SKRIPSI
PERBANDINGAN PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN INVERTER PULSE WIDTH MODULATION (PWM) DAN SINUSOIDAL PULSE WIDTH MODULATION (SPWM)
Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi
Teknik Energi Listrik
Oleh
ADI SUBRATA SILALAHI NIM : 140402072
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN
2021
ii ABSTRAK
Motor induksi atau disebut dengan motor asinkron adalah jenis motor listrik AC yang bekerja berdasarkan induksi pada medan magnet yang berada di antara rotor dan stator. Disebut motor induksi karena motor dapat bekerja bila konduktor rotor terinduksi oleh medan putar magnet pada stator. Disebut motor asinkron karena motor ini bekerja berdasarkan adanya perbedaan antara putaran medan stator dan putaran rotor. Motor induksi sangat banyak digunakan, terutama di industri- industri karena memiliki kelebihan, yaitu konstruksi motor yang sederhana dan kokoh, harga relatif lebih murah, perawatannya lebih mudah dibanding dengan jenis motor lainnya. Disamping kelebihannya itu, ternyata motor induksi tiga fasa juga mempunyai kelemahan yaitu kecepatan putarnya sulit dikendalikan yang mengakibatkan kecepatannya tidak bervariasi. Kecepatan motor induksi tersebut dipengaruhi oleh frekuensi suplai motor dan banyaknya kutub pada motor. Untuk mengendalikan kecepatan motor induksi tersebut dapat dilakukan dengan mengubah frekuensi suplai motor, yang dilakukan menggunakan inverter yang dinamakan dengan Variable Frequency Drive (VFD) atau biasa disebut Variable Speed Drive (VSD). Dalam skripsi ini, dilakukan perbandingan simulasi dengan Matlab antara metode pengendalian kecepatan motor induksi Pulse Width Modulation (PWM) dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Hasil akhir yang diperoleh ialah pengendalian PWM menunjukkan efisiensi motor induksi yang paling baik mencapai 83.44 %. Pada keadaan steady state, metode pengendalian PWM adalah metode yang paling baik dalam hal respon kecepatan berupa delay time, rise time, peak time, settling time, dan error maximum overshoot.
Kata Kunci: motor induksi, pengendalian kecepatan, PWM, SPWM
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala berkat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi dengan judul “Perbandingan Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa dengan Inverter Pulse Width Modulation (PWM) dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)”. Penulis telah banyak menerima bimbingan, saran, motivasi dan doa dari berbagai pihak selama penulisan skripsi ini. Penulisan skripsi ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
Skripsi ini saya persembahkan khusus untuk orangtua saya yang tercinta Halomoan Silalahi dan Kristina Purba, saudara saya yang tersayang Kak Nova Widya Ningsih Silalahi, Kak Idola Putri Silalahi, Bang Christovel Micael Silalahi, dan Adek Jimmi Erikson Silalahi yang selama pengerjaan skripsi ini selalu memberikan doa, nasihat, bimbingan, bantuan serta dukungannya. Terima kasih atas doa, bantuan, serta dukungan yang selama ini menyertai saya.
Penulis menyadari terdapat keterbatasan pengetahuan dalam menyelesaikan skripsi ini, sehingga tidak terlepas dari bantuan berbagai pihak, maka dalam kesempatan ini dengan segala kerendahan hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :
1. Bapak Ir. Raja Harahap, M.T., sebagai Dosen Pembimbing Skripsi penulis yang telah menyediakan waktu, pemikiran, bimbingan, serta petunjuk dalam menyelesaikan skripsi ini dari awal penulisan hingga selesainya skripsi ini.
2. Bapak Ir. Hendra Zulkarnain, M.T. dan Bapak Dr. Ir. Fahmi, ST, M.Sc, IPM, ASEAN Eng selaku Dosen Penguji penulis yang telah banyak mengoreksi dan memberikan masukan sehingga skripsi ini dapat diselesaikan dengan baik.
3. Ibu Naemah Mubarakah, ST, MT, selaku Dosen Pembimbing Akademik penulis yang telah banyak membimbing penulis dalam menempuh perkuliahan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas
iv Sumatera Utara.
4. Bapak Dr. Ir. Fahmi, ST, M.Sc, IPM, ASEAN Eng dan Bapak Ir. Arman Sani, M.T. selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
5. Orangtua penulis yang terkasih, Halomoan Silalahi dan Kristina Purba, serta saudara-saudara penulis yang tersayang, Kak Nova Widya Ningsih Silalahi, Kak Idola Putri Silalahi, Bang Christovel Micael Silalahi dan Adek Jimmi Erikson Silalahi. Terimakasih banyak atas kasih sayang, motivasi, nasehat, doa, dukungan, serta bantuan materi yang telah diberikan selama saya menempuh perkuliahan di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
6. Seluruh teman-teman Elektro stambuk 2014, khususnya teman-teman seperjuangan : Stevenson Roy Lubis , Ricandra Sembiring, Selamat Febri Sitanggang, Viking Marpaung, dan yang namanya tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah mendukung dan memberikan kritik dan sarannya selama pengerjaan skripsi ini.
7. Beserta seluruh pihak yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu, terima kasih atas segala bentuk bantuan yang diberikan kepada saya.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa membalas budi dan pengorbanan yang diberikan. Penulis yakin bahwa skripsi ini masih belum sempurna, sehingga atas semua kekurangan dan kelemahan dalam penyusunannya penulis harapkan kritik, dan saran untuk penulisan selanjutnya. Akhir kata, penulis berharap skripsi ini dapat memberikan manfaat untuk para pembaca.
