Analisis Penggunaan Motor Induksi Satu Fasa Menggunakan Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) Dengan MATLAB

  

Analisis Penggunaan Motor Induksi Satu Fasa

Menggunakan Space Vector Pulse Width

Modulation (SVPWM) Dengan MATLAB

  USTAKA

  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

  Gambar 1. Torsi pada motor induksi 1 fasa [10].

  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].

  B. Prinsip Kerja Motor Induksi 1 fasa

  3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang ditimbulkan dapat dikurangi (khususnya motor induksi rotor belitan).

  2. Harga relatif murah dan perawatan mudah.

  1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi hampir tak pernah mengalami kerusakan, khususnya tipe rotor sangkar bajing).

  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:

  P

  

Antonio Fernandes Filipe dan M. Abdul Hamid

Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang

e-mail : jeck_2012@yahoo.co.id

  AJIAN

  II. K

  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.

  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 motor induksi yang mencakup dunia luas baik dalam bidang industri maupun dalam kehidupan sehari- hari 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.

  ENDAHULUAN

  I. P

  Kata kunci—svpwm, autotrafo, motor induksi, matlab simulink.

  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.

A. Teori Dasar Motor Induksi

  o e o r

  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.

• = (6)

  I V Z = (7) main man r r cross mai

  main mag n mM

  −

  I I − =

  I K K

  K

  1 r n r r n main mag

  2

  2

  2

  − = (5)

  X K

  X X

C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

  I neg reversing : Arus pada putaran medan mundur

  sebagai inveter jembatan yang dapat ditinjau sebagai dua buah inverter setegah gelombang, sehingga persamaan tegangan V ab dinyatakan sebagai

  X sta

  Forward rotating field

  = 16 kemungkinan kombinasi berbeda dari kondisi hubung buka terhadap masing-masing komponen daya. Namun dari 16 kemungkinan tersebut hanya 4 kemungkinan kombinasi

  4

  adalah dua keadaan yang terdapat dalam inverter jembatan setengah gelombang. Karena menggunakan 4 buah komponen daya, maka memiliki 2

  bo

  dan V

  ao

  Dimana titik o merupakan titik tengah teoritis dari sumber tegangan dan V

  V ab = V ao - V bo

  Inverter satu fasa gelombang penuh. Inverter ini dikenal

  V sta

  E. Inverter Satu Fasa Sebagai Suplai Tegangan Motor Induksi.

  AC DC AC MI DC Kontrol Motor Induksi Gambar 3. Rangkaian utama pengendali motor induksi satu fasa.

  Konverter AC ke DC Inverter DC ke AC

  Generator PWM Driver Gate

  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.

   PWM Inverter

  ' a E . E E . E a = (12) D.

  m ' m a

  (11)

  1

  /2

  I sta R rot

  1

  )/(2s neg

  I neg

  I pos

  /2

  /2 R rot

  X rot

  /2

  X m

  /2

  /2 R c

  ) R sta

  (1-s neg

  (1-s pos

  /2 R rot

  X sta

  /2 Reverse rotating field

  /2 R rot

  X rot

  /2

  X m

  /2

  /2 R c

  ) R sta

  )/(2s pos

  2

  1

  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:

  40

  I pos forward

  : Arus pada putaran medan maju

  (4)

  2 =

  X

  I V

  n n

  − = − (3)

  e e

  42 R 46 . . Z

  81

  : Resistansi Rotor (Ohm)

  2

  2

  2

  2

  Xe =

  = (2)

  I W R

  2 L L e

  = (1)

  I V Z

  L L e

  S : Slip

  X rot : Reaktansi Rotor (Ohm) R rot

  = =

  cross mag n mc

  − −

  X

  X X

  K K

  r r e

  − = (10)

  2

  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.

  K R R R

  I V Z = (9) r e

  2 (8)

  : Reaktansi Bersama Stator dan Rotor

  − =

  I

  I x K K

  Gambar 2. Rangkaian ekivalen motor induksi 1 fasa [11].

  Dimana:

  V sta

  : Tegangan Input pada Motor (Volt)

  X sta : Reaktansi Stator (Ohm) R sta

  : Resistasni Stator (Ohm)

  R c : Resistansi Inti (Ohm)

  X m

  1 yang dapat menghasilkan tegangan bolak-balik pada beban.

  4. Menjalankan simulasi motor induksi dengan parameter Kemungkinan yang lainnya akan mengakibatkan hubung motor dan setting sudut penyalaan (firing) dari rangkaian singkat pada sumber tegangan. Gambar 4 memperlihatkan kontrol yang sudah dimasukan. topologi rangkaian inverter jembatah gelombang penuh.

