Contoh Proposal Penelitian (Universitas Diponegoro - 2011) [PDF]

Citation preview

TUGAS MATA KULIAH PROYEK KHUSUS



HIBAH KOMPETENSI



OLEH EMMANUEL AGUNG NUGROHO NIM : 21050110400008



PROGRAM SARJANA TEKNIK MESIN UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2011



Hibah Kompetensi



Perancangan Vektor Kontrol SPWM Inverter Sebagai Pengendali Motor/Generator Induksi 3 fasa pada Aplikasi Turbin Angin



Ketua Tim Joga Dharma Setiawan, PhD



JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2011



LEMBAR PENGESAHAN



HIBAH KOMPETENSI



1. Judul Kegiatan



: Perancangan Vektor Kontrol SPWM Inverter Sebagai Pengendali Motor/Generator Induksi 3 fasa pada Aplikasi Turbin Angin



2. Jenis Kegiatan 3. Nama Ketua Tim Pengusul 4. Jurusan Fakultas Perguruan Tinggi 5. Alamat No. Telepon/Faks E-Mail No. Telepon 6. Lamanya Kegiatan 7. Nama dan alamat lengkap peers - dari dalam negeri - dari luar negeri



: Pemanfaatan IPTEK : Yoga Dharma setiawan, PhD : Teknik Mesin : Teknik : Universitas Diponegoro : Jl. Prof. Sudharto, Tembalang, Semarang : : : : 1 tahun : :



Mengetahui, Ketua Lembaga Penelitian/Pengabdian Kepada Masyarakat



Semarang, 12 Januari 2011 Ketua Tim Pelaksana



Prof. Dra. Indah Susilowati, M.Sc NIP. 131 764 487



Yoga Dharma Setiawan, PhD NIP. 19681110 2005011001



Mengetahui, Rektor Universitas Diponegoro



Prof. Dr. Soedharto P. Hadi, MES NIP. 130 ..............



1.



RINGKASAN Energi angin menjadi salah satu alternatif dalam terobosan renewable energi.



Angin dapat dimanfaatkan menjadi energi listrik melalui proses pengolahan dari turbin angin yang menggerakkan generator listrik.



Oleh karenanya pemilihan



generator listrik memerlukan kecermatan tertentu agar mampu menghasilkan energi listrik secara optimal namun mampu menghemat pembiayaan sekecil mungkin. Pemilihan generator induksi pada aplikasi turbin angin karena memiliki kelebihan murah, mudah dalam perawatan dan mudah dalam pengendalian jika dibandingkan generator AC jenis lain ataupun generator DC. Generator induksi pada aplikasi turbin angin ini menghasilkan tegangan AC 3 fasa dengan nilai tegangan yang selalu berubah menyesuaikan kecepatan putaran turbin angin. Untuk itu perlu dilakukan metode pengendalian agar menghasilkan tegangan AC konstan sehingga energi yang dihasilkan dapat



dimanfaatkan dengan baik oleh pemakai. Untuk



keperluan ini penulis melakukan riset untuk pengendalian tegangan generator tersebut melalui rangkaian rectifier untuk menghasilkan tegangan DC konstan dari tegangan AC generator dan rangkaian inverter untuk membangkitkan kembali sistem AC 3 fasa yang nilai tegangan-nya menyesuaikan kebutuhan pemakai. Aplilasi rectifier dan inverter ini memerlukan metode pengendalian agar menghasilkan tegangan DC dan AC yang diharapkan. Metode pengendalian yang penulis pakai adalah metode pengendalian yang paling baik pada saat ini yaitu metode Vector Control SPWM inverter. Vektor kontrol SPWM inverter merupakan metode pengaturan vektor tegangan yang digabungkan dengan pengaturan amplitudo dan frekuensi untuk mengendalikan saklar daya berupa IGBT yang diaplikasikan pada rangkaian rectifier dan inverter pada turbin angin. Dalam sistem kendali motor-generator 3 fasa berbasis vektor ini maka tegangan dan arus-nya harus diukur secara matematis dan ditransformasikan dari sistem tiga-fasa ke dalam sistem kendali dua-fasa. Untuk itu tegangan dan arus motor-generator tersebut dimanipulasi dari sistem 3 fasa (a,b,c) menjadi elemen dua fasa kerangka acuan tetap (α,β) melalui transformasi clarke.



Kemudian dari



kerangka acuan tetap diubah menjadi elemen dua fasa kerangka acuan bergerak (d,q) melalui transformasi park.



Didalam sistem 2 fasa inilah analisis vektor ruang



dilakukan untuk menghasilkan konfigurasi penyaklaran IGBT pada rectifier atau inverter. Space vector PWM ditujukan untuk membentuk tegangan keluaran dari PWM converter mendekati tegangan referensinya melalui proses switching dari 8 konfigurasi penyaklaran IGBT yang dihasilkan dari 6 buah vector yang membentuk 6 interval waktu yang masing-masing tergeser 600 dan dua buah vektor tegangan nol (zero voltage vectors) yang berada di pusat koordinat. Dengan metode ini berhasil meningkatkan efisiensi kerja motor-generator induksi melalui peningkatan kerja inverter 3 fasa jika dibandingkan dengan teknik SPWM ataupun scalar kontrol yang hanya menitik beratkan pada pengendalian frekuensi dan tegangan tanpa mempertimbangkan acuan gerak stator motor.



