penerapan metode hysteresis space vector pulse …

JURNAL INOVTEK POLBENG, VOL. 07, NO. 2, NOVEMBER 2017 ISSN 2088-6225E-ISSN 2580-2798

111

PENERAPAN METODE HYSTERESIS SPACE VECTOR PULSEWIDTH MODULATION PADA INVERTER TIGA FASA UNTUK

PENGATURAN KECEPATAN DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI

Hendi Purnata1, Anindya Dwi Risdhayanti2, Shabrina Adani Putri3, Achmad Komarudin4

1,2,3,4Program Studi Teknik Elektronika, Politeknik Negeri Malang, Malang 65142E-mail1: [email protected]

Abstrak

Pengaturan kecepatan motor induksi relatif sulit, karena torsi dan fluks yang dihasilkan saling berkaitan. Selain itu untuk mengatur kecepatandiperlukan inverter sebagai aktuator. Keluaran inverter bukan sinyal sinusoidal murni tetapi hasil dari pensaklaran. Oleh karena itu diperlukan metodepensaklaran untuk dapat memperbaiki sinyal keluaran inverter agar dapat meningkatkan efisiensi dan mengatur kecepatan motor induksi. Padapenelitian ini metode indirect vector control diterapkan untuk pengaturan kecepatan dan menggabungkan metode SVPWM (Space vector pulse widthmodulation) dengan Hystesesis sehingga menjadi metode hysteresis space vector pulse width modulation (HSVPWM). Hasil simulasi pengaturankecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan metode indirect vector control berhasil diterapkan yaitu dapat mengikuti set point sebesar 600 rpmdengan rise time 0.527 detik, steady state 0.723 detik dengan overshoot sebesaar 0.8%. Ripple arus keluaran pada inverter menggunakan metodeHSVPWM dapat berkurang 65%. Effisiensi motor induksi menggunakan metode HSVPWM yang semula 91% dapat ditingkatkan menjadi 94% ataukenaikan 3%.

Kata Kunci -Indirect Vector Control, Space vector pulse width modulation, Hysteresis Band, Inverter, Motor Induksi

Abstract

Induction motor speed control is relatively difficult, because the generated torque and flux are related or not free. In addition to adjusting the speed, itrequires inverter control. The inverter output is not a pure sinusoidal signal but it is the result of the switching. Therefore, it is necessary to be able tofix the method of switching the inverter output signal that can adjust induction motor speed with load changes. This study applies the indirect methodof vector control for setting the speed. The combination of SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation) methods and hysteresis known asHSVPWM (Hysteresis Space Vector Pulse Width Modulation) methods. A change of pace on HSVPWM method successfully achieves the set pointof 600 rpm with a rise time of 0.5267 seconds, 0.723 seconds steady state and has over shoot of 0.8%. The results show the ripple current at theinverter output using methods HSVPWM can be reduced 65%. The setting speed three phase induction motor vector control using indirect methodsare successfully applied. The efficiency of the induction motor using HSVPWM method which was originally 91% could be increased to 94% or 3%.

Keyword - Vector Control, Space Vector Pulse Width Modulation, Hysteresis Band, Induction motor.

1. PENDAHULUANMotor induksi merupakan salah satu

mesin listrik yang paling banyak digunakandalam dunia industri. Pengaturan kecepatanmotor induksi squirrel cage secara umummenggunakan perubahan tegangan padaterminal dan pengaturan frekuensi [1].Pengaturan kecepatan motor induksi lebih sulitdibandingkan dengan motor DC, Karena fluksdan torsi yang dihasilkan saling berkaitanatau tidak bebas. Jika arus yang melewatiterminal motor berubah maka fluks medanmagnet stator dan torsi elektromagnetikyang dibangkitkan juga akan berubah.Faktor ini yang menyebabkan pengaturanmotor induksi menjadi lebih kompleks [2].Kontrol konvensional seperti proportionalintegral (PI) dan proportional integral