Medan, 29 Mei 2021
Penulis,
Adi Subrata Silalahi NIM.140402072
v DAFTAR ISI
ABSTRAK ... ii
KATA PENGANTAR ... iii
DAFTAR ISI ... v
DAFTAR GAMBAR ... viii
DAFTAR TABEL ... x
BAB 1 PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang Masalah ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 3
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Manfaat Penelitian ... 3
1.5 Batasan Masalah ... 3
BAB 2 DASAR TEORI ... 5
2.1 Motor Induksi ... 5
2.1.1 Konstruksi Motor Induksi ... 6
2.1.1.1Stator ... 6
2.1.1.2Rotor ... 7
2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi ... 9
2.2 Inverter ... 10
2.3 Pengaturan Motor Induksi Tiga Fasa ... 12
2.3.1 Pulse Width Modulation (PWM) ... 13
2.3.2 Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) ... 14
2.4 Tanggapan – Tanggapan Sistem ... 15
2.4.1 Karakteristik Respon Waktu (Time Response) ... 15
2.4.2 Spesifikasi Tanggapan Transient ... 16
2.5 Efisiensi Motor Induksi ... 18
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN ... 21
3.1 Waktu dan Tempat ... 21
3.2 Bahan dan Peralatan ... 21
3.2.1 Bahan Penelitian ... 21
3.2.2 Alat Penelitian ... 21
vi
3.3 Variabel yang Diamati ... 21
3.4 Prosedur Penelitian ... 22
3.4.1 Diagram Alir ... 22
3.4.2 Tahapan Penelitian ... 23
3.4.2.1Inverter Pulse Width Modulation (PWM)... 23
3.4.2.2Inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) ... 24
BAB 4 SIMULASI DAN ANALISIS... 25
4.1 Perolehan Data ... 25
4.2 Simulasi Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter Metode Pulse Width Modulation (PWM) ... 26
4.2.1 Tahapan Tahapan Simulasi Inverter PWM ... 26
4.2.2 Hasil Simulasi Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter PWM ... 29
4.2.2.1Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 29
4.2.2.2Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 31
4.2.2.3Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 32
4.2.2.4Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 33
4.2.2.5Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 35
4.2.2.6Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 36
4.2.2.7Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 38
4.2.2.8Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 39
4.3 Simulasi Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter Metode Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) ... 41
4.3.1 Tahapan Tahapan Simulasi Inverter SPWM ... 42
4.3.2 Hasil Simulasi Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter SPWM ... 44
4.3.2.1Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 44
vii
4.3.2.2Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi
Beban 5 Nm... 45
4.3.2.3Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 47
4.3.2.4Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 48
4.3.2.5Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 50
4.3.2.6Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 51
4.3.2.7Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm... 52
4.3.2.8Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm... 54
4.4 Perbandingan Simulasi PWM dengan SPWM ... 55
4.4.1 Perbandingan dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm ... 55
4.4.2 Perbandingan dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm ... 56
4.4.3 Perbandingan dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm ... 57
4.4.4 Perbandingan dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm ... 58
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN ... 59
5.1 Kesimpulan ... 59
5.2 Saran ... 59
DAFTAR PUSTAKA ... 60
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi ... 6
Gambar 2.2 Bagian-bagian motor induksi ... 6
Gambar 2.3 Stator dan rotor pada motor induksi 3 fasa ... 7
Gambar 2.4 Rotor belitan pada motor induksi 3 fasa ... 8
Gambar 2.5 Rotor sangkar pada motor induksi 3 fasa ... 8
Gambar 2.6 Rangkaian untuk menggambarkan prinsip inverter ... 11
Gambar 2.7 Rangkaian inverter satu fasa ... 12
Gambar 2.8 Rangkaian inverter tiga fasa ... 12
Gambar 2.9 Pembangkitan PWM secara analog ... 13
Gambar 2.10 Pembangkitan sinyal SPWM ... 15
Gambar 2.11 Spesifikasi tanggapan transient orde dua fungsi unit-step ... 16
Gambar 2.12 Aliran daya motor induksi ... 20
Gambar 3.1 Flowchart penelitian ... 22
Gambar 4.1 Rangkaian PWM... 26
Gambar 4.2 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 30
Gambar 4.3 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 31
Gambar 4.4 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 32
Gambar 4.5 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 34
Gambar 4.6 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 35
Gambar 4.7 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 37
Gambar 4.8 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 38
Gambar 4.9 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 40
Gambar 4.10 Rangkaian Inverter SPWM dan Motor Induksi ... 41
Gambar 4.11 Rangkaian SPWM ... 41
Gambar 4.12 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 44
ix
Gambar 4.13 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 46 Gambar 4.14 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 47 Gambar 4.15 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 49 Gambar 4.16 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 50 Gambar 4.17 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 51 Gambar 4.18 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 3 Nm ... 53 Gambar 4.19 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 5 Nm ... 54
x
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Spesifikasi motor induksi dan kontroler ... 25 Tabel 4.2 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 3 Nm ... 30 Tabel 4.3 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 5 Nm ... 32 Tabel 4.4 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 3 Nm ... 33 Tabel 4.5 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 5 Nm ... 35 Tabel 4.6 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 3 Nm ... 36 Tabel 4.7 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 5 Nm ... 38 Tabel 4.8 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 3 Nm ... 39 Tabel 4.9 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 5 Nm ... 40 Tabel 4.10 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 3 Nm ... 45 Tabel 4.11 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 5 Nm ... 47 Tabel 4.12 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 3 Nm ... 48 Tabel 4.13 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 5 Nm ... 49 Tabel 4.14 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 3 Nm ... 51 Tabel 4.15 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 5 Nm ... 52 Tabel 4.16 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 3 Nm ... 54 Tabel 4.17 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 5 Nm ... 55 Tabel 4.18 Hasil simulasi pengendali kecepatan motor induksi dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm ... 55
xi
Tabel 4.19 Hasil simulasi pengendali kecepatan motor induksi dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm ... 56 Tabel 4.20 Hasil simulasi pengendali kecepatan motor induksi dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm ... 57 Tabel 4.21 Hasil simulasi pengendali kecepatan motor induksi dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm ... 58
1 BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Motor induksi atau disebut dengan motor asinkron adalah jenis motor listrik AC yang bekerja berdasarkan induksi pada medan magnet yang berada di antara rotor dan stator. Disebut motor induksi karena motor dapat bekerja bila konduktor rotor terinduksi oleh medan putar magnet pada stator. Disebut motor asinkron karena motor ini bekerja berdasarkan adanya perbedaan antara putaran medan stator dan putaran rotor. Motor induksi sangat banyak digunakan didalam kehidupan sehari-hari baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai ialah motor induksi tiga fasa. Motor induksi tiga fasa dioperasikan pada sistem tenaga tiga fasa dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri dengan kapasitas yang besar.
Motor induksi tiga fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu konstruksi sangat kuat dan sederhana, harganya relatif murah untuk industri, kehandalannya tinggi, efisiensinya relatif tinggi, dan biaya pemeliharaan rendah. Disamping kelebihannya itu, ternyata motor induksi tiga fasa juga mempunyai kelemahan yaitu kecepatan putarnya sulit dikendalikan yang mengakibatkan kecepatannya tidak bervariasi.