2.



LATAR BELAKANG DAN PERUMUSAN MASALAH Energi listrik yang dihasilkan oleh generator induksi yang digerakkan oleh



turbin angin merupakan tegangan yang tidak stabil karena magnitude tegangannya tergantung oleh seberapa besar angin yang ditangkap oleh turbin angin tersebut. Dengan demikian energi listrik yang dihasilkan oleh generator ini belum bisa dimanfaatkan oleh pengguna untuk aplikasi apapun karena bisa membahayakan peralatan listrik itu sendiri.



Oleh karenanya diperlukan metode pengendalian



tegangan dan arus secara tepat sehingga mampu menghasilkan energi liustrik yang paling optimal dari keluaran generator tersebut.



Untuk hal tersebut diperlukan



rangkaian rectifier yang terkombinasi dengan inverter secara langsung agar menghasilkan tegangan listrik konstan dan siap diaplikasikan pada peralatan listrik di pemakai. Selama ini rangkaian rectifier diaplikasikan dengan rangkaian dioda dan kemudian ditingkatkan dengan menggunakan thyristor yang terkendali sudut memicuannya, namun dalam kenyataannya kedua komponen semikonduktor ini bermasalah jika dilihat dari tinjauan kualitas daya listrik, karena dioda menyebabkan arus yang dihasilkan merupakan arus non linier sedangkan thyristor menyebabkan arus beban bergeser fasa terhadap tegangan sumbernya. Dewasa ini teknologi dalam bidang elektronika daya telah mengembangkan saklar daya MOSFET dan IGBT untuk aplikasi rangkaian converter yang



diantaranya untuk rangkaian rectifier dan inverter. Untuk mengaplikasikan IGBT sebagai saklardaya pada rangkaian rectifier diperlukan metode pengendalian, Selama ini menggunakan metode PWM rectifier /PWM inverter yang dalam aplikasikan terbukti menghasilkan arus keluaran linier dan sefasa dengan tegangan sumbernya. Namun metode PWM rectifier /PWM inverter tidak cukup baik untuk mengendalikan tegangan dan frekuensi dalam waktu yang bersamaan sehingga dalam perkembangannnya ditemukan metode scalar control atau teknik kendali volt/hertz control yang mampu mengendalikan tegangan dan frekuensi secara bersamaan. Dalam penelitian ini memandang perlu untuk memperbaiki kinerja scalar control tersebut dengan metode perbaikan pada sistem kendali saklar daya IGBT (Insulated Gate Bipolar Thrystor) pada aplikasi rectifier dan inverter yaitu dengan metode vector control, merupakan terobosan terbaru untuk meningkatkan magnitude tegangan dari sistem scalar control sehingga tegangan yang dihasilkan oleh rangkaian inverter / rectifier menjadi lebih tinggi dengan tetap memperhatikan perubahan frekuensi yang terkendali seperti pada metode scalar control. Metode vektor kontrol diperoleh dengan cara membagi satu periode gelombang 3600 menjadi 6 buah sektor dengan masing masing sektor mempunyai sudut jangkauan sebesar 600.



Setiap sektor merepresentasikan kondisi-kondisi



penyaklaran yang memicu saklar daya IGBT dengan membentuk 8 topologi pola penyaklaran. Ke 8 topologi pola penyaklaran ini merepresentasikan kondisi logika penyaklaran konverter sistem 3 fasa yang dibentuk menggunakan saklar daya IGBT. Dengan demikian metode vektor kontrol tepat diaplikasikan pada sistem pengendalian konverter 3 fasa karena metode vektor kontrol tepat menghasilkan 8 logika pensaklaran yang dihasilkan dari 6 buah vektor aktif dan 2 buah vektor pada pusat space vektor yang disebut dengan pasif vektor yang artinya akan selalu ada pada setiap peralihan dari vektor 1 hingga vektor 6.



3.



TUJUAN Tujuan akhir dari penelitian ini adalah menghasilkan prototype hardware



three phase converter dengan menggunakan saklar daya IGBT yang terkendali secara vektor sehingga bisa diaplikasikan untuk menghasilkan energi listrik yang



dapat diatur frekuensi dan tegangannnya dari masukan sumber listrik 3 fasa seperti generator induksi pada turbin angin dan sumber 3 fasa tak terkendali lainnya. Dari sisi kontrol mampu mengaplikasikan metode vektor kontrol dengan menggunakan mikrokontroller sebagai piranti pengolahan sistem digital yang merepresentasikan



logika-logika



penyaklaran



saklar



daya



IGBT



sehingga



meminimalisir penggunaan komponen-komponen analog lainnya. Pengaplikasian pada mikrokontroller dilakukan secara look up table artinya memasukkan data-data digital dari suatu sistem simulasi yang tetah dilakukan tersebih dahulu. Data-data digital ini diperoleh dari simulasi awal dengan menggunakan software power simulator sekaligus sebagai parameter awal keberhasilan perancangan metode vektor kontrol SPWM konverter ini. Analisa akhir dilakukan dengan pemodelan menggunakan software matlab simulink berdasar tinjauan matematis sehingga memperkuat analisis terhadap perancangan hardware yang dilakukan.