derivative (PID) digunakan bersama denganmenggunakan metode pengaturan vektor untukmenghasillkan kecepatan motor yang lebihbaik. Kelemahan kontrol konvensional (PID)yaitu parameter dari sistemnya bervariasi danmengakibatkan perfomanya rendah, danfaktanya ketika menggunakan gain yang tetapmaka kontroler tidak dapat memberikankecepatan dan perfoma yang diperlukan dalamparameter motor [3]. Space vector widthmodulation (SVPWM) merupakanpenggabungan antara pengaturan vektordengan pulse width modulation. Pengaturankecepatan motor induksi menggunakaninverter SVPWM dengan kontroler PI-FuzzyHybrid dapat menjaga kecepatan motor secarakonstan walaupun diberikan beban yangberubah-ubah [4]. SVPWM dengan kontroleriterative learning control (ILC) dan PI dapat


112

mengurangi kecepatan ripple dibandingkontroler Hysteresis pulse width modulation(HPWM) tetapi respon transient pada HPWMlebih cepat dibandingkan SVPWM denganILC-PI [5]. Metode kontrol Hysteresisswitching pada frekuensinya tidak fix dan akanberubah-ubah berdasarkan perubahan arus [6].Metode Indirect Vector Control banyakdiguanakan ketika untuk mengatur kecepatandengan beban yang berubah-ubah [7].Penelitian selanjutnya mengatur kecepatanmotor dengan beban yang berubah-ubahkemudian di implementasikan untukmengetahui kontroler yang dicapai. Penelitianini menggunakan pengaturan vektor tidaklangsung dengan metode HPWM. Kontrolerpada penelitian ini dapat mengatasi bebanyang berubah-ubah. Hasil eksperiment padapenelitian ini respon kecepatan dan perubahantorsi belum dapat diatasi karena respon belumbisa mengikut referensi secara sempurna. [8].Permasalahan yang ingin diatasi padapenelitian ini adalah kontrol kecepatan motordan efisiensi Motor induksi tiga fasa denganmenggabungkan metode Hysteresisi SpaceVector Pulse Width Modulation.

2. METODE

2.1 Model Matematika Motor Induksi TigaFasa [9]Performansi dinamik dari mesin AC agak

kompleks karena kumparan rotor 3 fasabergerak pada lilitan stator 3 fasa. Model darimotor induksi dapat digambarkan denganpersamaan diferensial serta mutual induktansiyang berubah terhadap waktu, akan tetapimodel yang lainnya cenderung sangatkompleks.

drqrrdrrdr

qrdrrqrrqr

dsdsdssds

qsdsqssqs

piRV

piRV

piRV

piRV

.).(.

.).(.

...

...

(1)

Dimanadt

dp

Gambar 1. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi TigaFasa

Berdasarkan rangkaian di atas maka dapatdituliskan persamaan tegangan pada stator danrotor [10]

dsmdrrdr

qsmqrrqr

drmdssds

qrmqssqs

iLiL

iLiL

iLiL

iLiL

..

..

..

..

(2)

Dengan Melakukan subsitusi persamaan (2)kedalam persamaan (1) maka dapat ditunjukan dalam bentuk matrik:

dr

qr

ds

qs

rrrrmmr

rrrrmrm

mmsss

mmsss

dr

qr

ds

qs

i

i

i

i

pLRLpLL

LpLRLpL

pLLpLRL

LpLLpLR

V

V

V

V

)()(

)()(

..

..

(3)

Dengan,

mrr

mss

LLlL

LLlL

(4)

Dimana,Vqs, Vds = Voltage dq frame (Volt)Vqr, Vdr = Rotor voltage dq frame

(Volt)iqs, ids = Current stator of dq frame

(Ampere)iqr, idr = Current rotor of dq frame

(Ampere)


113

λqs, λds = Stator flux of dq frame(Webber)

λqr, λdr = Rotor flux of dq frame(Webber)

Rs = Stator Resistance (Ohm)Rr = Rotor Resistance (Ohm)Ls = Stator Inductance (Henry)Lr = Rotor Inductance (Henry)LM = Mutual Inductance (Henry).

