i
PROPOSAL PROYEK AKHIR DESAIN DAN IMPLEMENTASI IMPLEMENTASI MATRIX CONVERTER MENGGUNAKAN METODE VENTURINI VENTURINI SEBAGAI KONTROL KONTROL KECEPATAN MOTOR INDUKSI 3 FASA
Diusulkan oleh : Gamar Basuki NRP. 1303151002
Dosen Pembimbing Dr. Ir. Era Purwanto, M.Eng NIP. 19610601.198701.1.001
Lucky Pradigta S.R , S.ST, MT NIP. 2000000076
PROGRAM STUDI D4 TEKNIK ELEKTRO INDUSTRI DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA 2018 i
ii
LEMBAR PENGESAHAN PROPOSAL PROYEK AKHIR TAHUN 2018/2019 DESAIN DAN IMPLEMENTASI IMPLEMENTASI MATRIX CONVERTER MENGGUNAKAN METODE VENTURINI VENTURINI SEBAGAI KONTROL KONTROL KECEPATAN MOTOR INDUKSI 3 FASA
Oleh : Oleh : Gamar Basuki NRP. 1303151002 1303151002 Proposal proyek akhir diajukan untuk Dilanjutkan sebagai Proyek Akhir di Program Studi D4 Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Disetujui Oleh : Tim Penguji :
Dosen Pembimbing :
1. Renny Renny Rakhma Rakhmawati, wati, ST., MT. NIP. 19721024.199903.2.001
1. Dr. Ir. Ir. Er Era a Purwanto Purwanto,, M.Eng M.Eng NIP. 19610601.198701.1.001 19610601.198701.1.001
2. Indra Indra Ferdians Ferdiansyah, yah, S.ST., S.ST.,MT. MT. NIP. 2000000686
2. Lucky Pradigta Pradigta S.R, S.ST, MT NIP. 2000000076
3. Novie Ayub Windar Windarko ko ST., MT., MT., Ph.D Ph.D NIP. 19751114.200003.1.001 Mengetahui, Ketua Program Studi D4 Teknik Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Epyk Sunarno , S.ST, MT NIP. 19620723.199103.1.002
ii
Abstrak
Motor induksi merupakan motor listrik AC yang paling banyak digunakan di dunia industri maupun maupun lingkungan lingkungan rumah tangga. Pengendalian Pengendalian kecepatan motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa jenis konverter. Namun tidak semua jenis konverter bisa menghasilkan efisiensi yang bagus. Dari segi efisiensi, lifetime, lifetime, dan power dan power factor correction, matrix converter lebih bagus daripada jenis konverter konvensional. Kontrol PI pada matrix converter dapat menjadi pilihan yang cocok untuk pengaturan kecepatan yang efisien dengan teknik kontrol skalar. Modulasi switching dari dari matrix converter dan dan Kontrol Kontrol PI dirancang oleh algoritma venturini. Untuk itu dalam penelitian ini dilakukan simulasi software dan pembuatan pembuatan hardware untuk menguji penggunaan penggunaan kontrol PI dan modulasi switching venturini pada matrix converter . Dengan adanya penelitian ini diharapkan pengaturan kecepatan motor induksi dapat lebih efisien dalam penerapannya di berbagai bidang. Kata kunci: M Mo otor I nduksi, nduksi, Mat Matr ix Conv Conve erter; rter; K ontrol ntrol PI , Algo Alg ori tma V enturi nturini ni
iii
DAFTAR ISI i HALAMAN JUDUL LEMBAR PENGESAHAN ......................................................................................... ii ABSTRAK ..................................................................................................................... iii DAFTAR ISI ................................................................................................................. iv DAFTAR TABEL ......................................................................................................... v DAFTAR GAMBAR .................................................................................................... vi 1. PENDAHULUAN ...................................................................................................... 1 1.1.Latar Belakang ....................................................................................................... 1 1.2.Tujuan ...................................................................................................................... 2 1.3.Perumusan Masalah dan Batasan Masalah ......................................................... 2 ...............................................................................................
2. TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................... 3 2.1.Penelitian yang pernah dilakukan ........................................................................ 3 2.2.Teori penunjang yang digunakan dalam penelitian ........................................... 3 2.2.1. Matrix Converter .....................................................................................3 2.2.2. Metode Kontrol Venturini.......................................................................6 2.2.2.1 Dasar Metode Kontrol Venturini ......................................................6 2.2.2.2 Algoritma Venturini yang ditingkatkan ............................................9 2.2.3. Kontrol PI .............................................................................................. 11 2.2.4. Pengertian Motor 3 Fasa .......................................................................13 2.2.4.1 Bagian – bagian Motor 3 Fasa ........................................................13 2.2.4.2 Perbandingan Motor Listrik ............................................................15 2.2.4.3 Prinsip Kerja Motor 3 Fasa .............................................................16 2.2.4.3 Pengaturan Putaran Motor ..............................................................17 3. METODOLOGI ....................................................................................................... 20 3.1.Perancangan Sistem ............................................................................................. 21 3.2.Perancangan Perangkat Hardware ..................................................................... 22 3.2.1.Perencanaan Matrix Converter...............................................................22 3.2.2.Perencanaan Mikrokontroler..................................................................25 3.2.3.Perencanaan Sensor Tegangan ...............................................................25 3.2.4. Perencanaan Sensor Arus ......................................................................25 3.2.5.Perencanaan Sensor Kecepatan ..............................................................25 3.3.Pengolahan Data .................................................................................................. 26 3.4.Pengujian/Analisa hasil penelitian ..................................................................... 26 3.5.Kesimpulan ........................................................................................................... 26 4. HASIL yang DIHARAPKAN ............................................................................... 26 5. RELEVANSI ............................................................................................................ 26 6. BIAYA dan JADWAL KEGIALAN .................................................................. 27 6.1.Anggaran Biaya .................................................................................................... 27 6.2.Jadwal Kegiatan ................................................................................................... 28 7. REFERENSI/DAFTAR PUSTAKA ................................................................... 2 8 iv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Tabel 2.2 Tabel 6.1 Tabel 6.2