4.



ROADMAP DAN REKAM JEJAK Penelitian tentang Perancangan Vektor Kontrol SPWM Inverter Sebagai



Pengendali Motor/Generator Induksi 3 fasa pada Aplikasi Turbin Angin ini merupakan penelitian baru yang diusulkan oleh penulis. Teknologi Space vektor kontrol PWM sebagai pengendali saklar daya konverter merupakan metode kendali sebagai pengembangan dari 2 metode awal yang selama ini sudah berkembang yaitu teknik SPWM dan teknik volt/hertz kontrol. Space vektor pulse width modulation (SVPWM) yang merupakan penggabungan antara pengaturan vektor pada kecepatan motor induksi dengan pulse width modulation (PWM) dimana PWM digunakan sebagai pengatur amplitudo dan frekuensi sesuai dengan yang diinginkan. SVPWM memberikan solusi yang lebih baik terhadap sinusoidal pulse width modulation (SPWM).



SVPWM dapat



mengurangi nilai arus awal, rugi daya dan nilai total harmonic distortion (THD). Dalam implementasinya, SVPWM mempermudah perhitungan dalam pengaturan flux maupun torsi . Kerena implementasi metode kendali SVPWM untuk mengendalikan motor atau generator ini merupakan terobosan ilmu yang relatif baru maka penelitian ini



sangat relevan untuk mendapatkan porsi yang cukup sehingga dapat menghasilkan hasil-hasil penelitian yang berguna untuk pengembangan ilmu pengetahuan dan teknologi untuk masa-masa yang akan datang.



5.



STUDI PUSTAKA/URAIAN KEGIATAN YANG TELAH DAN AKAN DILAKSANAKAN Metode vector control bertujuan mengendalikan kinerja mesin AC khususnya



motor /generator induksi yang diemulasikan dari kinerja mesin DC. Pada mesin DC, fluksi stator  s dihasilkan oleh arus yang dialirkan pada belitan medan stator (field winding) dan fluksi rotor  r dihasilkan oleh arus yang dialirkan ke belitan jangkar (armature winding) melalui sikat dan komutator yang selalu menyebabkan posisi medan magnet stator dan medan magnet rotor saling tegak lurus sehingga torsi elektromagnet yang dihasilkan kedua medan magnet tersebut selalu maksimum. Kondisi demikian sering dinamakan berbasis orientasi medan (field orientation). Sekali kondisi field orientation tercapai, maka torsi pada mesin DC dapat dikendalikan dengan mudah melalui pengaturan arus jangkar dengan tetap menjaga arus medan konstan. Pada Gambar 1 ditunjukkan pengendalian kecepatan mesin DC yang membutuhkan outer loop untuk mengendalikan kecepatan dan inner loop untuk mengendalikan torsi.



*



speed controller



torque controller



Mesin DC



 Gambar 1. Pengendalian kecepatan pada mesin DC



Dari uraian di atas, Variable Speed Drive yang menggunakan mesin DC memiliki beberapa keunggulan, yaitu : 



Pengendalian torka dapat dilakukan secara cepat dan akurat







Repon kecepatan tinggi







Rangkaian kendali sederhana



Tetapi beberapa kelemahan juga akan muncul, yaitu : 



Mesin DC memerlukan perawatan secara berkala







Harga mesin DC relatif mahal







Diperlukan encoder sebagai umpan balik



Dengan kelemahan-kelemahan di atas, dewasa ini banyak dikembangkan VSD yang menggunakan mesin AC jenis motor/generator induksi (IM) yang menawarkan beberapa keunggulan, di antaranya ukurannya lebih kecil, kokoh, konstruksi sederhana, bebas perawatan dan harga murah.



Sehingga banyak



dikembangkan teknik-teknik mengendalikan kecepatan mesin AC yang bertujuan mengemulasikan kinerja mesin DC pada VSD berbasis motor/generator AC.



5.1



Pemodelan Motor dan Generator Induksi Trzynadlowsky menyatakan bahwa penurunan persamaan tegangan stator dan



rotor dengan menggunakan metode vektor kontrol dapat dipisahkan antara arus penghasil fluks rotor dan arus penghasil torsi elektromagnetik. Buku ini juga memberikan penjelasan tentang transformasi besaran tiga fase (tegangan dan arus) menjadi dua fase yang saling tegak lurus satu sama lain. Transformasi tegangan tiga fase (Va, Vb, Vc) menjadi dua fase (Vd,Vq) dengan kerangka acuan stator menggunakan persamaan berikut :  1 Vd   V     q  0 







1 1    Va  2 2    Vb .................................................................................. (1) 3 3  Vc   2 2   



Dan dari 2 fase menjadi 3 fase dengan persamaan berikut :  2  0    Va   3   Vd  1 1 V    b      3 3  Vq  Vc    1 1   3   3  