Torsi elektromagnetik dibangkitkan denganmenggunakan persamaan (5) [5], dankecepatan rotor (ωr) digunakan denganpersamaan (6) [4].

)(22

3dsqsqsdsem ii

PT (5)

dt

dJ

PT

dt

dJTT r

Lm

Lem

2

(5.1)

2

P

J

TT Lemr

(6)

Dimana,TL = Load Torque (N.m)Tem = Electromagnetic Torque (N.m)J = Inertia Momen (kg.m2)P = Poleωr = Speed in rotor (rad/second)ωm = Speed in rotor mechanic

(rad/second)

2.2 Kontrol Vektor [11]Kontrol vektor terdiri dari beberapa

komponen arus stator yang ditunjukan sebagaisebuah vektor, didalam putaran singkronbentuk refrensi d-q, dimana diekspresikanpada torsi elektromagnetic seperti halnyamotor DC. Teknik ini berdasarkantransformasi tiga fasa kedalam dua koordinasiwaktu yang bervariasi, untuk pengendaliankecepatan juga tergantung kepada dua sistemkoordinasi tersebut. Arus terminal fasa Ia, Ib,dan Ic diubah dengan menggunakantransformasi clarke yaitu dari sinyal tiga fasasinusoidal ke dua fasa kedalam bentukkomponen (). Dua komponen selanjutnyadiubah kedalam bentuk d-q dimana komponentersebut dengan sumbuh direct dan quadrature

yaitu memisahkan antara torsi dan fluxtersendiri.

di

qi e

qd

ecos esin

di

qi

i

i

*ai*bi

*ci

ai

bi

cicba

i

i

ecos esin

qd

di

qi

Gambar 2. Prinsip Kontrol Vektor

2.3 InverterModel rangkaian inverter tiga fasa secara

umum ditunjukkan pada Gambar 2.6. DimanaS1 sampai S6 adalah 6 (enam) buah saklarpower yang membentuk uukeluaran, yangdikendalikan oleh perubahan pensaklaran a, a’,b, b’ dan c, c’. Saklar dapat menggunakankomponen daya seperti MOSFET atau IGBT.Ketika saklar atas (a, b dan c) aktif, makasaklar bawah (a’, b’ dan c’) yang berhubungantidak aktif. Oleh karena itu, perubahan polaswitching a, b, c dan a’, b’, c’ akanmenghasilkan 8 (delapan) kemungkinan polaswitching seperti terlihat pada Gambar 3.Kemudian muncullah delapan buah vektortegangan yang terdiri dari V0 sampai denganV7.

1S 3S

6S

5S

4S 2S

4D 5D 6D

AC Motora b c

a’ b’ c’

+-

+-

aV

bV

cV

LAi

LBi

LCi

Gambar 3. Skema Dasar Inverter Tiga Fasa

2.4 Space Vector Pulse Width Modulation[12]SVPWM awalnya dikembangkan sebagai

metode pendekatan vektor pada Pulse WidthModulation (PWM) untuk inverter tiga fasa.Metode SVPWM ini didasarkan adanyavektor ruang pada koordinat abc sumber tigafasa. SVPWM adalah sebuah teknik tingkatlanjut untuk membangkitkan gelombang sinus


114

yang menghasilkan bentuk tegangan sumberuntuk motor induksi dengan total distorsiharmonik yang rendah. Tujuan utama dariteknik modulasi ini adalah untuk mendapatkanvariasi keluaran yang mempunyai komponenfundamental maksimum dengan nilaiharmonisa yang minimum. SVPWM adalahmetode tingkat lanjut dari metode PWMdengan komputasi khusus untuk aplikasipenggerak elektrik dengan frekuensi yangberubah-ubah. Persamaan tegangan padakerangka acuan abc harus diubah menjadikerangka acuan αβ yang terdiri dari sumbuhorisontal α dan sumbu vertikal β. Kemudiandiperoleh vektor V0 hingga V7. Vektor tersebutkemudian dibagi menjadi dua yaitu 2 (dua)buah vektor nol dan 6 (enam) buah vektoraktif. Vektor aktif tersebut dapat dipetakandalam bentuk heksagonal dengan beda sudut600 seperti terlihat pada Gambar 4.