Kecepatan motor induksi dipengaruhi oleh frekuensi suplai motor dan banyaknya kutub pada motor. Pada dasarnya, kecepatan motor induksi dapat dikendalikan dengan mengubah frekuensi suplai motor. Pengaturan kecepatan
2
motor induksi dengan mengubah frekuensi suplai, dapat dilakukan menggunakan inverter dengan mengubah tegangan input dc menjadi tegangan ac. Jadi, untuk mengatasi kelemahannya itu dibutuhkan suatu alat pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa berupa inverter. Dan untuk mengubah frekuensi suplai motor induksi dibutuhkan suatu metode pengendalian pada inverter tersebut.
Penelitian yang dilakukan oleh Sardiyanto pada tahun 2011 yang berjudul
“Pembuatan Modul Inverter 3 Fasa Sinusoidal Pulse Width Modulation Sebagai Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3 Fasa Terhubung Segitiga 220 Volt” telah membahas pengendalian kecepatan motor induksi tiga fasa dengan perancangan alat berupa modul inverter tiga fasa Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) [9].
Berdasarkan penelitian sebelumnya tersebut, maka hal inilah yang menjadi landasan penulis untuk melakukan penelitian pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan menggunakan cara selain perancangan modul seperti pada penelitian sebelumnya tersebut. Pada skripsi ini, penulis melakukan simulasi dengan software Matlab Simulink dalam pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa. Metode pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa yang dipakai pada penelitian ini ialah metode Pulse Width Modulation (PWM), dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Dimana nantinya kedua metode tersebut akan dilakukan perbandingan. Dengan diperolehnya hasil perbandingan diharapkan dapat ditentukan kinerja metode pengendalian mana yang lebih optimum.
3 1.2 Perumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang masalah tersebut, maka rumusan masalah dari penelitian ini adalah :
1. Bagaimana perbandingan respon kecepatan serta efisiensi motor induksi tiga fasa pada metode pengendalian PWM dengan SPWM.
1.3 Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai dalam pelaksanaan penelitian ini adalah :
1. Mendapatkan hasil perbandingan respon kecepatan serta efisiensi motor induksi tiga fasa pada metode pengendalian PWM dengan SPWM.
1.4 Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan hasil perbandingan respon kecepatan serta efisiensi motor induksi tiga fasa pada metode pengendalian PWM dengan SPWM., sehingga diketahui metode pengendalian mana yang mampu memberikan hasil yang lebih baik.
1.5 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah dari penelitian ini ialah :
1. Penelitian ini dilakukan dengan metode simulasi dengan menggunakan software MATLAB R2017b di perangkat laptop.
2. Parameter - parameter masukan/input dalam melakukan simulasi adalah kecepatan referensi dan torsi beban.
3. Parameter-parameter kecepatan yang diamati dari hasil simulasi adalah kecepatan motor pada saat kondisi steady state dan overshoot.
4
4. Parameter-parameter respon waktu kecepatan yang diamati dari hasil simulasi adalah delay time, rise time, peak time, settling time dan maximum overshoot.
5. Parameter-parameter yang dibandingkan dari hasil simulasi adalah delay time, rise time, peak time, settling time, maximum overshoot, dan efisiensi motor induksi.
6. Pada skripsi ini, inverter menggunakan sumber daya DC yang diaplikasikan pada sepeda motor listrik.
5 BAB 2 DASAR TEORI
2.1 Motor Induksi
Motor induksi adalah motor arus bolak-balik yang mana arus rotornya merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator [1]. Motor induksi atau asinkron merupakan motor arus bolak-balik (ac) yang penggunaannya sangat luas, terutama di bidang perindustrian, dimana keunggulannya adalah konstruksi motor yang sederhana dan kokoh, harga relatif lebih murah, perawatannya lebih mudah dibanding dengan jenis motor lainnya, seperti motor dc dan motor sinkron, dan efisiensi yang cukup tinggi karena tidak ada brushes (sikat) seperti yang ada pada motor dc sehingga rugi-rugi gesek berkurang.
Motor induksi yang umum digunakan adalah motor induksi 3 fasa dan 1 fasa. Motor induksi 3 fasa dioperasikan pada sistem 3 fasa dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri dengan kapasitas yang besar. Motor induksi 1 fasa dioperasikan pada sistem tenaga 1 fasa dan banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, dan sebagainya, karena motor induksi 1 fasa mempunyai daya keluaran yang relatif rendah.
6 2.1.1 Konstruksi Motor Induksi
Secara sederhana, konstruksi motor induksi terdiri atas rotor (bagian yang bergerak) dan stator (bagian yang diam) yang ditunjukkkan Gambar 2.1 dan Gambar 2.2.
Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi
Gambar 2.2 Bagian-bagian motor induksi
2.1.1.1 Stator
Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar dan terletak pada bagian luar, seperti terlihat pada Gambar 2.3. Dibuat dari besi bundar dan mempunyai alur-alur sebagai tempat meletakkan kumparan. Stator terbuat dari sejumlah stamping (kaki) yang membentuk slot, tempat belitan-belitannya.
Belitan pada stator adalah satu phasa yang dihubungkan dengan sumber satu phasa. Belitannya dibelitkan untuk sejumlah kutub tertentu, dimana jumlah pastinya ditentukan dari kecepatan yang dibutuhkan. Semakin besar jumlah kutub, kecepatan putarnya semakin berkurang dan sebaliknya.
7
Gambar 2.3 Stator dan rotor pada motor induksi 3 fasa
2.1.1.2 Rotor
Berdasarkan jenis rotor yang digunakan, motor induksi dapat dibedakan menjadi dua jenis, yaitu :
1. Rotor belitan
Motor Induksi jenis ini mempunyai rotor dengan belitan kumparan tiga phasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor juga mempunyai jumlah kutub yang sama. Rotor yang mempunyai tiga belitan yang mirip dengan belitan stator. Ketiga belitan tersebut biasanya terhubung bintang. Ujung-ujung belitan tersebut dihubungkan dengan slipring yang terdapat pada poros rotor.
Belitan-belitan tersebut dihubung singkat melalui sikat (brush) yang menempel pada slipring, seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.
8
Gambar 2.4 Rotor belitan pada motor induksi 3 fasa
2. Rotor Sangkar
Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang penghantar yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor.Ujung-ujung batang penghantar dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat. Maka jenis rotor belitan dan rotor sangkar dapat dilihat pada Gambar 2.5.
Gambar 2.5 Rotor sangkar pada motor induksi 3 fasa
9 2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi
Pada dasarnya ada beberapa prinsip penting pada motor induksi, yaitu : 1. Apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, maka
pada kumparan tersebut akan timbul medan magnet putar dengan kecepatan.
