. Dan arti DC Chopper sebenarnya tidak
begitu jauh dari pengertianya sebagai pemotong arus searah.
Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40
Variabel yang diubah besarnya oleh DC Chopper adalah tegangan dc
yang keluar dari penyearah gelombang penuh dan juga arus yang lewat pada
saklar, dimana saklar disini adalah sebuah transistor. Bila besarnya Va
berubah maka besarnya Ia juga berubah. Untuk mengubah Vo melalui DC
Chopper dapat dilakukan dengan mengubah lamanya on atau off dari
komponen chopper.
Hal ini dapat dilakukan dengan cara: constan frequency operation.
Frekuensi f (periode T) dijaga konstan dan lamanya on dari t1 dibuat
bervariasi. Ini dekenal dengan Pengaturan Lebar Pulsa atau PWM.
S
R0
Gambar 1. Rangkaian DC Chopper
Komponen Chopper dapat diimplimentasikan dengan menggunakan:
1. Power Transistor
2. Power mosfet
3. GTO
4. Komutasi paksa Thjyristor
S
Va
Vs
Dm
R0
(a)
(b)
Gambar 2. DC Choper dengan beban R
(a) Kondisi on, (b) Kondisi off
Keterangan :
Vs : tegangan keluaran rectifier
Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024
Va : tegangan pada R0
R0 : beban resistif
Dm : dioda freewheel
2.3 Sistem Pengendalian Slip
Sistem pengendalian slip ini terdiri dari motor induksi rotor belitan
(wound rotor), rectifier jembatan dioda, link induktansi, inverter jembatan
thyristor dan sebuah transformator 3 fasa.
Sebagai tambahan, dipasang transformator step-down antara suplai AC
dan modul inverter, sehingga rating tegangan inverter dan rectifier device
dapat dibuat lebih kecil daripada rating tegangan stator.
Gambar 3. Skema Sistem Pengendalian Slip
3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian yang dibahas dalam penelitian ini meliputi :
a. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonik.
b. Faktor daya (PF), displacement power factor (DPF) dan total harmonic
distortion (THD).
c. Efisiensi sistem (η).
Gambar 4. Bentuk Gelombang
Aruspada Sistem
PengendalianSlipdengan chopper
pada slip 0,5
Gambar 5.
Bentuk Gelombang
Arus pada Sistem Pengendalian
Sliptanpa chopper pada slip 0,5
Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40
Gambar 4-5 menunjukkan bentuk gelombang arus pada penggunaan
sistem pengendalian slip dengan chopper dan sistem pengendalian slip tanpa
chopper pada slip 0,5. Bentuk gelombang arus line suplai (ILine) dari sistem
pengendalian slip tanpa chopper adalah lebih baik dibanding penggunaan
sistem pengendalian slip dengan chopper. Dengan demikian penambahan
chopper tidak dapat memperbaiki kualitas arus line pada operasi putaran
rendah.
Bentuk gelombang arus line inverter (Iinv) pada sistem pengendalian slip
dengan chopper adalah lebih baik daripada sistem pengendalian slip tanpa
chopper. Bentuk gelombang arus stator (Istator) dan bentuk gelombang arus
(Irotor) pada semua drive relatif sama.
Gambar 6. Spektrum Harmonic Gambar 7. Spektrum Harmonic
ILine pada Sistem Pengendalian ILine pada Sistem Pengendalian
Slipdengan chopper pada slip Sliptanpa chopper pada slip 0,5
0,5
Gambar 6-7 menunjukkan spektrum harmonik arus line suplai (ILine)
mengacu pada Gambar 4-5. Magnitude arus fundamental dari sistem
pengendalian slip dengan
chopper paling kecil dibanding sistem
pengendalian slip tanpa chopper. Penambahan chopper mengakibatkan
turunnya magnitude arus fundamental, tetapi meningkatkan faktor daya.
Gambar 8. Bentuk Gelombang Gambar 9. Bentuk Gelombang
Sistem Pengendalian Slip dengan Sistem Pengendalian Slip tanpa
chopper pada slip 0,2
chopper pada slip 0,2
Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024
Gambar 8-9 menunjukkan bentuk gelombang arus sistem drive pada
operasi putaran tinggi. Berbeda dengan saat operasi putaran rendah, sistem
pengendalian slip dengan chopper mempunyai bentuk gelombang paling
bagus dibanding sistem pengendalian slip tanpa chopper. Hasil ini
menunjukkan bagaimana kondisi pengoperasian sistem pengendalian slip
tanpa chopper pada daerah putaran tinggi.
Gambar 10. Spektrum Harmonic Gambar 11. Spektrum Harmonic ILine
ILine pada Sistem Pengendalian pada Sistem Pengendalian Sliptanpa
Slipdengan chopper pada slip 0,2
chopper pada slip 0,2
Gambar 10-11 menunjukkan spektrum harmonik dari arus line suplai
mengacu pada Gambar 8-9. Sedangkan magnitude dari arus fundamental
dan besarnya harmonik pada setiap drive adalah sama pada operasi putaran
tinggi.