2

3

45

6

1Fasa A

Fasa C

Fasa B

T1

T2refv

V1 (100)

V6 (101)V5 (001)

V4 (011)

V3 (010) V4 (110)

V0(000)V7 (111)

Gambar 4. Dasar Pensaklaran Vektor dan Sektor

2.5 Hysteresis Pulse Width Modulation [13]Kontroler Hysteresis merupakan teknik

kontrol arus yang mengaktifkan switchingpada tegangan fasa yang terhubung sebagaihasil pada bentuk feedback sensor arus. Arusfasa ditentukan apakah nilai dalam toleransiHysteresis bisa memanipulasi disekitar nilaiarus yang diinginkan. Kontrol Hysteresis iniuntuk menyederhanakan dan robustnes padabeban parameter yang berubah-ubahsebagaimana untuk mengetahui lebar frekuensiswitching yang tidak dapat di prediksi dan jugaterdapat kesulitan pada keamanan rangkaianuntuk sistem inverter..

Gambar 5. Bentuk Gelombang Aliran KontrolHysteresis

3. HASIL DAN PEMBAHASAN

3.1 Perangan SistemSistem dibawah ini terdapat fungsi-fungsi

tertertu agar dapat mencapai penelitian yangdiinginkan. Plant dari sistem ini adalah motorinduksi tiga fasa. Sistem ini terdapat rectifier(DC Link) yang merupakan penyearahterkendali sehingga menjadi tegangan DC.Inverter merupakan suatu alat yang fungsinyauntuk merubah dari tegangan DC ke teganganAC, Inverter dikendalikan dengan metodepensaklaran Hysteresis space vector pulsewidth modulation. Plant motor induksimenggunakan model d-q yang telah dirubahdari sistem koordinat tiga fasa menjadi duafasa.

RECTIFIER

PI

PI Hysteresis SpaceVector Pulse

WidthModulation

Inverter

3

AC SUPPLY

dcV

i

i

i

i

di

qisqrefi

CurrentReconstruction

aibi

ciαβdq αβ

abc

dq

αβ

PI

θ

SpeedDesired

FluxRefference

InductionMotor Speed

Sensor

m

rP/2

slip

Gambar 6. Blok Diagram

3.2 Simulasi Dan AnalisaTahapan ini menampilkan hasil simulasi

perancangan metode hysteresis pensaklaranpada inverter. Data yang ditampilkan meliputigrafik sinyal arus dan tegangan pada metodeHysteresis, SVPWM, perbandingan keduametode dan HSVPWM.


115

3.3 Hysteresis Pulse Width ModulationDibawah ini merupakan simulasi arus

menggunakan metode Hysteresis di Inverter:

Gambar 7. Respon Arus pada Hysteresis

Gambar 7 diatas merupakan grafik sinyal aruspada metode hysteresis. Hasil menunjukanbahwa pada awal mula motor diberi sumberkemudian arus yang mengalir sebesar 462A,setelah waktu di 0.635 detik sinyal berubahdengan amplitude sebesar 26A atau saat steadystate. Metode ini menghasilkan ripple sebesar29.7A saat sinusoidal, saat puncak ripplesebesar 5.82A dan saat lembah sebesar 5.3A.

3.4 Space Vector Pulse Width Modulation

SVPWM merupakan gabungan antarakontrol vektor dengan teknik PWM. Sub babini menampilkan arus dan tegangan padakeluaran inverter dengan menggunakanmetode SVPWM.