Perbandingan motor listrik 1 fasa dengan 3 fasa ............................. 15 Kelebihan dan kekurangan motor asinkron 3 fasa ........................... 15 Anggaran biaya ................................................................................ 27 Jadwal kegiatan ................................................................................ 28
v
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perbedaan dari AC – AC Power converter ...................................... 4 Gambar 2.2 Matrix converter 3 fasa .................................................................... 4 Gambar 2.3 Modulasi venturini dengan 0,5 rasio transfer tegangan ................... 9 Gambar 2.4 Modulasi venturini dengan 0,75 rasio transfer tegangan ................. 10 Gambar 2.5 Modulasi venturini dengan 0,866 rasio transfer tegangan ............... 11 Gambar 2.6 Klasifikasi motor listrik ................................................................... 13 Gambar 2.7 Konstruksi motor asinkron 3 fasa .................................................... 14 Gambar 2.8 stator pada motor asinkron 3 fasa .................................................... 14 Gambar 2.9 Rotor belit ........................................................................................ 15 Gambar 2.10 Bagian – bagian Rotor Sangkar ....................................................... 15 Gambar 2.11 Proses rotor berputar karena induksi dari stator .............................. 17 Gambar 2.12 Contoh perbandingan kecepatan motor ........................................... 18 Gambar 2.13 Putaran dengan 2 kutub .................................................................... 18 Gambar 2.14 Putaran dengan 4 kutub .................................................................... 19 Gambar 3.1 Flowchart metode pelaksanaan program ......................................... 20 Gambar 3.2 Blok diagram sistem ........................................................................ 21 Gambar 3.3 Blok diagram kontrol ....................................................................... 21 Gambar 3.4 Rangkaian matrix converter pada matlab ........................................ 22 Gambar 3.5 Switching matrix converter .............................................................. 23 Gambar 3.6 Rangkaian Switching IGBT ............................................................. 23
vi
1
1.
Pendahuluan
Proyek akhir ini dengan judul “ Desain dan Implementasi Matrix Converter Menggunakan Metode Venturini Sebagai Kontrol Kecepatan Motor Induksi 3 Fasa ” ini diajukan berdasarkan tujuan, latar belakang dan permasalahan dibawah ini: 1.1
Latar Belakang Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (AC) yang paling banyak penggunaannya. Motor induksi yang umum dipakai adalah motor induksi 3 fasa dan motor induksi 1 fasa. Motor induksi 3 fasa dioperasikan pada sistem tenaga 3 fasa dan banyak digunakan di berbagai bidang di industri dengan kapasitas yang besar. Sedangkan motor induksi 1 fasa dioperasikan pada sistem tenaga 1 fasa dan banyak digunakan di lingkungan rumah tangga dengan daya keluaran yang rendah. Untuk mengatur kecepatan motor induksi 3 fasa dapat dilakukan dengan 2 cara, yaitu mengubah tegangan masukan maupun mengubah frekuensi masukan. Dalam pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa pada umumnya menggunakan inverter 3 fasa. Penggunaan inverter 3 fasa pada proses pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa membutuhkan tegangan input DC untuk merubah menjadi tegangan output AC 3 fasa dengan frekuensi yang bisa diatur melalui kecepatan pensaklarannya. Akan tetapi kekurangan dari penggunaan inverter 3 fasa adalah tegangan output yang dihasilkan tidak sinusoidal murni dan mengandung harmonisa diluar frekuensi fundamentalnya yang membuat Total Harmonic Distortion (THD) cukup besar sehingga efisiensinya rendah. Dengan mempertimbangkan beberapa hal diatas, maka pada Tugas Akhir ini dirancang sebuah sistem untuk proses pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa menggunakan matrix converter dengan metode venturini. Matrix Converter merupakan konverter dengan tegangan masukan AC dan menghasilkan tegangan keluaran AC. Dimana penggunaan matrix converter ini diharapkan bisa menghasilkan tegangan keluaran sinusoidal murni dan memperkecil nilai Total Harmonic Distortion (THD) sehingga motor induksi 3 fasa akan beroperasi lebih efisien. 1.2 Tujuan
Tujuan dari pembuatan proyek akhir ini dapat dibedakan atas tujuan umum dan tujuan khusus, yaitu: 1.2.1 Tujuan Umum Sebagai persyaratan akademis menyelesaikan studi pada Program Studi Teknik Elektro Industri Program D4 di Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. 1.2.2 Tujuan Khusus Tujuan proyek akhir ini adalah untuk mendesain matrix converter pada pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa menggunakan kontrol PI dengan harapan memperoleh efisiensi yang lebih bagus daripada konverter konvensional seperti inverter 3 fasa dalam hal kontrol kecepatan motor.
2
1.3 Perumusan Masalah dan Batasan Masalah Berdasarkan tujuan dan latar belakang yang sudah dijelaskan sebelumnya maka diperlukan perumusan masalah dan batasan masalah untuk mempermudah dan menunjang keberhasilan alat yang akan dibuat sebegai berikut: 1.3.1
Rumusan Masalah Dalam proyek akhir ini ada beberapa hal yang menjadi rumusan masalah diantaranya: 1. Bagaimana merancang dan mendesain matrix converter untuk pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa tanpa beban? 2. Bagaimana merancang dan mendesain kontrol PI pada matrix converter dengan algoritma venturini?
1.3.2 Batasan Masalah Pada proyek akhir ini permasalahan mengenai desain matrix converter akan dibatasi pada: 1. Perancangan matrix converter hanya untuk pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa tanpa beban 2. Sumber tegangan yang digunakan adalah sumber jala – jala PLN AC 3 fasa menggunakan variac Ac 3 fasa 3. Menggunakan kontrol PI yang di desain dari algoritma venturini 4. Tidak membahas filter arus dan filter tegangan pada sisi input.
3
2.
Tinjauan Pustaka Untuk referensi pengerjaan judul proyek akhir ini penulis memuat beberapa penelitian yang pernah dilakukan untuk menunjang kesempurnaan hasil dari proyek akhir ini. 2.1
Penelitian Yang Pernah Dilakukan Penelitian yang pernah dilakukan sebegai referensi pengerjaan proyek akhir ini :
1.