Bila : V  Vd  jV q maka Vsr  Vs



 jr



 Vsx  jV sy sehingga



VSX   cos  r sin  r V    sin  cos  r r  SY  



 Vd   V  ............................................................................. (2)  q



dengan : Usx, Usy adalah nilai sesaat tegangan stator pada sumbu-x dan-y (V). Hal lain akibat digunakannya kerangka acuan ini, dihasilkannya arus magnetisasi rotor (Imr) yang berorientasi dengan fluks rotor yang besarnya adalah : imr 



 r r Lm







Lr ir r  is r ........................................................................................... (3) Lm



Lm , Lr = induktans magnetisasi rotor dan induktans rotor (H) irr , isr adalah arus rotor dan stator yang berorientasi pada fluks rotor (A)



Menurut Akhmad Musafa, menjelaskan bahwa konsep utama dalam mengembangkan model matematis motor induksi tiga fasa adalah bagaimana merepresentasikan variabel tegangan, arus, dan fluks dalam bentuk vektor ruang (space vector) dengan menggunakan sebuah kerangka acuan yang didasarkan pada transformasi elemen tiga fasa menjadi elemen dua fasa. Dalam makalah ini pemodelan motor menggunakan kerangka acuan stator (stator reference frame) dengan parameter model yang digunakan adalah arus stator dan fluks rotor, sehingga θ = 0. Matriks transformasi tiga fasa menjadi dua fasa yang digunakan adalah : 1 1   1    ia   i  2 2    ib ...................................................................................... (4) i    3 3     0 ic    2 2   



Sedangkan matriks transformasi dua fasa menjadi tiga fasa adalah :



ia  i    b ic 



  1 0  2 1 3   3 2 2   1  3  2 2



    i  .................................................................................... (5)  i      



Model motor diperoleh dari rangkaian ekivalen motor induksi seperti terlihat pada gambar 2 (a) dan (b).



(a) Rangkaian sumbu-dss



(b). Rangkaian sumbu-qss Gambar 2. Rangkaian ekivalen model dinamik motor/generator induksi tiga fasa kerangka acuan stator



Dari gambar rangkaian 2, dengan asumsi tegangan rotor motor induksi adalah nol (vqr = vdr = 0), maka persamaan tegangan stator dan rotor motor induksi adalah : Vs  Rs i s 



d  s ....................................................................................................... (6) dt



Vr  Rr i r 



d  r  j r  0 .................................................................................. (7) dt



Sedangkan persamaan untuk fluks stator dan rotor adalah :



 s  Ls is  Lm ir ......................................................................................................... (8)  r  Lr ir  Lm is ........................................................................................................ (9) Jika persamaan (9) disubstitusikan ke persamaan (7), maka : Vr 



Rr  r  Lm is  d  r  j r r  0 ................................................................ (10) Lr dt



Sehingga dari persamaan (10) dapat diperoleh persamaan turunan fluks rotor :



d r dt



R    r Lm  iS  Lr 



R    r  j r  r ........................................................................ (11)  Lr 



Jika persamaan (8), (9), dan (11) disubstitusikan ke persamaan (6), maka : 2  Lm Rr  Vs   Rs  2 Lr 



2   L  i s   Ls  m   Lr  



d  L j L R  is   m r  m r 2  L  dt Lr r  



  r .............................. (12)  



Dari persamaan (12), persamaan turunan arus stator dapat dinyatakan sebagai berikut Lr d is  2 dt L s Lr  Lm



2  Lm     Rs  2 Lr  



   L  L  i s   m Rr  j m  r   r   s  ..................... (13)  L2   Lr  r   



Sehingga dari persamaan (11) dan (13), muncul model motor induksi dalam kerangka acuan stator (sumbu αβ) adalah : Lr d i s  2 dt L s Lr  Lm



 L R   Rs  m 2 r  Lr 



 Lm L  1  i s   r  m r  r  Vs ...... (14)  Ls Lr Tr  Ls Lr Ls 



Lr d is  2 dt Ls Lr  Lm



 L R   Rs  m 2 r  Lr 



 L  Lm 1  i s  m r  r   r  Vs ....... (15)  Ls Lr Tr  Ls Lr Ls 



L d 1  r  m is   r   r r ............................................................................ (16) dt Tr Tr L d 1  r  m is   r r   r ............................................................................ (17) dt Tr Tr



5.2



Strategi pengendalian vektor kontrol Pada dasarnya pengaturan vektor mentransformasikan elemen tiga fasa



kerangka acuan tetap (a,b,c) menjadi elemen dua fasa kerangka acuan tetap (α,β) kemudian menjadi elemen dua fasa kerangka acuan bergerak (d,q). Tegangan, arus dan flux tiga fasa dari motor/generator AC dapat dianalisa dengan menggunakan kompleks ruang vektor. Dengan asumsi bahwa ia, ib, ic adalah arus dari masingmasing fasa pada bagian stator mesin induksi, dengan definisi is = ia + αib + ic dimana   e



2 j  3



dan   e



4 j  3



. Dimana (a,b,c) adalah sistem tiga fasa yang



menggambarkan sistem sinusoida tiga fasa. Kemudian dari sistem tiga koordinat ditransformasikan menjadi sistem time invariant dua koordinat. Perubahan sistem



tiga fasa menjadi sistem time invariant dua koordinat dapat dipisahkan menjadi dua langkah : (a,b,c) 