Figure 8. Respon Arus SVPWM

Tahapan ini membahas metode SVPWMdimana grafik sinyal yang ditampilkan berupaarus dan tegangan pada keluaran inverter.Gambar 8 menampilkan arus tiga fasa iabcyang mana saat awal mula motor diberisumber tenaga kemudian puncak arusnyamencapai 454A tetapi saat waktu 0.65 detikarus mengalir sebesar 24A. Metode ini masihmenghasilkan ripple sebesar 9.68 A saatsinusoidal, saat puncak ripple sebesar 4A dansaat lembah sebesar 4A.

3.5 Hysteresis Space Vector Pulse WidthModulationTahap ini akan menampilkan data grafik

usulan yaitu HSVPWM. Data yang akanditampilkan berupa grafik sinyal arus dantegangan pada keluaran inverter.

Gambar 9. Respon Arus

Tahapan ini gabungan pada kedua metodemenunjukan sinyal arus keluaran dapatdiperbaiki yaitu ripple pada sinyal arus.Metode ini menghasilkan ripple sebesar 4.2Asaat sinusoidal, saat puncak ripple sebesar4.5A dan saat lembah sebesar 4.5A


116

Gambar 10. Perbandingan Respon Arus

Gambar 10 diatas merupakan perbandinganarus keluaran inverter pada tiap metode.Perbandingan ripple pada ketiga metode dapatdilihat pada Tabel 1 data diambil saat ripplesinusoidal, puncak dan lembah pada luaraninverter. Data diatas juga berupa ripple efektikdan sinyal efektif.

Table 1. Perbandingan Tiap Metode

Effektif Ripple Effektif SignalHysteresis 33.1017 33.8467SVPWM 19.32 27.57HSVPWM 1.6071 27.6113

3.6 Respon KecepatanSub bab ini menampilkan grafik respon

kecepatan dengan perbandingan antara ketigametode.

Gambar 10. Perbandingan Respon Kecepatan

Hasil respon pada perbandingan kecepatanmenunjukan bahwa untuk mencapai keadaansteady state metode SVPWM lebih cepat yaitumembutuhkan waktu 0.628 detik. MetodeHSVPWM lebih lamban dibandingkan metodeSVPWM yaitu membutuhkan waktu sebesar0.723 detik untuk mencapai steady state. Nilaikonstanta waktu (τ) pada ketiga metodeperbedaanya tidak terlihat secara signifikanantara 0.33 detik. Karakteristik respon terlihatpada tabel 4.3 dimana delay time disekitar0.227 detik, Settling time sekitar 0.6 detikkemudian rise time disekitar 0.5 detik.

3.7 Perhitungan Efisiensi

Setelah mengetahui daya masuk yangberupa tegangan dan arus pada tiap metodedan kemudian diketahui juga daya keluaranyang berupa torsi dan kecepatan. Sub bab inimenghutung seberapa besar efisiensi motorinduksi tiga fasa dengan menggunakan tiapmetode.

Table 2. Perhitungan Efisiensi

Pout Pin Effisiensi(%)

Hysteresis 10800 11960 90SVPWM 10062 11040 91HSVPWM 7414 7820 94

Tabel diatas merupakan perhitungan parameteruntuk menghitung efisiensi motor. MetodeHysteresis menghasilkan 90% efisiensi motordimana daya masuk dengan tegangan sebesar


117

460 Volt, arus 26 Ampere dan daya keluaranmotor yaitu torsi sebesar 18 Nm dan kecepatan600 rpm. Metode SVPWM menghasilkan 91%efisiensi motor dimana daya masuk dengantegangan sebesar 460 Volt, arus 24 Amperedan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar16.77 Nm dan kecepatan 600 rpm. MetodeHSVPWM menghasilkan 94% efisiensi motordimana daya masuk dengan tegangan sebesar460 Volt, arus 17 Ampere dan daya keluaranmotor yaitu torsi sebesar 12.36 Nm dankecepatan 600 rpm. Pada data diatasmenunjukan bahwa metode HSVPWM lebiheffisien yaitu meningkat sebesar 3% denganpersentase sebesar 94%.