Jurnal IEEE “Fuzzy Logic Based Matrix Converter Controlled Induction Motor Drive” yang ditulis oleh Rajib Baran Roy 1, Jerome Cros2, Enamul Basher 3, dan
Shaiyek Md. Buland Taslim 4 yang menjelaskan tentang cara mengontrol kecepatan motor induksi 3 fasa menggunakan matrix converter dengan efisiensi yang lebih bagus daripada jenis konverter konvensional yang lain. 2. Skripsi “Matriks Konverter untuk Aplikasi Pembangkit Listrik Tenaga Angin” yang disusun oleh Wuri Listyarini mahasiswa Universitas Indonesia yang menjelaskan tentang penggunaan dan pemanfaatan salah satu konverter daya yaitu matriks konverter pada pembangkit listrik tenaga angin. 3. Jurnal IEE “Comparative Analysis of PWM Strategies of Venturini and Roy for the Control of a [3x3] Matrix converter for Renewable Energies Applications” yang ditulis oleh M. Mounir REZAOUI 1,2 ,Abdallah KOUZOU2, Lazhari NEZLI1, M. Oulhadj MAHMOUDI1, yang membahas tentang perbandingan metode venturini dan roy sebagai pegontrol matrix converter pada aplikasi energi terbarukan. 2.2
Teori Penunjang Teori penunjang sangat penting sebagai acuan analisa dan perhitungan untuk merencanakan suatu sistem. Teori intinya diambil dan disarikan dari mata perkuliahan maupun buku – buku literatur lainnya. Pada bagian ini akan dijelaskan dasar teori yang digunakan untuk pembuatan proyek ahkir ini. Akan dijelaskan secara berurutan dengan susunan sebagai berikut : 2.2.1
Matrix Converter Pada matrix converter terdapat 3 topologi dasar yang paling banyak digunakan. Topologi dasar tersebut adalah direct matrix converter, indiret matrix converter dan sparse matrix converter. Perbedaan pada masing – masing tipe AC – AC Converter di tunjukkan pada gambar 2.1
4
Gambar 2.1 : Perbedaan dari AC – AC Power Converter
Matrix converter merupakan konverter single state yang memiliki susunan m oleh n saklar bi-directional yang secara langsung menghubungkan sumber tegangan fase input m ke beban n-fase. Konverter Ini adalah single state, konverter AC-AC langsung tanpa membutuhkan elemen penyimpanan energi di sisi konversi daya. Gambar dari matrik converter ditunjukkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 :. Matrix converter 3 fasa
Konverter jenis ini dicirikan oleh topologi matriks 9 saklar (matriks [3x3]) pada gambar 2.2, seperti input tiga fasa yang saling terhubung dengan output tiga fase melalui saklar daya dua arah , dimana output dihubungkan dengan beban 3 fasa. Hal ini
5
memungkinkan aliran daya dua arah dan arus input sinusoidal dengan menghubungkan langsung sistem input dan tegangan output melaui saklar dua arah. Setiap saklar yang digunakan pada matrix converter dapat di modelkan oleh dua dioda dan dua transistor. Pada gambar 2.2 menunjukkan matrix converter dengan saklar dua arah, simbol Sij (i = a,b,c dan j =A,B,C) adalah saklar dua arah yang ideal. Dimana i menunjukkan indek tegangan output dan j menunjukkan index tegangan input. V i1, Vi2, dan Vi3 merepresentasikan tiga input tegangan dengan frekuensi tetap dan amplitudo tetap, sedangkan ii1, ii2, dan ii3 adalah arus input (Sumber arus AC). Topologi 9 saklar dua arah pada matrix converter dapat difungsikan pada frekuensi tinggi, sedangkan tujuan utama dari konverter ini adalah menghasilkan tegangan output 3 fasa sinus murni. Persamaan matematika dari vektor tegangan input ditunjukkan di bawah ini :
2 || cos 43 [cos 3 ] 2 || cos 43 [cos 3 ]
Sedangkan persamaan mathematic vektor tegangan output adalah sebagai berikut:
Hubungan antara tegangan output dan tegangan input
Sementara hubungan antara arus input dan arus output sebagai berikut : Dimana [M]T adalah transpose matrix dari [M]. Ketika arus input dan arus output terhubung selama proses peralihan, saklar dua arah harus berfungsi sesuai aturan : 1. Input hubung singkat harus dihindari dengan tidak menghubungkan jalur input ke jalur output yang sama 2. Output hubung singkat harus dihindari dengan menghubungkan seidaknya satu dari fase input ke sisi output. Fungsi peralihan dari setiap switch bdirectional sebagai berikut :
{1,0, ℎ,∈ ,,, ∈, , }
Persamaan di atas dapat di ekspresikan sebagai : Dengan batasan -batasan ini, matrix converter 3x3 memungkinkan hanya 27 kondisi switching dari yang mungkin 512 kombinasi switching. Pada setiap waktu
1;∈, ,
t, hanya satu saklar Sij(i = a,b,c) yang berfungsi untuk menghindari short ciruit antar fase. Pada setiap waktu t, paling sedikit 2 saklar Sij(j = A,B,C) berfungsi untuk memastikan arus beban loop tertutup. Frekuensi switching f s = harus mempunyai
6