Ns = (rpm) (2.1)
Dimana:
NS = Kecepatan sinkron f = Frekuensi
p = Jumlah kutub
2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.
3. Akibatnya pada kumparan rotor timbul gaya gerak listrik induksi (ggl) sebesar :
E2s = 4,44. F2.Nr.Φm (2.2) Dimana:
E2S = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt) F2 = Frekuensi rotor (50 hz)
Nr = Jumlah lilitan kumparaan rotor Φm = Fluks maksimum (Wb)
4. Karena rangkaian kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl (E) akan menghasilkan arus rotor (Ir).
5. Adanya arus didalam medan magnet putar, akan timbul gaya lorentz (F) pada rotor.
10
6. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memukul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
7. Seperti yang telah dijelaskan pada point (3) tegangan induksi rotor timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator, artinya agar tegangan terinduksi diperlukan perbedaan relatif antara kecepatan putar medan stator (Ns) dengan kecepatan medan rotor (Nr).
8. Perbedaan kecepatan antara Ns dan Nr disebut slip (s).
S = x 100% (2.3) 9. Bila Nr = Ns, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada
rotor, dengan demikian tidak akan menghasilkan kopel.
Kopel motor akan timbul apabila Nr lebih kecil dari Ns.
2.2 Inverter
Yang dimaksud dengan inverter adalah suatu rangkaian yang mampu mengubah tegangan dc menjadi ac [1]. Inverter memberikan metode yang efisien dan ekonomis untuk memperoleh perubahan dari dc ke ac. Rangkaian inverter pada dasarnya adalah tipe pencincang (chopper). Dalam rangkaian pencincang, catu dc secara bergantian dibuka dan ditutup atau dicincang oleh alat pensakelaran seperti transistor atau SCR. Dengan mengubah baik perbandingan waktu on sampai off dari alat pensakelaran maupun laju pengulangan pensakelaran, maka tegangan rata-rata dan frekuensi keluaran pencincang dapat dikendalikan [2].
Prinsip kerja dasar inverter dapat digambarkan dengan cara sederhana oleh rangkaian yang ditunjukkan dalam Gambar 2.6. Dalam rangkaian tersebut,
11
ditunjukkan 2 buah sakelar yaitu, S1 dan S2. Jika kedua sakelar terbuka, maka dalam rangkaian tidak ada arus yang mengalir. Jika sakelar S1 ditutup, mengalir arus Id1 seperti arah yang ditunjukkan, dan jika sakelar S2 ditutup, mengalir arus Id2 seperti yang ditunjukkan. Jika sakelar S1 dan S2 secara bergantian dibuka dan ditutup, maka pada terminal beban dari rangkaian keluaran akan dibangkitkan tegangan bolak-balik [2].
Gambar 2.6 Rangkaian untuk menggambarkan prinsip inverter
Inverter terdiri atas komponen semikonduktor MOSFET atau Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) yang berfungsi sebagai pensaklaran . Berdasarkan sumber tegangan yang dihasilkan, inverter dibagi menjadi inverter satu fasa dan inverter tiga fasa, seperti yang ada pada Gambar 2.7 dan Gambar 2.8. Pada skripsi ini, inverter menggunakan sumber daya DC yang diaplikasikan pada sepeda motor listrik.
12
Gambar 2.7 Rangkaian inverter satu fasa
Gambar 2.8 Rangkaian inverter tiga fasa
2.3 Pengaturan Motor Induksi Tiga Fasa
Inverter dapat dikendalikan dengan beberapa metode, yaitu Pulse Width Modulation (PWM) dan Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Inverter- inverter tersebut adalah alat yang digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi..
13 2.3.1 Pulse Width Modulation (PWM)
PWM merupakan sebuah mekanisme untuk membangkitkan sinyal keluaran yang periodenya berulang antara high (tinggi) dan low (rendah) dimana kita dapat mengontrol durasi sinyal high (tinggi) dan low (rendah) sesuai dengan yang kita inginkan. Duty cycle merupakan presentase periode sinyal high (tinggi) dan periode sinyal low (rendah), persentase duty cycle akan berbanding lurus dengan tegangan rata-rata yang dihasilkan [6]. Nilai rata-rata tegangan dan arus yang diberikan kepada beban dikendalikan dengan memutar saklar (switch) antara sumber dengan beban ON dan OFF pada kecepatan tinggi. Semakin lama saklar ON dibandingkan dengan periode OFF, semakin tinggi jumlah daya yang diberikan kepada beban. Istilah siklus kerja (duty cycle) menggambarkan perbandingan dari waktu „ON‟ terhadap waktu total atau „periode‟. Duty cycle dinyatakan dalam persen (%).
Keuntungan utama dari PWM adalah rugi daya pada peralatan pensaklaran (switching) lebih rendah. Ketika saklar OFF tidak ada arus yang mengalir sama sekali. Ketika ON daya dikirimkan kepada beban, hampir tidak ada tegangan jatuh pada saklar.
Gambar 2.9 Pembangkitan PWM secara analog
14
Saat masukan sinyal segitiga masih lebih rendah dari sinyal dc pembandingnya maka keluaran komparator akan rendah atau OFF. Ketika sinyal segitiga telah lebih tinggi dari sinyal DC maka keluaran komparator akan tinggi atau ON. Maka dengan mengubah nilai tegangan dc-nya akan mempengaruhi perbandingan panjang gelombang tinggi terhadap tingginya atau yang disebut dengan duty cycle (D).
Cara paling sederhana untuk mendapatkan sinyal PWM adalah dengan metode interseksi, yang membutuhkan gelombang gergaji atau gelombang segitiga dan komparator seperti ditunjukkan pada Gambar 2.9 Pembangkitan PWM secara analog. Frekuensi gelombang gergaji akan sama dengan frekuensi PWM. Komparator digunakan sebagai penghasil gelombang kotak dengan membandingkan masukannya [5].
2.3.2 Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)
Metode pengendalian SPWM merupakan modulasi sinyal yang membandingkan sinyal referensi berupa gelombang sinusoidal frekuensi rendah dengan sinyal carrier berupa gelombang segitiga pada frekuensi tinggi dalam suatu perbandingan amplitudo yang disebut dengan indeks modulasi [4]. Indeks modulasi dinyatakan dengan:
M = (2.4)
Dengan: M = Indeks modulasi
Ar = Amplitudo gelombang sinus Ac = Amplitudo gelombang segitiga
15
Prinsip kerja pembangkitan sinyal SPWM adalah pengaturan gelombang sinusoida untuk menghasilkan lebar pulsa, hal ini ditunjukkan pada Gambar 2.10 Pembangkitan sinyal SPWM.