4. KESIMPULAN

Hasil menunjukan pengaturan Kecepatansukses dilakukan dengan menggunakanmetode indirect vector control. Ripple aruspada inverter dapat berkurang sebersar 65%,Perubahan kecepatan pada metode HSVPWMberhasil mencapai set point 600 rpm denganrise time 0.5267 detik, steady state 0.628 detikdan mempunyai over shoot sebesar 0.8%.Metode HSVPWM menghasilkan 94%efisiensi motor dimana daya masuk dengantegangan sebesar 460 Volt, arus 17 Amperedan daya keluaran motor yaitu torsi sebesar12.36 Nm dan kecepatan 600 rpm. Pada datadiatas menunjukan bahwa metode HSVPWMlebih effisien yaitu meningkat sebesar 3%dengan persentase sebesar 94%.

UCAPAN TERIMA KASIHUcapan terima kasih saya berikan kepada

Program Studi Teknik Elektronika, PoliteknikNegeri Malang yang telah memberikandukungan, sehingga terselesainya penelitianini.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Parekh, R., 2003. AC Induction MotorFundamentals. MicrochipTechnology Inc.

[2] Mohan, N., 2014. Advanced electricdrives: analysis, control, andmodeling usingMATLAB/Simulink. Johnwiley & sons.

[3] Chengaiah, C. and Prasad, S., 2013.Performance of InductoinMotor Drive by Indirectvector controlled methodusing PI and DuzzyControllers. InternationalJournal of Science,Environment, 2(3), pp.475-469.

[4] Arulmozhiyal, R. and Baskaran, K.,2009.

Space Vector Pulse WidthModulation BasedSpeedControl of Induction Motorusing FuzzyPI Controller.International Journal ofComputer and ElectricalEngineering, 1(1), p.98.

[5] Lakshmi, N.S., Adhavan, B.,Jagannathan,

V. and Ravichandran, C.S.,2013, March. Reduction oftransient and steady statespeed pulsation in permanentmagnet synchronous motorusing Space Vector PulseWidth Modulation control.In Circuits, Power andComputing Technologies(ICCPCT), 2013International Conference on(pp. 252-257). IEEE.

[6] Yi, H., Zhuo, F., Zhang, Y., Li, Y.,Zhan,

W., Chen, W. and Liu, J.,2014. A source-current-


118

detected shunt active powerfilter control scheme basedon vector resonant controller.IEEE Transactions onIndustry Applications, 50(3),pp.1953-1965.

[7] Arulmozhiyal, R., Baskaran, K. andManikandan, R., 2010,December. An intelligentspeed controller for indirectvector controlled inductionmotor drive. InComputational Intelligenceand Computing Research(ICCIC), 2010 IEEEInternational Conference on(pp. 1-5). IEEE.

[8] Singh, M. and Hussain, M.S.S.,Implementation of anIntelligent Controller forThree Phase VectorControlled Induction MotorDrive.

[9] Bimal, K., 2002. Bose. Modern powerelectronics and AC drives.

[10] Behera, P.K., Behera, M.K. and Sahoo,A.K., 2014. ComparativeAnalysis of scalar & vectorcontrol of Induction motorthrough Modeling &Simulation. internationaljournal of innovativeresearch in electrical,electronics, instrumentationand control engineering,2(4), pp.1340-1344.

[11] Jung, J.W. and DStudent, P.H., 2005.PROJECT# 2 Space vectorPWM inverter. MechatronicSystems Laboratory, Dept. ofElectrical and ComputerEngg., The Ohio StateUniversity.

[12] Dos Santos, E. and da Silva, E.R., 2014.Advanced Power ElectronicsConverters: PWMConverters Processing AC

Voltages (Vol. 46). JohnWiley & Sons.

[13] Arulmozhiyal, R., Baskaran, K. andManikandan, R., 2010,December. An intelligentspeed controller for indirectvector controlled inductionmotor drive. InComputational Intelligenceand Computing Research(ICCIC), 2010 IEEEInternational Conference on(pp. 1-5). IEEE.

penerapan metode hysteresis space vector pulse …

Documents