nilai 20 kali lebih tinggi dari maksimum f if 0 (f s >>20x Max (f if 0) ). Selama periode Ts yang dikenal dengan periode sekuensial yang sama dengan 1/f s , jumlah waktu konduksi yang digunakan untuk mengsintesis fase output yang sama harus sama dengan T s. Sekarang waktu tij yang disebut dengan waktu modulasi di definisikan sebagai t ij = mij. Tstij = mij . Ts. 2.2.2. Metode Kontrol Venturini Umumnya teknik switching pada frekuensi tinggi untuk matrix cinverter telah diperkenalkan oleh Venturini pada tahun 1980. Metode ini telah dimodifikasi lebih lanjut untuk meningkatkan rasio transfer tegangan output ke input dari 0,5 ke 0.866. Sebagai tambahan, hal tersebut bisa menghasilkan arus input sinusoidal saat power faktor sama dengan unity terlepas dari faktor da ya beban. 2.2.2.1 Dasar Metode Kontrol Venturini Dalam metode venturini , satu set tegangan output 3 fasa yang dikehendaki dapat disintesis dari satu set tegangan input sinusoidal 3 fasa oleh sekuen piecewise sampling. Bentuk gelombang output oleh karena itu tersusun dari potongan bentuk gelombang input. Panjang setiap potongan ditentukan secara matematis untuk memastikan bahwa nilai rata – rata dari bentuk gelombang aktual output dalam setiap periode sampling melacak gelombang output yang dibutuhkan. Laju sampling diatur jauh lebih tinggi dari kedua input dan frekuensi output, maka dihasilkan gelombang yang disintesis menampilkan spektrum frekuensi rendah yang sama dari bentuk gelombang yang di inginkan. Venturini dan Alesina (1980) mengemukakan sebuah metode modulasi lebar pulsa untuk matrix converter yang dikenal dengan metode venturini. Pada metode ini, untuk satu set tertentu dari tegangan input tiga fasa , ditentukan dari satu set tegangan output tiga fasa yang dapat disintesis oleh sequential piecewise sampling pada gelombang input. Durasi setiap sample diperoleh secara persamaan matematis untuk memastikan bahwa nilai rata – rata dari gelombang output aktual dalam siklus sampling yang melacak bentuk gelombang output yang dibutuhkan. Metode ini juga digunakan untuk mengontrol arus input tiga fasa. Vektor tegangan iput dan output didefiniskan sebagai hubungan antara mereka dan ditulis sebagai,
⃗ ⃗ ⃗ ⃗. ⃗
7
Dimana,
⃗
⃗
adalah fungsi transfer matrik sesaat. Dari keseimbangan daya input (Pin=Pout), hubungan berikut ini berlaku untuk arus input dan arus output,
Dimana,
⃗
⃗ ⃗ ⃗ ⃗ . ⃗ ⃗ ⃗. 0≤ ≤,1,2,3 ∑ 1, 1, 2 , 3 =
– output
adalah transpose dari matrik Setiap kesatuan dari fungsi transfer matrik sesaat, mij(t) (i,j = 1,2,3), merepresentasikan fungsi duty cycle dari setiap saklar bidicrectional selama periode switching. Fungsi duty cycyle di batasi oleh kendala eksistensi , Dan pembatasan yang di bebankan pada saklar matrix converter sebagai berikut,
Rasio transfer tegangan maksimum dari input ke tegangan output dibatasi sebesar 0,5 dari pendekatan metode venturini. Kemudian, metode ini dimodifikasi lebih lanjut untuk meningkatkan rasio transfer tegangan maksimum menjadi 0,866. Fungsi transfer matrik tersusun dari fungsi duty cycyle pada 9 saklar bidirectional. Untuk menentukan sumber tegangan input 3 fasa,
⃗
2 ( 23 ) [ ( 3 )]
8
Dimana Vim adalah amplitude tegangan input dan adalah sudut frekuensi input. Tegangan output dihasilkan oleh nilai rata – rata dari piecewise sampling bentuk sumber gelombang input oleh 3 urutan switching degan durasi waktu T s. Tegangan output 3 fasa berhubungan dengan sumber tegangan input dengan fungsi transfer matrik sebagai berikut,
Dimana,
2 ( 23 ) [ ( 3 )] 13 23 13 23 23 13 23 23
Dari penyelesaian persamaan diatas, persamaan matematika berikut
Dimana Q adalah rasio transfer tegangan
. Fungsi modulasi ini digunakan
untuk mengontrol switch matrix converter untuk mendapatkan input sinusoidal serta arus output sinusoidal. Untuk menghasilkan bentuk gelombang tegangan output dengan frekuensi output variabel, tegangan output yang diinginkan harus sepenuhnya terkandung dalam siklus kontinyu yang dibentuk oleh tegangan input. Jelas bahwa batasan ini membatasi rasio transfer tegangan maksimum yang tersedia menjadi 0,5 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.3
9
Gambar 2.3 : Modulasi venturini dengan 0,5 rasio transfer tegangan 2.2.2.2 Algoritma Venturini yang ditingkatkan Tegangan output yang terbatas pada setengah dari tegangan input dengan skema kontrol tanpa moifikasi. Dalam skema kontrol yang disempurnakan, rasio transfer tegangan dinaikkan menjadi 0,866. Dalam skema baru ini, mode umum harmonisa ketiga dari frekuensi input diinjeksi dari tegangan input untuk meningkatkan rasio tegangan output. Amplitudo optimal dari harmonisa ketiga dari frekuensi input dirumuskan menjadi Vim / 4, yang memungkinkan untuk rasio transfer tegangan maksimum 0,75. Perhatikan bahwa pengurangan ini setara dengan menambahkan frekuensi harmonisa ketiga dari frekuensi masukan ke tegangan fasa keluaran, yang ditunjukkan secara gambar pada Gambar 2.4
10
Gambar 2.4: Modulasi venturini dengan 0,75 rasio transfer tegangan
Lebih lanjut untuk meningkatkan rasio transfer tegangan dapat diperoleh dengan menginjeksi harmonisa ketiga dari frekuensi output pada tegangan output yang diinginkan. Dengan menurunkan nilai peak to peak tegangan fasa output, rasio transfer tegangan 0,866 dapat diperoleh, yang merupakan penguatan tegangan maksimum yang dapat dihasilkan oleh matrix converter . Amplitudo optimal dari harmonisa ketiga dari frekuensi input dirumuskan menjadi Vom/6. Gambar 2.5 menunjukkan bagaimana injeksi harmonisa ketiga dapat memperbesar nilai maksimum pada tegangan output.