Tabel 1. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,6
Teknik Drive
Sistem
Pengendalian Slip
dengan chopper
Sistem
Pengendalian Slip
tanpa chopper
THDv(%)
1,0
THDi(%)
13,2
DPF
0,62
PF
0,60
η (%)
31,41
1,0
8,4
0,43
0,42
31,41
Tabel 2. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,5
Teknik Drive
Sistem
Pengendalian Slip
dengan chopper
Sistem
Pengendalian Slip
tanpa chopper
THDv(%)
1,0
THDi(%)
12,2
DPF
0,70
PF
0,68
η (%)
39,27
1,0
7,0
0,49
0,48
36,81
Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40
Tabel 3. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,2
Teknik Drive
Sistem
Pengendalian Slip
dengan chopper
Sistem
Pengendalian Slip
tanpa chopper
THDv(%)
1,0
THDi(%)
5,7
DPF
0,73
PF
0,72
η(%)
52,36
1,0
6,4
0,58
0,56
41,88
Tabel 4. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,1
Teknik Drive
Sistem
Pengendalian Slip
dengan chopper
Sistem
Pengendalian Slip
tanpa chopper
THDv(%)
1,0
THDi(%)
3,9
DPF
0,80
PF
0,77
η(%)
54,37
1,0
6,2
0,60
0,58
44,16
Tabel 1-4 menunjukkan perbandingan kinerja drive pada slip 0,6; 0,5;
0,2 dan 0,1. Teknik drive sistem pengendalian slip dengan chopper
menghasilkan faktor daya paling tinggi dibanding yang diperoleh dari
sistem pengendalian slip tanpa chopper pada range kecepatan tersebut.
Efisiensi sistem dari sistem pengendalian slip dengan chopper juga relatif
paling tinggi dibanding sistem pengendalian slip tanpa chopper. Faktor
daya, displacement power factor dan efisiensi pada seluruh drive pada
putaran tinggi adalah lebih tinggi daripada saat operasi putaran rendah.
Total harmonic distortion (THD) dari arus suplai pada sistem
pengendalian slip dengan dengan chopper adalah sangat baik dibanding
sistem pengendalian slip tanpa chopper pada operasi putaran tinggi, tapi
tidak demikian bila beroperasi pada putaran rendah. Akibatnya perbaikan
performa dengan sistem pengendalian slip dengan chopper ini lebih tepat
pada operasi putaran tinggi.
4. PENUTUP
Dari pengujian kinerja drive pada motor induksi wound rotor dengan
operasi putaran tinggi dan rendah, diperoleh hasil:
1. Teknik drive sistem pengendalian slip dengan chopper :
a. Pada slip 0,6 diperoleh THDV 1,0%, THDi 13,2%, displacement factor
0,62, power factor 0,60 dan efisiensi 31,41%.
Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024
b. Pada slip 0,5 diperoleh THDV 1,0%, THDi 12,2%, displacement factor
0,7, power factor 0,68 dan efisiensi 39,27%.
c. Pada slip 0,2 diperoleh THDV 1,0%, THDi 5,7%, displacement factor
0,73, power factor 0,72 dan efisiensi 52,36%.
d. Pada slip 0,1 diperoleh THDV 1,0%, THDi 3,9%, displacement factor
0,80, power factor 0,77 dan efisiensi 54,37%.
2. Teknik drive sistem pengendalian slip tanpa chopper :
a. Pada slip 0,6 diperoleh THDV 1,0%, THDi 8,4%, displacement factor
0,43, power factor 0,42 dan efisiensi 31,41%.
b. Pada slip 0,5 diperoleh THDV 1,0%, THDi 7,0%, displacement factor
0,49, power factor 0,48 dan efisiensi 36,81%.
c. Pada slip 0,2 diperoleh THDV 1,0%, THDi 6,4%, displacement factor
0,58, power factor 0,56 dan efisiensi 41,88%.
d. Pada slip 0,1 diperoleh THDV 1,0%, THDi 6,2%, displacement factor
0,60, power factor 0,58 dan efisiensi 44,16%.
3. Berdasarkan hasil pengujian diperoleh bahwa teknik drive sistem
pengendalian slip dengan chopper adalah yang paling baik bila
dibandingkan dengan sistem pengendalian slip tanpa chopper ditinjau
dari faktor daya suplai, efisiensi sistem dan nilai THD, khususnya bila
motor dioperasikan pada putaran tinggi.
5. DAFTAR PUSTAKA
Borges L.E. da Silva, Nakashima, K.,. Torres, G.L, V. Ferreira da Silva, G.
Olivier and G.-E. April .1991. Improving Performance of Slip-Recovery
Drive: An Approach using Fuzzy Techniques. 0-7803-0453-5/ 1991
IEEE.
Faiz, J., Barati, H, dan E, Akpinar. 2001. Harmonic Analysis and
Performance Improvement of Slip Energy Recovery Induction Motor
Drives. 2001. IEEE Trans. Power Electron. 16 (3) (2001)
Krishnan, R. 2001, Electric Motor Drives Modeling Analysis and Control,
Prentice-Hall, Inc.
Papathanassiou, S.A dan Papadopoulos, M.P. 1998. Commutation Angle
Analysis of Slip Energy Recovery Drive. IEEE Trans. Energy Convers. 13
(1) (1998)
Sen, P.C dan K.H.J. Ma.1978. Constant Torque Operation of Induction
Motors using Chopper in Rotor Circuit. IEEE Trans. Ind. Appl. 14 (5)
(1978)
41