(α,β) (transfomasi Clarke)



(α,β)



(d,q) (transfomasi Park)











(a,b,c)  (α,β) (Transfomasi Clarke) Ruang vektor dapat dipresentasikan dalam dua sumbu tegak lurus (α,β),



dengan asumsi bahwa sumbu a dan sumbu α mempunyai arah vector yang sama seperti terlihat pada Gambar 3. Dari proyeksi sistem tiga fasa menjadi dua dimensi tegak lurus (α,β) dengan penjelasan sebagai berikut :  1 is   i      s  0 







1 1    ias  2 2    ibs .................................................................... (18) 3 3  ics   2 2    b is



is



a



c



Gambar 3 (a,b,c)  (α,β) (Transfomasi Clarke) 



(α,β)  (d,q) (Transfomasi Park) Sedangkan untuk mempresentasikan kerangka acuan tetap (α,β) menjadi



kerangka acuan bergerak (d,q), maka digunakan transformasi Park. Gambar transformasi Park dapat dilihat pada Gambar 4. Dari proyeksi sistem dua dimensi tegak lurus (α,β) menjadi sistem dua dimensi bergerak (d,q) dengan penjelasan sebagai berikut :



ids   cos e t   sin e t  i     qs   sin e t  cos e t  B=q



 i s   i  ....................................................... (19)  s 



 is



d isd



isq is



a 



c



Gambar 4. (α,β)  (d,q) (Transfomasi Park)



SVPWM merupakan penghubung antara pengaturan vector tegangan dengan PWM sebagai pengatur amplitudo dan frekuensi. SVPWM merubah delapan kondisi hidup mati switching pada inverter tiga fasa menjadi sebuah ruang vektor. 



Phasa V V3



V2



S2



S3



S1



V4



V7







V0



Phasa U V1



S6



S4 S5 V5



V6



Phasa W



Gambar 5 Ruang vektor 8 kondisi switch pada inverter tiga fasa



Space vector PWM ditujukan untuk membentuk tegangan keluaran dari PWM converter mendekati tegangan referensinya melalui proses switching dari 8 konfigurasi. Hal ini dilakukan dengan membuat nilai rata-rata lokal (locally averaged



value) dari tegangan referensi dan tegangan keluaran sama. Sebagai gambaran pada gambar 6 ditunjukkan vektor tegangan referensi Vs1 berada pada sektor-1 akan didekati dengan menggunakan vektor tegangan aktif V1 dan V2. Persamaan yang dapat diturunkan dari gambar tersebut adalah



VTs  V1t1  V2 t 2 ........................................................................................ (20) di mana



Ts



= waktu sampling



t1



= durasi waktu PWM converter membentuk vektor V1



t2



= durasi waktu PWM converter membentuk vektor V2



karena Ts  t1  t 2  maka dibutuhkan waktu tambahan sebesar t 0 sehingga berlaku kondisi di mana Ts  t0  t1  t 2  . Agar nilai persamaan (20) tetap berlaku maka t 0 harus dikalikan dengan vektor tegangan nol (dapat merupakan V0 atau V7).



Vs1Ts  t 0 V0 / V7   V1t1  V2 t 2 atau Vs1 



t0 V0 / V7   t1 V1  t 2 V2  d 0 V0 / V7   d1V1  d 2 V2 ................. (21) Ts Ts Ts  V2



Vs1



d2



 d0



d1



V1



Gambar 6. Realisasi nilai tegangan yang dibentuk oleh dua buah vector



Dari gambar 6, Vs1 merupakan nilai tegangan yang dihasilkan dari resultan magnitute vektor V1 yang disimbolkan d1 dengan magnitute vektor 2 yang disimbolkan dengan d2. Tegangan Vs1 bekerja pada sektor 1 yang dibentuk dari 4 buah vektor V0 ,V1,V2 dan V7 sehingga menghasilkan logika pensaklaran yang ditunjukkan pada tabel 2



Tabel-2 : logika Switching vector tegangan pada sector 1 V0



V1



V2



V7



U



0



1



1



1



V



0



0



1



1



W



0



0



0



1



Dalam bentuk logika pulsa yang menjalankan saklar daya IGBT pada inverter ditunjukkan pada gambar 7. V0



V1



V2



V7



V2



V1



V0



000



100



110



111



110



100



000



t0 4



t1 2



t2 2



t0 2



t2 2



t1 2



t0 4



U V W



Gambar 7. Logika pulsa vector tegangan pada sector 1



5.3



Sistem konverter 3 fasa Rangkaian daya konverter tiga fasa tiga lengan (three-leg) yang memiliki



enam buah saklar dan sumber tegangan DC. Suatu converter DC to AC jenis sumber tegangan (voltage-type inverter) dan converter AC to DC (rectifier) harus memenuhi dua syarat, yaitu saklar yang terletak pada satu lengan tidak boleh konduksi secara bersamaan hingga menimbulkan arus hubung singkat, dan arus sisi AC harus selalu dijaga kontinuitasnya. Mengacu pada kedua syarat tersebut maka akan terdapat 23 kondisi (delapan kondisi saklar) seperti ditunjukan pada Gambar 8.