11
Gambar 2.5 Modulasi venturini dengan 0,866 rasio transfer tegangan
( 23) 33 33 [ ( 23)] 6 3 4 3 =
Dengan pendekatan matematis, fungsi switching yang diperlukan untuk mendapatkan tegangan output yang diinginkan dapat di rumuskan dengan :
2 1 2 1 cos cos 3 cos4 2 1 √ 9√ 22 1
2.2.3. Kontrol PI 1) Pengendali Proportional (P) Salah satu dari mode pengendali yang paling popular adalah unit pengendali proportional . Seperti yang tercermin dari namanya, unit pengendalian ini memberikan output-an yang sebanding (proporsional) dengan besarnya error . Perubahan nilai Proportional Gain/ proportional Band akan mempengaruhi respon sistem terhadap perubahan error dan load.
12
Output = ( Error x Gc) + Bias
…(2.11)
Gain unit control proportional dapat berupa bilangan bulat, atau bilangan pecahan. Semakin besar nilai gain akan menyebabkan pengendali semakin reaktif terhadap error , hal ini ditandai dengan adanya overshoot pada kondisi transient dan sebaliknya. Unit pengendali tidak bergantung pada fungsi waktu.
2)
Pengendali Integral (I) Unit pengendali ini disebut juga sebagai unit pengendali reset karena kemampuannya mengeliminasi offset yang ditinggalkan oleh pengendali proportional. Dengan persamaan: Output = Ki Error dt + Bias ...(2.12) ∫ dengan Ki = 1 Ti
Dimana: Ki = Integral Gain Ti = Integral time 3)
Pengendali Derivative (D) Unit pengendali ini disebut juga preact karena karakteristiknya yang memberikan energi ekstra pada saat-saat awal dan sensitif terhadap noise.
Pengendali differensial ini tidak dapat berdiri sendiri, unit pengendali D ini selalu dipakai dalam kombinasi dengan P dan I, menjadi pengendali PD a tau pengendali PID. Selain itu, pengendali D tidak dapat dipakai untuk proses variabel yang beriak (mengandung noise) karena karakteristiknya yang sangat responsive. Dari fungsi transfer diatas dapat dilihat bahwa besarnya output tergantung pada Gain (Gc), Time derivative (TD), dan besarnya perubahan error. Pengendali deferensial sangat bermanfaat bagi pengendali temperatur karena mampu bereaksi secara cepat terhadap perubahan input . Namun disisi lain sifat reaktif ini justru membatasi pemakaian pengendali derivative. Pengendali ini tidak akan pernah dipakai pada process variable yang bergelombang atau mengandung noise, misalnya pengendalian level atau flow. Dimana sinyal yang keluar dari kedua process variable tersebut mengandung riak dan gelombang, yang oleh pengendali D akan di- deferensial-kan menjadi pulsa yang tidak beraturan. Akibatnya control valve akan membuka dan menutup secara tidak beraturan dan sistem akan menjadi kacau. Kerusakan ini akan berdampak juga pada peralatan mekanik, actuator mupun elemen-elemen lain penyusun loop pengendalian. 4)
Pengendali Proportional Integral (PI) Gabungan paralel antara pengendalian proportional dan pengendalian integral digunakan untuk memperbaiki respon sistem dan meminimalisir offset yang ditinggalkan pengendali proportional.
Kelebihan dan kekurangan dari sistem pengendali Proportional Integral (PI)
13
merupakan gabungan dari proportional dan integral. Sifat sistem pengendali proportional selalu meninggalkan offset dapat ditutupi oleh kelebihan pengendali integral , sedangkan sifat pengendali integral yang lambat dapat ditutupi oleh pengendali proportional. Karena sifatnya yang sederhana dan efektif, pengendali jenis ini paling banyak dipakai untuk berbagai aplikasi di industri. . 2.2.4. Pengertian Motor 3 Fasa Motor induksi atau disebut dengan motor asinkron, pada prinsipnya adalah jenis motor listrik AC yang bekerja berdasarkan induksi pada medan magnet yang berada di antara rotor dan stator. Motor listrik 3 fasa adalah motor yang bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa pada sumber untuk menimbulkan gaya putar pada bagian rotornya. Perbedaan fasa pada motor 3 phase didapat langsung dari sumber. Berikut ini merupakan bagan klasifikasi dari motor listrik :
Gambar 2.6 : Klasifikasi Motor Listrik (Sumber : elektronika-dasar.web.id) Dikatakan sebagai motor induksi karena motor baru bisa bekerja bila konduktor rotor terinduksi oleh medan putar magnet pada stator. Dikatakan motor asinkron karena motor ini bekerja berdasarkan adanya perbedaan antara putaran medan stator (Ns) dan putaran rotor (Nr). Motor dikatakan mengalami slip karena pada motor asinkron 3 phase Ns > Nr, slip sendiri adalah besarnya perbedaan antara Ns dan Nr. Motor induksi / motor asinkron 3 phase di-supply dengan tegangan 3 fase ( R, S, T). 2.2.4.1 Bagian – Bagian Motor 3 Fasa Konstruksi motor asinkron 3 fasa terdiri atas dua bagian yaitu bagian rotor dan bagian stator. Stator adalah bagian motor yang diam, sedangkan rotor adalah bagian motor yang bergerak atau berputar.
14
Gambar 2.7 : Konstruksi Motor Asinkron 3 Fasa (Sumber : www.etcs.ipfw.edu)
1. Stator Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar dan biasanya terletak mengelilingi rotor. Dibuat dari besi bundar berlaminasi dan mempunyai alur – alur sebagai tempat meletakkan kumparan. Stator bisa berupa gulungan kawat tembaga yang berinteraksi dengan jangkar dan membentuk medan magnet untuk mengatur perputaran rotor. Stator inilah yang dihubungkan langsung ke sumber tegangan 3 fase.