Gambar 2.10 Pembangkitan sinyal SPWM
Pada Gambar 2.10 Pembangkitan sinyal SPWM menunjukkan modulasi sinyal referensi berupa gelombang sinus dengan sinyal carrier berupa gelombang segitiga. Modulasi kedua gelombang tersebut menghasilkan pulsa pengendali saklar daya inverter [4].
2.4 Tanggapan – Tanggapan Sistem
2.4.1 Karakteristik Respon Waktu (Time Response)
Karakteristik respon waktu adalah karakteristik respon yang spesifikasi performansinya didasarkan pada pengamatan bentuk respon output sistem terhadap berubahnya waktu. Secara umum, spesifikasi performansi respon waktu dapat dibagi atas dua tahapan pengamatan, yaitu:
a. Spesifikasi Respon Transient, adalah spesifikasi respon sistem yang diamati mulai saat terjadinya perubahan sinyal input atau gangguan atau beban sampai respon masuk dalam keadaan steady state.
16
b. Spesifikasi Respon Steady State, adalah spesifikasi respon sistem yang diamati mulai saat respon masuk dalam keadaan steady state sampai waktu tak terbatas.
2.4.2 Spesifikasi Tanggapan Transient
Gambar 2.11 Spesifikasi tanggapan transient orde dua fungsi unit-step Tanggapan transient suatu sistem terhadap masukan unit step tergantung transient terhadap variasi sistem, terdapat cara praktis yang biasa digunakan.
Yaitu, dengan syarat awal standar bahwa sistem mula-mula diam dengan keluaran dan semua turunan waktunya nol. Dengan demikian, karakteristik tanggapannya dapat dengan mudah dibandingkan. Spesifikasi keluaran tanggapan transient orde dua untuk masukan fungsi unit-step diberikan pada Gambar 2.11.
Tanggapan transient suatu sistem kontrol secara praktek selalu menunjukkan osilasi teredam sebelum mencapai keadaan steady state. Dalam menggolongkan karakteristik tanggapan transient suatu sistem kontrol terhadap masukan unit step, umum dikelompokkan sebagai berikut [3]:
17 1. Waktu Tunda (delay time),
Waktu tunda adalah waktu yang diperlukan oleh tanggapan untuk mencapai setengah nilai akhir untuk waktu yang pertama.
2. Waktu Naik (rise time),
Waktu naik adalah waktu yang diperlukan oleh tanggapan untuk naik dari 0%
menjadi 100% dari nilai akhir yang digunakan.
3. Waktu puncak (peak time),
Waktu puncak adalah waktu yang diperlukan tanggapan untuk mencapai puncak pertama overshoot.
4. Maksimum overshoot,
Overshoot maksimum adalah nilai puncak kurva tegangan di ukur dari satuan.
Apabila nilai akhir keadaan steady state (tunak) tanggapannya jauh lebih dari satu, maka biasa digunakan persen overshoot maksimum, dan didefinisikan oleh :
Maksimum overshoot (2.5)
Dimana :
Besarnya persen overshoot maksimum menunjukkan kestabilan relatif dari sistem.
5. Waktu turun (settling time),
18
Waktu turun adalah waktu yang diperlukan untuk menanggapi kurva agar dapat mencapai dan tetap berada dalam gugus nilai akhir ukuran yang disederhanakan dengan persentase mutlak harga akhirnya (biasanya 5% atau 2% atau 0.5%).
6. Error Steady State (Ess)
Error Steady State adalah sinyal kesalahan yang merupakan selisih dari nilai referensi dengan nilai sebenarnya pada waktu tak terhingga.
(Ess) = x 100% (2.6)
2.5 Efisiensi Motor Induksi
Efisiensi motor induksi diketahui dari aliran daya motor induksi yaitu perbandingan antara daya keluaran dengan daya masukan. Bagian masukan daya ke motor Pin adalah diserap atau dikonsumsi pada rangkaian stator dalam bentuk rugi-rugi kumparan Pcu1 dan rugi-rugi besi Piron. Sisa daya Pg mengalir lewat melalui celah-udara ke rangkaian rotor. Sisa daya Pg mengalir lewat melalui celah udara ke rangkaian rotor. Daya demikian disebut daya celah-udara, Pg masuk ke kumparan rotor, sebagian dikonsumsi tahanan rotor sebagai rugi-rugi tembaga Pcu2
dan sisanya disebut daya yang dibangkitkan Pd. Bagian dari daya yang dibangkitkan adalah rugi-rugi rotasi Protational karena gesekan, tahanan-angin, dsb;
dan sisanya adalah daya keluaran Pout yang akan dikonsumsi beban. Daya masukan dapat dihitung sebagai berikut:
𝑃𝑖𝑛 = √ 𝑉𝐼s cos𝝋 (2.7) Dimana V adalah tegangan fasa sumber dan cos 𝝋 adalah faktor daya.
Rugi-rugi rotor, daya yang dibangkitkan disajikan pada persamaan dibawah ini:
19
𝑃𝑐𝑢2 = 3 x (𝐼2′)2 x 𝑅2′ = 𝑠𝑃𝑔 (2.8) 𝑃𝑑 = 𝑃𝑔 − 𝑃𝑐𝑢2 = 3 x (𝐼2′)2 x 𝑅2′ x 𝑠(1 − 𝑠) = 𝑃𝑔(1 − 𝑠) (2.9) Daya yang dibangkitkan motor adalah daya poros yang dikonsumsi oleh beban mekanik ditambah rugi-rugi rotasi. Daya motor induksi dapat disajikan dengan komponen mekanika seperti torsi dan kecepatan. Bentuk pertama daya mekanik adalah daya celah-udara, yang sama dengan torsi yang dibangkitkan Td oleh fluks (gaya Lorentz) kali kecepatan fluks ωs.
𝑃𝑔 = 𝑇𝑑𝜔𝑠 (2.10)
Bentuk kedua dari daya mekanik adalah daya yang dibangkitkan,
𝑃𝑑 = (1 − 𝑠) = (1 − 𝑠) = 𝑇𝑑𝜔m (2.11) dimana ωm adalah kecepatan rotor
Rugi-rugi rotasi mereduksi torsi, sehingga daya keluaran adalah
𝑃𝑜𝑢𝑡 = 𝑇m 𝜔m (2.12) dimana Tm adalah torsi beban.