  5. Menampilkan hasil simulasi

  6. Pengecekan dengan eksperimen Secara umum diagram alir-nya dapat dilihat pada Gambar 5.

  Mulai Merangkai Rangkaian eksperimen penggunaan motor induksi satu fasa dengan SVPWM

  Pengujian motor induksi: DC Test, No Load,

  Gambar 4. Topologi rangkaian inverter jembatan gelombang penuh Blocked Rotor Jalankan eksperimen

  Tabel I memperlihatkan dua kemungkinan dari kondisi hubung buka pada komponen daya yang menghasilkan Catat hasil

  Membuat blok simulasi motor induksi eksperimen:

  tegangan V nol, sehingga hanya ada 3 kemungkinan bagi

  ab transfer function Kecepatan, Arus tegangan beban V ab , yaitu +E, -E, dan 0. dan Tegangan

  TABEL

  I K EMUNGKINAN KONDISI HUBUNG KOMPONEN DAYA Memasukan parameter motor dan Membandingkan hasil setting waktu untuk torsi mekanik motor simulasi dan eksperimen: Khususnya Kecepatan,

  Kondisi hubung Tegangan beban V _ab Arus dan Tegangan

  T , T +E _{1 4} T , T -E _{2 3} Jalankan simulasi T , T _{1 3} T , T _{2 4} Nilai Error Simulasi Tampilkan Hasil

E. Matlab Simulink

  Simulasi Torsi, Kecepatan,

  Matlab merupakan suatu software yang sangat baik

  Arus dan

  digunakan untuk menganaliasa berbagai kebutuhan dalam

  Tegangan

  bidang teknik. Didalam matlab terdapat dua bagian penting yaitu M-files yang berfungsi untuk menuliskan listing programnya dan simulink yang digunakan untuk melakukan Ya

  Pengecekan

  simulasi. Dengan menggunakan simulink yang merupakan

  dengan eksperimen

  kesatuan dalam program tersebut kita dapat melakukan suatu pemodelan sistem kontrol atau suatu plant yang akan

  Tidak

  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

  Selesai

  dibentuk dari persamaan matematika dengan menggunakan blok transfer function sehingga kita dapat menuliskan

  Gambar 5. Diagram alir pengujian motor induksi.

  persamaan dalam blok tersebut sesuai dengan parameter yang akan kita cari.

  III. P ENGUJIAN DAN S

  IMULASI

  Selain Simulink dalam MALTAB juga terdapat M-Files yaitu bagain untuk menuliskan listing program yang dengan

  A. Hasil perhitungan pengujian parameter motor induksi

  hasil program setelah dijalankan akan disimulasikan dengan

  tiga fasa Blok Simulik yang telah dibuat.

  Berdasarkan parameter pada Tabel II dibuat model simulasi motor induksi 1 fasa dengan pengendalian SVPWM

  F.

   Algoritma Pemograman seperti dperlihatkan Gambar 6.

  Langkah-langkah yang dilakukan dalam simulasi tersebut adalah sebagai berikut.

  TABEL

  II

  1. Pengujian parameter dan rangkaian kontrol motor

  P ARAMETER M OTOR induksi 1 fasa.

  a. DC Test

  ( ( L (H) L (H) L (H) a R Ω) R Ω) _{1 2} ^{1 2 m}

  b. Tanpa beban ( No Load Test )

  c. Rotor Tertahan ( Blocked Rotor Test )

  d. Perbandingan Lilitan

  3.83 37.30 0.01833 0.03681

  1.67

  1.67 2. Membentuk blok simulink motor induksi 1 fasa dan sub.

  sistem rangkaian kontrolnya berdasarkan fungsi

  B. Simulasi motor induksi satu fasa yang menggunakan peralihan (transfer function). pengendali SVPWM

  3. Memasukan Parameter Motor dan setting sudut Dengan menggunakan parameter yang telah dihitung penyalaan (firing) dari Rangkaian Kontrolnya. 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.

  (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) ASIL

  IMULASI

  IV. H S Gambar 8. (a) Tegangan , (b) Arus, (c) Torsi, (d) Kecepatan motor. Gambar 8 memperlihatkan hasil simulasi menggunakan

  Hasil simulasi seperti diperlihatkan Gambar 8 (a) terlihat software Matlab dengan menggunakan SVPWM. bahwa dengan pengontrolan SVPWM masukan sebesar 220 V dantegangan keluaran 220 V, di peroleh arus I sebesar

  start

  5,3 A dan I = 1,3 A. Sedangkan torsinya sebesar 0.6327

  nom

  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 tegangan sebesar 220 Volt diperoleh arus pengasutan (I )

  start

  sebesat 6.1 A, arus nominal (I nom ) 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 V = 220 V. _trafo ESIMPULAN

  V. K Dari pengujian laboratoriun, simulasi dan analisis unjuk kerja motor induksi 1 fasa FUJIKAWA 100 Watt dengan menggunakan pengendali SVPWM, diperoleh beberapa Gambar 9. Model simulink motor induksi 1 fasa dengan autotraformator. 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.

  (a)

  3. Perbandingan kinerja motor induksi 1 fasa menggunakan SVPWM dengan autotrafo diperoleh bahwa untuk V rms 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

AFTAR USTAKA

  D P

  (b) [1] 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. [2] 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. [3] 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. [4]. 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. [5]

  H. Kragh, “Modelling, analysis and optimisation of power (c) electronic circuits for low-cost drives”, Ph.D. Thesis, Aalborg University - Denmark, Institute of Energy Technology, February, 2000. [6] 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.