Gambar 2.8: Stator pada motor asinkron 3 fasa (Sumber : www.electricaledition.com, grabcad.com)
2. Rotor Rotor adalah bagian dari motor listrik yang berputar pada sumbu rotor. Bagian ini terdiri dari inti rotor, kumparan rotor dan alur rotor. Perputaran rotor di sebabkan karena adanya medan magnet dan lilitan kawat email pada rotor. Sedangkan torsi dari perputaran rotor di tentukan oleh banyaknya lilitan kawat dan juga diameternya. Rotor pada motor AC dibagi menjadi 2, yaitu :
15
Gambar 2.9: Rotor Belit (Sumber : circuitglobe.com)
Gambar 2.10 : Bagian-Bagian Rotor Sangkar (Sumber : slideplayer.com) 2.2.4.2. Perbandingan Motor Listrik Tabel 2.1: Perbandingan motor listrik 1 fasa dengan 3 fasa Motor 1 Phase Motor 3 Phase 1. Sumber arus bolak balik 1 fasa 1. Sumber arus bolak balik 3 fasa 2. Menggunakan 2 kabel 2. Menggunakan 3 kabel 3. Starting motor menggunakan 3. Starting motor tidak menggunakan sistem lain sistem lain 4. Daya yang dihasilkan kecil 4. Daya yang dihasilkan besar 5. Umumnya digunakan untuk 5. Umumnya digunakan untuk industri keperluan rumah tangga dan perhotelan 6. Memerlukan kapasitor untuk 6. Tidak memerlukan kapasitor untuk starting motor starting motor 7. Putaran motor cenderung lebih 7. Putaran motor tidak sehalus motor 1 halus fasa 8. Bisa digunakan pada peralatan 3 8. Tidak bisa digunakan pada peralatan fasa 1 fasa 9. 9.
Tabel 2.2 : Kelebihan dan Kekurangan Motor Asinkron 3 Phase Kelebihan 1. Tidak memerlukan untuk starting motor. 2. Harga lebih murah.
kapasitor
Kekurangan 1. Kemampuan kontrol kecepatan kurang. 2. Arus start tinggi.
16
3. Untuk rotor sangkar, konstruksi lebih kuat dan tahan lama. 4. Perawatan minim.
3. putaran kurang halus. 4. Terjadi slip. 5. Pada beban rendah, power factor menjadi sangat rendah.
2.2.4.3. Prinsip Kerja Motor 3 Fasa Motor asinkron 3 phase biasa juga disebut dengan motor induksi 3 phase, berfungsi mengubah energi listrik 3 phase menjadi sebuah energi mekanik. Ada beberapa prinsip kerja motor asinkron antara lain:
1. 2. 3. 4. 5.
6.
7.
Apabila sumber tegangan tiga fase dipasang pada kumparan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120 f/p. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor, akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl). Karena kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka ggl (E) akan menghasilkan arus ( I ). Adanya arus ( I ) di dalam medan magnet menimbulkan gaya ( F ) pada rotor. Bila torsi mula yang dihasilkan oleh gaya ( F ) pada rotor yang cukup besar untuk mengikuti torsi beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Seperti dijelaskan pada no. 2 bahwa tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor rotor oleh medan putar stator. Maksudnya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr). Perbedaan kecepatan antara ns dan nr disebut dengan slip (S). Dapat dinyatakan dengan persamaan : S = ( ns – nr ) / ns x 100%
8.
Bila nr = ns, maka tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan jangkar rotor. Dengan demikian tidak dihasilkan torsi. Torsi motor akan ditimbulkan apabila nr lebih kecil dari ns. 9. Dilihat dari cara kerjanya, motor asinkron disebut juga dengan motor induksi. Mengenai prinsip rotor bisa berputar karena adanya induksi dari stator diperjelas melalui skema berikut :
17
Gambar 2.11 : proses rotor berputarkarena induksi dari stator
Ketika waktu t1, kabel dari R bernilai negatif begitu juga R’ merupakan kebalikannya yaitu bernilai positif. Begitu juga dengan kabel S dan T.(lihat gambar) ( nilai positif dan negatif dilihat dari grafik sinus cosinus kabel R S T )
Ketika waktu t2, kabel R bernilai negatif dan seterusnya (lihat gambar)
Ketika waktu t3, kabel R bernilai negatif dan seterusnya (lihat gambar)
Kita bisa lihat dari t1 hingga t3 medan kutub berputar kearah kanan ( s earah jarum jam ) Inilah prinsip dasar rotor pada motor 3 fase bisa berputar karena adanya induksi dari stator yang diberi sumber tegangan 3 fase ( kabel R S dan T )
2.2.4.4. Pengaturan Putaran Motor Pengaturan kecepatan putaran motor dapat dihitung dengan rumus :
Keterangan :
Ns = Kecepatan Putar f = Frekuensi Sumber P = Jumlah Kutub motor Dari persamaan di atas, maka jika kita ingin merubah-rubah nilai Ns, dapat dilakukan dengan mengubah nilai frekuensi dari sumber (f) atau mengubah jumlah kutub motor (p). Semakin besar frekuensi maka semakin besar pula kecepatan putaran motor (Ns) yang kita dapatkan, begitu juga sebaliknya. Sedangkan semakin banyak jumlah kutub, maka semakin kecil pula kecepatan motor yang dihasilkan, dan berlaku juga sebaliknya.
18
a. Pengaruh Frekuensi Terhadap Kecepatan Putaran Motor Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwa semakin besar frekuensi maka semakin besar pula kecepatan motor yang dihasilkan. Untuk lebih jelasnya mengapa hal ini bisa terjadi perhatikan skema dibawah ini :
Gambar 2.12: Contoh perbandingan kecepatan motor dengan frekuensi 1 Hz dan 2 Hz pada waktu t1 dan t2 Dari skema diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa untuk frekuensi 2 Hz , putaran motor lebih cepat dari pada untuk frekuensi 1 Hz dalam waktu t1 dan t b. Pengaruh Kutub Terhadap Kecepatan Putaran Motor Seperti yang dijelaskan sebelumnya bahwa semakin besar jumlah kutub maka semakin kecil pula kecepatan motor yang dihasilkan. Untuk lebih jelasnya mengapa hal ini bisa terjadi perhatikan skema dibawah ini :
Gambar 2.13: Putaran dengan 2 kutub
19
Gambar 2.14 : Putaran dengan 4 kutub Berdasarkan skema diatas dapat ditarik kesimpulan ,jika menggunakan 2 kutub maka putaran motor akan lebih cepat ( 2 kali ) daripada menggunakan 4 kutub.
20
3.