Efisiensi motor induksi dirumuskan pada persamaan
ᶯ
= x 100% (2.13)Dimana Pin adalah daya aktif.
Berdasarkan analisa di atas, diagram aliran daya motor induksi sekarang dapat disajikan dalam bentuk lebih detail seperti pada Gambar 2.12 [8].
20
Gambar 2.12 Aliran daya motor induksi
21 BAB 3
METODOLOGI PENELITIAN 3.1 Waktu dan Tempat
Penelitian dilaksanakan dengan simulasi menggunakan komputer laptop dengan memanfaatkan bantuan software MATLAB@Simulink R2017b. Lama penelitian direncanakan selama 2 bulan.
3.2 Bahan dan Peralatan
3.2.1 Bahan Penelitian
Bahan yang digunakan untuk melakukan penelitian ini adalah jurnal dan buku sebagai referensi.
3.2.2 Alat Penelitian
Dalam penyelesaian Skripsi ini, alat bantu yang digunakan adalah : a. Laptop Acer Aspire 4750 , Intel Core i3 – 2330M, 2.3 GHz.
b. Software MATLAB@Simulink R2017b.
3.3 Variabel yang Diamati
Variabel-variabel yang diamati meliputi : 1. Rise time ( )
2. Delay time ( ) 3. Peak time ( ) 4. Settling time ( )
5. Maximum Overshoot (Ess)
22 3.4 Prosedur Penelitian
3.4.1 Diagram Alir
Berdasarkan rencana kerja terhadap Skripsi ini, dibuatlah diagram alir (flowchart) secara keseluruhan yang dapat dilihat pada Gambar 3.1.
Gambar 3.1 Flowchart penelitian
MULAI
Mendapatkan parameter motor
induksi
Analisis perbandingan
SELESAI
Simulasi SIMULINK MATLAB Inverter SPWM Simulasi SIMULINK
MATLAB Inverter PWM
Respon kecepatan dan efisiensi motor
induksi
Respon kecepatan dan efisiensi motor
induksi
23 3.4.2 Tahapan Penelitian
3.4.2.1 Inverter Pulse Width Modulation (PWM) Tahapan-tahapan yang dilakukan :
1. Mengumpulkan data parameter motor induksi tiga fasa.
2. Menyusun komponen rangkaian inverter PWM motor induksi tiga fasa pada SIMULINK Matlab.
3. Memasukkan data parameter motor induksi tiga fasa yang telah diketahui.
4. Melakukan simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa dengan inverter PWM di aplikasi SIMULINK Matlab.
5. Menampilkan kurva respon waktu kecepatan motor induksi tiga fasa.
6. Mencatat hasil yang diperoleh, meliputi : rise time, delay time, peak time, settling time, dan maximum overshoot.
7. Menentukan efisiensi motor induksi tiga fasa.
8. Melakukan analisis perbandingan respon kecepatan dan efisiensi motor induksi tiga fasa pada kedua inverter.
9. Menyimpulkan hasil perbandingan respon kecepatan dan efisiensi motor induksi tiga fasa pada kedua inverter.
24
3.4.2.2 Inverter Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM) Tahapan-tahapan yang dilakukan :
1. Mengumpulkan data parameter motor induksi tiga fasa.
2. Menyusun komponen rangkaian inverter SPWM motor induksi tiga fasa pada SIMULINK Matlab.
3. Memasukkan data parameter motor induksi tiga fasa yang telah diketahui.
4. Melakukan simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa dengan inverter SPWM di aplikasi SIMULINK Matlab.
5. Menampilkan kurva respon waktu kecepatan motor induksi tiga fasa.
6. Mencatat hasil yang diperoleh, meliputi : rise time, delay time, peak time, settling time, dan maximum overshoot.
7. Menentukan efisiensi motor induksi tiga fasa.
8. Melakukan analisis perbandingan respon kecepatan dan efisiensi motor induksi tiga fasa pada kedua inverter.
9. Menyimpulkan hasil perbandingan respon kecepatan dan efisiensi motor induksi tiga fasa pada kedua inverter.
25 BAB 4
SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Perolehan Data
Pengendalian kecepatan motor induksi tiga fasa dengan inverter metode PWM dan SPWM disimulasikan dalam MATLAB-SIMULINK dengan spesifikasi motor disajikan pada Tabel 4.1 [7].
Tabel 4.1 Spesifikasi motor induksi dan kontroler
Parameter Nilai
Tipe Motor (Daya, Tegangan Nominal, Frekuensi) 10 HP, 460 V, 60Hz
Jenis Motor Sangkar Tupai
Tegangan Link dc (Vdc) 780 V
Frekuensi Pensakelaran (fs) 5 kHz
Resistansi Stator (Rs) 0.6837 ohm
Induktansi Stator (Ls) 0.004152 H
Resistansi Rotor (Rr) 0.451 ohm
Induktansi Rotor (Lr) 0.004152 H
Induktansi Bersama(Lm) 0.1486 H
Momen Inersia (J) 0.05 kg.m2
Jumlah Kutub (p) 2
26
4.2 Simulasi Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter Metode Pulse Width Modulation (PWM)
Rangkaian simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan inverter dengan metode PWM ditunjukkan pada Gambar 4.1.
Gambar 4.1 Rangkaian PWM 4.2.1 Tahapan Tahapan Simulasi Inverter PWM
1. Menyusun komponen komponen sistem pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa yang terpasang inverter PWM seperti yang diperlihatkan Gambar 4.1 pada halaman kerja Matlab Simulink.
2. Memasukkan nilai parameter spesifikasi motor induksi 3 fasa yang terdapat pada Tabel 4.1 dengan cara mengklik gambar komponen Asynchronous Machine SI Unit (Motor Induksi) pada Gambar 4.1.
Kemudian akan muncul kotak dialog yang berisi pengisian nilai nilai parameter spesifikasi motor induksi yang digunakan dalam simulasi pada Matlab Simulink. Parameter parameter spesifikasi yang terdapat di kotak dialog ialah Jenis Motor (Sangkar Tupai), fn (frekuensi, Hz), Rs (Resistansi Stator, ohm), Rr (Resistansi Rotor, ohm), Pn (Daya, HP), Vn
27
(Tegangan Nominal, V), Ls (Induktansi Stator, H), Lr (Induktansi Rotor, H), Lm (Induktansi Bersama, H), J (Momen Inersia, kg. ), p (Jumlah Kutub).