s1



s3



s5



G



s1



s3



s5



M



C



s2



s4



s6



s2



s4



RECTIFIER IGBT



s6



INVERTER IGBT



Gambar. 8 Konfigurasi inverter 3 fasa 3 lengan



Konfigurasi konverter 3 fasa 3 lengan dibentuk oleh 6 buah saklar daya dengan masing-masing dua saklar berpasangan untuk menghasilkan setiap fasa untuk setiap lengannya. Lengan “a” dibentuk oleh saklar A pada sisi positif dan saklar A’ pada sisi negatif yang bekerja secara bergantian demikian pula dengan saklar “b” dan “c”. Dengan teknik kendali SPWM maka konfigurasi saklar daya konverter diatas dapat menghasilkan beberapa kemungkinan pensaklaran seperti pada gambar 9.



000



001



010



011



100



101



110



111



Gambar. 9 Konfigurasi saklar daya konverter 3 fasa 3 lengan



Untuk merealisasi konfigurasi saklar daya dengan menggunakan sistem pengendalian space vector control untuk mengendalikan saklar daya IGBT pada konverter 3 fasa dilakukan dengan strategi pengendalian pada gambar 10 :



V



V3



V2



S2



V7







V0



Phasa U V1



S6



S4



V



V



S1



V4



 



V







Phasa V



Abc Abc



Volt/ Volt/ hertz hertz



3 phase IGBT



vektor sektor



Transformation



S3



adjuster



3 phase sinusoidal



q



S5 V5



Abc Swithing time calculator 



Abc Gates logic (deat time)







V6



Phasa W



Ramp Generator



Gambar 10. Diagram blok pengendalian Space vector kontrol



Adjuster volt/Hertz merupakan rangkaian terintegrasi yang berfungsi mengubah dan menghasilkan tegangan DC menjadi besaran frekuensi.



Dalam



rangkaian ini sedemikian rupa sehingga pengaturan tegangan DC secara linier menghasilkan perubahan frekuensi secara linier juga. Frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian volt/hertz merupakan pulsa digital yang berfungsi sebagai clock untuk membangkitkan gelombang diskrit sinusoidal pada mikrokontrol.



Melalui pemrograman pada mikrokontroller dilakukan



pembangkitan sinyal diskrit 3 fasa yang diintegrasikan dengan rangkaian DAC untuk menghasilkan gelombang sinusoidal 3fasa kontinyu. Dari sinusoidal 3 fasa diubah kedalam sistem 2 fasa dengan transformasi clarke dan transformasi park untuk pengolahan vektor kontrol sehingga menghasilkan 2 buah fasa sebagai kerangka acuan gerak atau informasi pada sistem PWM switching.



PWM switching



diimplementasikan dengan rangkaian switching time calculator yang mendapatkaan sinyal carrier dari ramp generator. Dengan metode carrier berupa ramp generator maka dihasilkan switching logic dalam komposisi right align atau left align. Untuk melakukan penyaklaran pada saklar daya IGBT dilakukan pengaturan logic switch yang menghasilkan 6 buah logika gates logic sehingga untuk setiap pasang saklar IGBT konduksi secara berlawanan.



5.4



Strategi pengendalian saklar IGBT Untuk



mengimplementasikan



metode



vector



control



PWM



untuk



mengendalikan converter 3 fasa pada aplikasi turbin angin ini menggunakan saklar daya IGBT type SKM 22GD 123D merupakan general purpose IGBT yang terdiri dari 6 buah switch.



Gambar 11 Saklar daya IGBT 3 fasa



Saklar daya IGBT yang digunakan merupakan produk semikron dengan type N yang terdiri dari 6 buah switch yang dapat dioperasikan dalam 3 lengan bardasar urutan fasa listrik. Setiap saklar terdiri dari gates yaitu tempat pulsa pemicuan, Colector atau drain dan emitor atau source. Untuk menjalankan saklar daya jeis IGBT memerlukan rangkaian driver untuk memindahkan pulsa dari rangkaian kontrol menjadi pulsa pemicuan pada rangkaian daya.



Rangkaian driver



diimplementasikan dengan TLP 250 yang dilengkapi dengan deat time untuk



Deat time



Driver + 15



Inverting CD 4049



Buffer CD 4050



TLP 250 50



Pulsa 1k5



VR 100k



18V



200pF



To gate IGBT



memberikan jeda waktu penyaklaran pada setiap lengan yang berpasangan.



18 V



Ground



Ground



- 15



Gambar 12 Rangkaian driver dengan deadtime



Selain rangkain driver pada setiap aplikasi saklar daya antara gate dan source diberikan sebuah dioda Zener, (dalam aplikasi ini menggunakan zener 18 volt). Dioda zener berfungsi untuk melindungi driver TLP 250 dari umpan balik tegangan daya apabila terjadi hubung singkat pada rangkaian daya. Dipilih nilai 18 volt karena tegangan kerja maksimal driver sebesar 22 volt sehingga apabila terjadi



umpan balik tegangan, zener bisa menahannya pada nilai aman terhadap kerusakan TLP 250.