Metodologi Dalam proyek akhir ini diperlukan suatu metode untuk mendapatkan hasil yang maksimal, maka direncanakan langkah-langkah pengerjaan alat. Dari keseluruhan metode yang telah dirancang diharapkan dapat memaksimalkan pelaksanaan
proyek akhir ini, dapat dilihat pada Gambar 3.1. Dari flowchart tersebut, maka metodologi pengerjaan program ini secara keseluruhan adalah sebagai berikut: 1. Perencanaan dan Observasi Perencanaan dan Observasi meliputi pengamatan terhadap masalah dan kebutuhan. Dari pengamatan tersebut akan didapatkan pokok-pokok permasalahan untuk diselesaikan melalui aplikasi yang akan dibuat. Dalam tahap ini dilakukan pengumpulan informasi yang berkaitan dengan; a. Informasi-informasi yang perlu disertakan. b. Rancangan desain sistem elektrik. 2. Pembelian Alat dan Bahan Perencanaan dan Observasi meliputi pengamatan terhadap masalah dan kebutuhan. Dari pengamatan tersebut akan didapatkan pokok-pokok permasalahan untuk pembelian Alat dan Bahan.
Gambar 3.1 Flowchart Metode Pelaksanaan Program
21
3. Studi Literatur a. Mempelajari tentang desain matrix converter b. Mempelajari tentang Algoritma Venturini c. Mempelajari tentang kontrol PI 4. Konsultasi Dosen Pembimbing Konsultasi dengan dosen pembimbing dilakukan untuk memperoleh beberapa informasi mengenai sistem alat ini secara lebih detail. 5. Perencanaan dan Pembuatan hardware matrix converter. 6. Pengujian dan evaluasi. 7. Pembuatan Laporan. 3.1
Perancangan Sistem Setelah mempelajari dan memahami studi literatur yang sudah tersedia, selanjutnya adalah membuat perencanaan dari desain matrix converter unruk kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa. Perencanaan ini meliputi sebagai berikut seperti pada Gambar 3.2
Sumber AC 3 Fasa
Matrix Converter
Motor Induksi 3 Fasa
MetodeDriver Venturini
IGBT
Fuzzy Logic Controller
Sensor Tegangan
Sensor Arus
Sensor Kecepatan
Mikrokontroller ARM ARM STM32F7 STM32F407VGTx
LCD Display
Gambar 3.2 Blok diagram sistem error Setting point kecepatan
+
-
Kontrol PI
Metode Venturini
Matrix Converter
Feedback (kecepatan)
Gambar 3.3 Blok diagram kontrol
Motor Induksi 3 Fasa
22
Pada blok diagram diatas dijelaskan bahwa sumber AC 3 fasa digunakan sebagai sumber untuk matrix conveter. Pada sisi sumber digunakan sebuah variac AC 3 fasa untuk mengatur tegangan input yang digunakan. Tegangan input diatur mulai dari tegangan 100 V sampai 380 V untuk mengatur kecepatan motor induksi 3 fasa dengan menggunakan matrix converter . Matrix converter adalah AC to AC converter dimana fase tegangan input terhubung langsung ke fase tegangan output melalui saklar daya dua arah. Matrix converter menggunakan saklar bidirectional (IGBT) sebagai komponen switchingnya dan terdapat 9 saklar IGBT dimana setiap saklar bisa mengalirkan arus secara dua arah. Pada proses pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa ini menggunakan matrix converter dengan metode venturini, dimana pada metode venturini untuk pengaturan switchingnya menggunakan perbandingan rasio tegangan output dan input. Pada metode ini nilai rasio yang bisa dihasilkan antara 0,5 sampai dengan 0,866. Dari nilai rasio tersebut akan dibandingkan dengan comparator untuk menghasilkan switching duty cycle mengatur kecepatan motor induksi 3 fasa. Perancangan Perangkat H ardware Pada tahap ini dimulai pembuatan perangktar keras / hardware. Perangkat keras yang dibuat meliputi modul matrix converter , modul mikrokontroller ARM STM32F7 beserta pemasangan sensor arus, sensor tegangan dan sensor kecepatan. 3.2
3.2.1 Perencanaan Matrix Converter
Gambar3.4: Rangkaian matrix converter pada matlab
23
Gambar 3.5: Switching matrix converter
Gambar 3.6 : Rangkaian Switching IGBT Contoh Desain metode venturini :
diketahui : f i = 50 Hz ; f 0 = 50 Hz Vi = 220V ; V 0 = 220V
24
α1 = V0/(3Vi)
α2 = 1- α1 = 220/(3.220) = 1 – 1/3 = 1/3
= 2/3
=+.−+− =+.+= =+.−−+−− =+.−+ −= − =+.−−+−− =+.−+ −= − =+.−−+−− =+.−+−= − =+.−+−− =+.+−= =+.−−+− =+.−+= =+.−−+−− =+.−+−= − =+.−−+− =+.−+= =+.−+−−
25
=+.+−=
43 16 16 16 13 56 [ 16 56 13 ]
3.2.2 Perencanaan Mikrokontroller Mikrokontroller disini berfungsi sebagai pusat kendali sistem, dengan cara mengolah data ADC yang didapatkan dari hasil pembacaan sensor sehingga bisa dilakukan kontrol kecepatan motor . Pada proyek akhir ini mikrokontroller yang digunakan yaitu ARM STM32F4. 3.2.3 Perencanaan Sensor Tegangan Berfungsi sebagai pemberi informasi kepada mikrokontroller mengenai nilai tegangan pada sisi input dan sisi output. Sensor tegangan disini menggunakan rangkaian pembagi tegangan. Berikut rumus nilai tegangan dari pembacaan adc: 3.2.4 Perencanaan Sensor Arus