3. Melakukan pengaturan waktu pada Pulse Generator yang terdapat pada Gambar 4.1. Pada Gambar 4.1 diperlihatkan terdapat 6 buah komponen Pulse Generator. Jadi nantinya pada setiap Pulse Generator tadi akan dipasang pengaturan waktu yang berbeda beda satu sama lain. Tujuan pengaturan waktu yang berbeda beda satu sama lain pada masing masing keenam komponen Pulse Generator ialah agar keenam sakelar yang berupa komponen MOSFET, yang dipasang Pulse Generator yang waktu telah diatur, akan hidup (ON) dan mati (OFF) secara bergantian, dimana hal tersebut juga merupakan prinsip kerja dari Inverter Pulse Width Modulation (PWM).
4. Cara melakukan pengaturan waktu pada Pulse Generator ialah dengan double click pada komponen Pulse Generator di Gambar 4.1 lalu akan muncul kotak dialog Pulse Generator. Pada kotak dialog tersebut akan ada pengisian Phase delay (satuan dalam s, second), seperti
, (x merupakan frekuensi, Hz). Jadi, contoh pengaturan waktunya ialah pada Pulse Generator 1 memiliki Phase delay 0 s , Pulse Generator 2 memiliki Phase delay
s, Pulse Generator 3 memiliki Phase delay
s, Pulse Generator 4 memiliki Phase delay
s, Pulse Generator 5 memiliki Phase delay
s, dan Pulse Generator 6 memiliki Phase delay
s.
28
5. Memasukkan nilai parameter input/masukan simulasi yaitu kecepatan referensi (Rpm) dan torsi beban (Nm). Untuk memasukkan nilai kecepatan referensi dapat dilakukan dengan double click pada komponen Pulse Generator di Gambar 4.1. Lalu akan muncul kotak dialog pengisian Period (Periode, s) yang berisi , dimana x adalah frekuensi (Hz), misalnya kecepatan referensi yang diinginkan 2000 Rpm, jadi dikonversi dulu 2000 rpm tadi kedalam satuan Hz agar dapat dimasukkan ke nilai x. Untuk torsi beban, juga double click pada komponen Constant di Gambar 4.1 yang berisi pengisian nilai torsi beban yang diinginkan.
6. Menjalankan program simulink pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter PWM, yaitu dengan cara memblok gambar susunan komponen sistem pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter PWM seperti diperlihatkan pada Gambar 4.1. Lalu men-click run untuk memberi perintah menjalankan program Simulink tersebut.
7. Mengamati hasil simulasi yaitu double click komponen Scope yang terhubung dengan komponen komponen Gain dan Asynchronous Machine SI Unit (Motor Induksi). Maka akan muncul tampilan hasil respon pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter PWM seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.2. Hasil responnya ialah berupa tanggapan waktu seperti delay time, rise time, peak time, settling time dan maximum overshoot. Hasil nya inilah nantinya yang akan dibandingkan.
8. Mengetahui efisiensi motor induksi dapat dilakukan dengan cara double click pada komponen Scope yang terhubung dengan komponen Three Phase V-I Measurement seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.1.
29
Untuk Scope yang terhubung pada akan menampilkan hasil (Tegangan line to line, Volt), sedangkan Scope yang terhubung pada akan menampilkan hasil (Arus line, A). Dengan diketahuinya , dan maka dari persamaan 2.7 nilai cos𝝋 dapat diketahui. Nilai torsi beban (Nm) dan kecepatan sudut 𝜔m (rad/s) yang didapat dari konversi kecepatan referensi dari Rpm ke rad/s telah diketahui karena didapat dari masukan acuan pada simulasi ini. Efisien motor induksi didapat dari persamaan 2.13. Setelah nilai efisiensi nya didapat maka nantinya akan dilakukan perbandingan.
4.2.2 Hasil Simulasi Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter PWM
Simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa ini akan dilakukan dengan variasi kecepatan dan torsi beban.
4.2.2.1 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 1999 rpm dan overshoot mencapai 2168 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.2.
30
Gambar 4.2 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 76 ms
Rise time : 110 ms Peak time : 120 ms Settling time : 265 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 8,45 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.2.
Tabel 4.2 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 3 Nm VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
301,3 3,757 0,5057 3 209,33 63,34
31
4.2.2.2 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 1998 rpm dan overshoot mencapai 2156 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.3.
Gambar 4.3 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 80 ms
Rise time : 113 ms Peak time : 122 ms Settling time : 267 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
32 Maximum overshoot x 100 %
=
= 7,91 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.3.
Tabel 4.3 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 5 Nm
4.2.2.3 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2498 rpm dan overshoot mencapai 2615 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.4.
Gambar 4.4 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
301,3 4,121 0,658 5 209,33 73,96
33
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 178 ms
Rise time : 241 ms Peak time : 252 ms Settling time : 336 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 4,68 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.4.
Tabel 4.4 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 3 Nm
4.2.2.4 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2497 rpm dan overshoot mencapai 2611 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.5.
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
377,2 3,726 0,5959 3 261,67 54,12
34
Gambar 4.5 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 186 ms
Rise time : 251 ms Peak time : 262 ms Settling time : 346 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 4,57 %
35
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.5.
Tabel 4.5 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 5 Nm
4.2.2.5 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2997 rpm dan overshoot mencapai 3085 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.6.
Gambar 4.6 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 3 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 345 ms
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
307,2 4,113 0,7165 5 261,67 83,44
36 Rise time : 460 ms
Peak time : 473 ms Settling time : 537 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 2,94 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.6.
Tabel 4.6 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 3 Nm
4.2.2.6 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2995 rpm dan overshoot mencapai 3080 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.7.
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
452,5 3,76 0,6542 3 314 40,83
37
Gambar 4.7 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3000 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 374 ms
Rise time : 493 ms Peak time : 505 ms Settling time : 550 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 2,84 %
38
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.7.
Tabel 4.7 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3000 rpm dan beban 5 Nm
4.2.2.7 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 3496 rpm dan overshoot mencapai 3563 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.8.
Gambar 4.8 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 3 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 624 ms
Rise time : 822 ms
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
452,5 4,133 0,7122 5 314 68,05
39 Peak time : 837 ms
Settling time : 885 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 1,92 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.8.
Tabel 4.8 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 3 Nm
4.2.2.8 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 3500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 3493 rpm dan overshoot mencapai 3557 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.9.
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
531,5 3,758 0,6638 3 366,33 47,86
40
Gambar 4.9 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 3500 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 711 ms
Rise time : 920 ms Peak time : 934 ms Settling time : 983 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 1,83 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.9.