6.



SASARAN DAN MANFAAT Secara umum hasil penelitian ini diharapkan memberikan menambah



perbendaharaan ilmu dalam bidang kendali vektor



untuk mengendalikan sistem



penyaklaran konverter 3 fasa. Secara khusus memberikan wawasan dalam mengimplementasikan metode vektor kontrol dalam bidang pengndalian motor /generator induksi yang diaplikasikan pada turbin angin sebagai salah satu terobosan dalam bidang renewable energi.



7.



LUARAN KEGIATAN (TARGET)



Berikut adalah target pada penelitian ini : 1. Menghasilkan prototype rangkaian daya rectifier atau inverter yang dapat diimplementasikan sebagai pengendali motor/ generator induksi 3 fasa. 2. Menghasilkan modul vector control secara terpisah yang kompatible terhadap beberapa rangkaian daya sehingga dapat diaplikasikan dalam beberapa aplikasi secara terpisah. 3. Mempublikasikan hasil penelitian ini sehingga menjadi cabang ilmu baru yang bisa dipelajari secara lebih luas.



8.



METODE PENELITIAN Dalam penelitian ini disusun beberapa tahapan yang ditempuh selama 1 tahun



penelitian. Setiap tahapan berisi proses penyelesaian hardware dan software yang mengacu pada pemodelan matematik dan simulasi awal. Dalam pelaksanaannya proses penelitian disusun dalam tahapan kerja sebagai berikut : 1. Menentukan metode dan membuat pemodelan awal untuk memberi gambaran dalam penyusunan blok diagram dan parameter kemponen yang digunakan. 2. Membuat simulasi space vector control dengan program power simulator dengan parameter nilai komponen berdasarkan pemodelan awal yang dilakukan.



3. Merancang dan membuat rangkaian daya converter menggunakan saklar daya IGBT 3 fasa dan rangkaian driver 3 lengan, sehingga rangkaian daya ini dapat diuji secara tersendiri sebagai fungsi inverter ataupun pada fungsi rectifier. 4. Merancang rangkaian kontrol dan sistem minimum microcontroller yang mengacu pada rangkaian simulasi yang telah dibuat dengan software program power simulator. 5. Merealisasi pemrograman perangkat lunak kedalam mikrokontroller din langsung uji coba kedalam system daya converter. 6. Melakukan uji simulasi serta verifikasi lewat perangkat lunak matlab dan Simulink untuk mendapatkan kesesuaian hasil antara realisasi hardware dengan pemodelan sehingga menghasilkan data terukur untuk proses analisa.



9.



ORGANISASI TIM PENGUSUL Nama



No



NIP



Jabatan dalam Tim Alokasi waktu,



Tugas dalam tim



Jam/minggu 1.



Joga Dharma Setiawan,



Ketua tim



PhD



Mengkoordinasi, menjalankan penelitian. Melakukan pemodelan dan analisa secara matematis dengan matlab dan simulink



2.



NIP



15 jam/minggu



E. Agung Nugroho, ST.



Anggota Tim



Membuat simulasi dengan program power simulator. Merealisasi hardware dan mengaplikasikan pemodelan kedalam mikrokontroller.



NIM :21050110400008



10 jam/minggu



10.



JADWAL PELAKSANAAN



Tabel 1. Jadwal Penelitian Tahun ke-1. No 1. 2. 3. 4.



5. 6.



Jadwal kerja ( Dalam bulan) Pemodelan awal dengan matlab dan simulink Membuat simulasi dengan power simulator Merealisasi driver dan rangkaian daya Merancang dan merealisasi rangkaian kontrol dan sistem minimum. Pemrograman mikrokontroller Pengujian alat secara keseluruhan Penyusunan laporan dan publikasi ilmiah



1 ddd ddd



2



3



4



5



6



7



8



9



10



dd dd aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa aaaaaaaa



RINCIAN ANGGARAN PENELITIAN (DALAM RUPIAH) JENIS PENGELUARAN



RINCIAN ANGGARAN YANG DIUSULKAN



Komponen daya (driver dan IGBT)



10.000.000,-



Komponen habis pakai



7.500.000,-



PCB dan system minimum



7.500.000,-



Peralatan



5.000.000,-



Pelaksana (gaji dan upah)



15.000.000,-



Perjalanan



3.000.000,-



Lain-lain



5.000.000,Total Anggaran



53.000.000,-



Daftar Pustaka 1. A. K. Sharma, R. A. Gupta, Laxmi Srivastava, “Performance of ann based indirect vector control induction motor drive”, Journal of Theoretical and Applied Information Technology, 2007 2. Musafa, Akhmad, “Simulasi Perancangan Pengendali Vektor Arus Pada Motor Induksi 3 Fasa dengan C-MEX S-FUNCTION”, Seminar, Universitas Indonesia, 2007.