Berfungsi sebagai pemberi informasi kepada mikrokontroller mengenai nilai arus yang keluar atau masuk ke motor induksi 3 fasa. Sensor arus yang digunakan adalah ACS 712 , dengan kemampuan membaca arus sampai 30 A. Berikut rumus nilai arus dari pembacaan adc: arus = (nilai adc - 512)/jumlah bit)* tegangan referensi*1000/100 3.2.5 Perencanaan Sensor kecepatan Berfungsi sebagai pemberi informasi kepada mikrokontroller mengenai bnilai kecepatan pada motor induksi 3 fasa. Sensor kecepatan yang digunakan adalah rotary encoder. 3.3 Pengolahan Data Sistem pengaturan kecepatan motor induksi 3 fasa pada sistem ini yang akan jadi parameter untuk pengotrolan kecepatan adalah pembacaaan sensor tegangan pada sisi tegangan input dan tegangan output. Pembacaan sensor tersebut akan di proses pada mikrokontroller sebagai perhitungan untuk menghasilkan kecepatan yang diinginkan berdasarkan perhitungan duty cycle. Dimana hasil pembacaan sensor masuk ke masinmasing ADC (analog-digital converter) yang kemudian akan diolah dalam
26
mikrokontroller dan ditampilkan pada LCD TFT Touch screen. Hasil yang ditampilkan pada TFT Touch Screen dapat digunakan untuk mengetahui grafik dari karakteristik pengaturan kecepatan motor induksi dengan metode yang telah digunakan. 3.4 Pengujian
Setelah tahap pembuatan perangkat keras dan lunak diperlukan tahap pengujian untuk melihat kinerja dari perangkat keras dan lunak yang telah dibuat. Tahap pengujian yang akan dilakukan antara lain: 1. Menguji sistem dan integrasi Pada tahap ini dilakukan integrasi sistem antara hardware dan software. Kemudian dilakukan pengujian terhadap sistem yang telah dibuat, sehingga dapat ditemukan permasalahan yang berpotensi menggagalkan sistem. Dengan ditemukannya permasalahan yang berpotensi menggagalkan sistem ini, maka penyempurnaan pada sistem dapat dilakukan. Parameter yang akan diuji berupa: a) Ketepatan pembacaan sensor tegangan, arus dan kecepatan b) Berfungsinya matrix converter sebagai pengontrol kecepatan motor induksi 3 fasa 2. Mengumpulkan data hasil pengujian. Dari hasil pengujian maka didapat data-data karakteristik dan kemampuan dari alat yang telah dibuat. 3. Melakukan analisa data Setelah data terkumpul, maka data-data ini akan dianalisa untuk mengetahui kerja terbaik. Dengan demikian alat ini dapat bekerja dengan baik. 4. Menarik kesimpulan hasil analisa data Langkah ini adalah langkah terakhir. Dimana keseluruhan hasil analisa akan disimpulkan. 3.5 Kesimpulan Sebelumnya telah dijelaskan tahapan-tahapan untuk merealisasikan desain matrix converter sebagai kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa. Diharapkan dari perencanaan yang telah dilakukan proses pembuatan dan pengujian alat dapat berjalan secara efektif dan efisien serta dapat selesai tepat waktu dan memberikan hasil yang memuaskan. 4.
Hasil yang Diharapkan Pada saat pelaksanaan pembuatan dan pengoperasian, diharapkan dapat mendesain matrix converter sebagai kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa bekerja sesuai dengan perencanaan yang telah ditentukan. Yaitu dapat membaca nilai V (volt ) A ( Ampere), LCD TFT Touch Screen dapat menampilkan semua data parameter yang terdapat pada percobaan kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa yaitu nilai tegangan, arus dan kecepatan.
27
5.
Relevansi Seperti latar belakang dari proyek akhir ini adalah agar memperoleh efisiensi yang lebih bagus dalam mengontrol kecepatan motor induksi 3 fasa dengan menggunakan matrix converter dan kontroller PI untuk kontrol kecepatan berdasarkan rasio transfer tegangan . 6. Biaya dan Jadwal Kegiatan Rencana pembuatan proyek ahir ini membutuhkan biaya dan jadwal kegiatan yang dapat dilihat pada Tabel 6.1 dan 6.2.
6.1 Anggaran Biaya Biaya yang dibutuhkan dalam proyek akhir ini tertera pada rincian biaya dibawah ini: Table 6.1 Anggaran Biaya
a. Peralatan penunjang Jenis Pengeluaran
Biaya/Unit
Volume
Jumlah
Solder
50.000
1
50.000
Penyedot timah
40.000
1
40.000
b. Bahan habis pakai Arm STM32F7
1.200.000
1
1.200.000
Sensor arus
150.000
2
300.000
Sensor tegangan
150.000
2
300.000
Sensor Kecepatan
150.000
1
150.000
IGBT CM200DY (bidirectonl - switch) DC- DC Isolated
600.000
9
5.400.00
60.00
9
480.000
Akrilik
200.000
0.5 m 2
200.000
Komponen elektronika lain
300.000
1 set
300.000
c. Lain-lain Jasa catching PCB
50.000
4
200.000
Pembuatan buku
50.000
5
250.000
28
Pembuatan makalah
30.000
2
60.000
Jumlah
8.930.000
6.2
Jadwal Kegiatan Perencanaan perancangan dan pembuatan proyek akhir ini akan berlangsung selama kurang lebih 12 bulan, dengan deskripsi jadwal seperti pada Tabel 6.4 : Table 6.2 Jadwal Kegiatan No
Bulan
Kegiatan 1
1
Studi Literatur
2
Perancangan
3
Pembuatan Alat
4
Pengujian Alat Eksperimen dan Analisa Penyusunan Buku
5 6
7. 1.
2.
3.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
DAFTAR PUSTAKA
Buku “Design and Control of Matrix Converters” yang disusun oleh Anindya Dasgupta dan Parthasarathi Sensarma yang menjelaskan cara mendesain matrix converter Buku “Three -Phase AC-AC Power Converters Based on Matrix Converter Topology” yang disusun oleh Paweł Szczes´niak yang menjelaskan tentang fundamental matrix converter dan berbagai jenis topologi dari matrix converter. Buku “Power Converter Circuit s” yang disusun oleh William Shepherd dan Li Zhang yang menjelaskan tentang contoh rangkaian elektronika daya.
29
Lampiran
Gelombang Vin 3 fasa
Gelombang Iin 3 fasa
30
Gelombang Vout 3 fasa
Gelombang Iout 3 fasa