Tabel 4.9 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter PWM dengan masukan kecepatan referensi 3500 rpm dan beban 5 Nm VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
531,5 4,136 0,6537 5 366,33 73,59
41
4.3 Simulasi Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter Metode Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM)
Rangkaian simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan inverter dengan metode SPWM ditunjukkan pada Gambar 4.10 dan Gambar 4.11.
Gambar 4.10 Rangkaian Inverter SPWM dan Motor Induksi
Gambar 4.11 Rangkaian SPWM
42
4.3.1 Tahapan Tahapan Simulasi Inverter SPWM
1. Menyusun komponen komponen sistem pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa yang terpasang inverter SPWM seperti yang diperlihatkan Gambar 4.10 dan 4.11 pada halaman kerja Matlab Simulink.
2. Memasukkan nilai parameter spesifikasi motor induksi 3 fasa yang terdapat pada Tabel 4.1 dengan cara mengklik gambar komponen Asynchronous Machine SI Unit (Motor Induksi) pada Gambar 4.10.
Kemudian akan muncul kotak dialog yang berisi pengisian nilai nilai parameter spesifikasi motor induksi yang digunakan dalam simulasi pada Matlab Simulink. Parameter parameter spesifikasi yang terdapat di kotak dialog ialah Jenis Motor (Sangkar Tupai), fn (Frekuensi, Hz), Rs (Resistansi Stator, ohm), Rr (Resistansi Rotor, ohm), Pn (Daya, HP), Vn (Tegangan Nominal, V), Ls (Induktansi Stator, H), Lr (Induktansi Rotor, H), Lm (Induktansi Bersama, H), J (Momen Inersia, kg. ), p (Jumlah Kutub).
3. Memasukkan nilai parameter input/masukan simulasi yaitu kecepatan referensi (Rpm) dan torsi beban (Nm). Untuk memasukkan nilai kecepatan referensi dapat dilakukan dengan double click pada komponen Speed reference di Gambar 4.11. Lalu akan muncul kotak dialog pengisian nilai kecepatan referensi yang diinginkan, misalnya kecepatan referensi 2000 Rpm. Untuk torsi beban, juga double click pada komponen Constant di Gambar 4.10 yang berisi pengisian nilai torsi beban yang diinginkan.
4. Menjalankan program simulink pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter SPWM, yaitu dengan cara memblok gambar susunan
43
komponen sistem pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter SPWM seperti diperlihatkan pada Gambar 4.10 dan 4.11. Lalu men-click run untuk memberi perintah menjalankan program Simulink tersebut.
5. Mengamati hasil simulasi yaitu double click komponen Scope yang terhubung dengan komponen komponen Gain dan Asynchronous Machine SI Unit (Motor Induksi). Maka akan muncul tampilan hasil respon pengendalian kecepatan motor induksi 3 fasa dengan inverter SPWM seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.12. Hasil responnya ialah berupa tanggapan waktu seperti delay time, rise time, peak time, settling time dan maximum overshoot. Hasil nya inilah nantinya yang akan dibandingkan.
6. Mengetahui efisiensi motor induksi dapat dilakukan dengan cara double click pada komponen Scope yang terhubung dengan komponen Three Phase V-I Measurement seperti yang diperlihatkan pada Gambar 4.10.
Untuk Scope yang terhubung pada akan menampilkan hasil (Tegangan line to line, Volt), sedangkan Scope yang terhubung pada akan menampilkan hasil (Arus line, A). Dengan diketahuinya , dan maka dari persamaan 2.7 nilai cos𝝋 dapat diketahui. Nilai torsi beban (Nm) dan kecepatan sudut 𝜔m (rad/s) yang didapat dari konversi kecepatan referensi dari Rpm ke rad/s telah diketahui karena didapat dari masukan acuan pada simulasi ini. Efisien motor induksi didapat dari persamaan 2.13. Setelah nilai efisiensi nya didapat maka nantinya akan dilakukan perbandingan.
44
4.3.2 Hasil Simulasi Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Inverter SPWM
Simulasi pengendali kecepatan motor induksi tiga fasa ini akan dilakukan dengan variasi kecepatan dan torsi beban.
4.3.2.1 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 1997 rpm dan overshoot mencapai 2082 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.12.
Gambar 4.12 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 3 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 135 ms
Rise time : 200 ms Peak time : 212 ms Settling time : 305 ms
45
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 4,26 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.10.
Tabel 4.10 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 3 Nm
4.3.2.2 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2000 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 1996 rpm dan overshoot mencapai 2077 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.13.
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
301 2,687 0,6956 3 209,33 64,45
46
Gambar 4.13 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2000 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 141 ms
Rise time : 208 ms Peak time : 221 ms Settling time : 314 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 4,06 %
47
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.11.
Tabel 4.11 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2000 rpm dan beban 5 Nm
4.3.2.3 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 3 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2496 rpm dan overshoot mencapai 2552 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.14.
Gambar 4.14 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 3 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 320 ms
Rise time : 453 ms
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
301 3,452 0,9124 5 209,33 63,74
48 Peak time : 468 ms
Settling time : 518 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 2,24 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.12.
Tabel 4.12 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 3 Nm
4.3.2.4 Hasil Simulasi dengan Masukan Kecepatan 2500 rpm dan Torsi Beban 5 Nm
Simulasi dilakukan dengan memasukkan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan, diperoleh kecepatan motor pada kondisi steady state adalah sebesar 2493 rpm dan overshoot mencapai 2546 rpm, dapat dilihat respon kecepatannya pada Gambar 4.15.
VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
379,3 2,699 0,7349 3 261,67 60,24
49
Gambar 4.15 Respon kecepatan dengan kecepatan referensi sebesar 2500 rpm dan torsi beban 5 Nm
Parameter respon kecepatan motor yang diperoleh adalah : Delay time : 354 ms
Rise time : 493 ms Peak time : 507 ms Settling time : 557 ms
Persentase maximum overshoot dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan (2.5).
Maximum overshoot x 100 %
=
= 2,13 %
Parameter untuk menentukan efisiensi motor induksi, disajikan pada pada Tabel 4.13.
Tabel 4.13 Hasil simulasi pengendali motor induksi dengan inverter SPWM dengan masukan kecepatan referensi 2500 rpm dan beban 5 Nm VL-L (V) IL (A) Cos 𝝋 𝑇m (Nm) 𝜔m (rad/s)
ᶯ (
%)
379,3 3,467 0,8654 5 261,67 66,38