3. Nguyen Phung Quang, Jörg-Andreas Dittrich, “vector control of three phase AC Machine”, e-ISBN: 978-3-540-79029-7, September 1965 4. Ojo,O., Consoli, A., dan Lipo, T.A., 1990, “An Improved Model of Saturated Induction Machines”, IEEE Trans. on Industry Applications, vol 26 no 2, maret, 1990 5. Rahsyid M.H, “Power Electronics: Circuits, Devices and Applications”, PT Prehallindo, Jakarta, 1999. 6. Riyadi, Slamet, “Penggerak kecepatan variable pada motor induksi tiga fasa berbasis V/Hz dan Direct torque control “, Unika Soegijapranata, 2010 7. Soemarto, “Metode Baru Dalam Identifikasi Parameter Motor Induksi“, Epsilon : Journal of Electrical Engineering and Information Technology Vol. 1, No. 1, July 2003. 8. Trzynadlowsky Andrzej M, “Control of induction motors”, department of electrical engineering university of Nevada, 2001 9. Zhenyu Yu and David Figoli, “AC Induction Motor Control Using Constant V/Hz Principle and Space Vector PWM Technique with TMS320C240”, Texas Instruments Incorporated, April, 1998. 10. Simoes, M.G, Farret, F.A, “Renewable energy systems Design and Analysis with Induction Generator”,Crc press, Boca raton, Florida, 2004 11. SZABÓ C, Maria IMECS, Ioan Iov, Incze, ” Volt-Hertz Hontrol of the Synchronous Motor With Ramp Exciting Voltage”, Annals of the University of Craiova, Electrical Engineering series, No. 30, 2006. 12. “Field Orientated Control of 3-Phase AC-Motors”, Literature Number: BPRA073, Texas Instruments Europe, February 1998 13. www.st.com, “Flux control simulink and software library of a PMSM”, Application note, AN2290, March 2007



LAMPIRAN-LAMPIRAN BIODATA PENGUSUL HIBAH KOMPETENSI I. IDENTITAS DIRI 1.1. Nama Lengkap (dengan gelar) 1.2. Jabatan Fungsional 1.3. NIP/NIK/No. identitas lainnya 1.4. Tempat dan Tanggal Lahir 1.5. Alamat Rumah 1.6. Nomor Telepon/Fax 1.7. Nomor HP 1.8. Alamat Kantor 1.9. Nomor/Telepon 1.10. Alamat e-mail 1.11. Lulusan yang telah dihasilkan 1.12. Mata Kuliah yang diampu



II. RIWAYAT PENDIDIKAN 2.1. Program: 2.2. Nama PT 2.3. Bidang Ilmu 2.4. Tahun Masuk 2.5. Tahun Lulus 2.6. Judul Skripsi/Tesis/Disertasi 2.7. Nama Pembimbing/Promotor



Yoga Dharma Setiawan, PhD



Jl. Prof. Sudharto Tembalang Semarang (024) 746 0057



S1



S2



S3



III. PENGALAMAN PENELITIAN (Sebagai Ketua) No.



Tahun



Judul Penelitian



Pendanaan Sumber



1 2 3 4



Jmlh



IV. PENGALAMAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT (Sebagai Ketua) No. Tahun Judul Pengabdian Kepada Pendanaan Masyarakat Sumber Jmlh 1 V. PENGALAMAN PENULISAN ARTIKEL ILMIAH DALAM JURNAL No. Tahun Judul Artikel Ilmiah Volume/Nomor Nama Jurnal 1 2 3 4 5 6 7 8



VI. PENGALAMAN PENULISAN BUKU No. Tahun Judul Buku



Jumlah Halaman



Penerbit



1 2



No. 1 2



Tahun



VII. PENGALAMAN PEROLEHAN HKI Judul/Tema HKI Jenis Nomor Pendaftaran/Sertifikat



VI. PENGALAMAN RUMUSAN KEBIJAKAN PUBLIK/REKAYASA SOSIAL LAINNYA No. Tahun Judul/Tema/Jenis Rekayasa Tempat Respon Sosial Lainnya yang telah Penerapan Masyarakat diterapkan 1 2



Semua data yang saya isikan dan tercantum dalam biodata ini adalah benar dan dapat dipertanggung jawabkan secara hukum. Dan apabila dikemudian hari ternyata dijumpai ketidak sesuaian dengan kenyataan, saya sanggup menerima resikonya. Demikian biodata ini saya buat dengan sebenarnya untuk memenuhi persyaratan sebagai salah satu syarat pengajuan hibah penelitian kompetensi.



Semarang, .............................. Pengusul



Yoga Dharma Setiawan, PhD NIP. 19681110 2005011001



BIODATA/DAFTAR RIWAYAT HIDUP PENELITI ANGGOTA TIM PENELITI: Nama : Emmanuel Agung Nugroho, ST Jenis Kelamin : Laki-laki Tempat, Tanggal Lahir : Kab. Semarang , 7 April 1978 Pekerjaan : Mahasiswa program pascasarjana Magister Teknik Mesin Universitas Diponegoro Semarang Pendidikan: Tingkat Pendidikan Sarjana Pascasarjana



Universitas Universitas Semarang Universitas Diponegoro Semarang



Tahun Selesai 2005



Bidang Studi / Spesialisasi Elektronika Mekatronika



Semarang, 12 Januari 2011



Emmanuel Agung Nugroho, ST