42
APLIKASI MATLAB SEBAGAI SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN PUTARAN MOTOR INDUKSI 3 FASA MENGGUNAKAN VSD
(VARIABLE SPEED DRIVE) ACS 800 Gusti Pratama
Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Sarjana Terapan Teknik Elektro Politeknik Negeri Sriwijaya
[email protected] ABSTRACT
Induction motors are the most widely used motors currently, because they have a simple construction, are relatively inexpensive, lighter and have high efficiency with an easy to maintain compared to DC Motors. However, in terms of setting the speed and torque of an induction motor it is not an easy problem to do, with the development of control system technology, one way to do this is to use a three-phase VSD (Variable Speed Drive) Inverter to adjust the frequency in order to change the speed of the three-phase induction motor. The inverter converts a constant AC voltage source into an AC voltage source whose frequency can be adjusted between 0-60 Hz. In this study the authors will use the Matlab-Simulink simulation to prove the workings of the VSD (Variable Speed Drive) using data from ACS 800 and the AC motor on The PDSI RIG#29.3/D1500-E.
Keywords: VSD (Variable Speed Drive), AC Motor, Matlab-Simulink ABSTRAK
Motor induksi adalah motor yang paling banyak digunakan saat ini, karena memiliki konstruksi yang sederhana, relatif murah, lebih ringan dan memiliki efisiensi yang tinggi serta mudah dalam pemeliharaannya dibandingkan dengan motor DC. Namun dalam hal pengaturan kecepatan dan torsi motor induksi bukanlah suatu permasalahan yang mudah untuk dilakukan, dengan berkembangnya Teknologi sistem kontrol salah satu cara yang dilakukan adalah dengan menggunakan Inverter VSD (Variable Speed Drive) tiga fasa untuk mengatur frekuensi agar dapat merubah kecepatan motor induksi tiga fasa. Inverter mengkonversikan sumber tegangan AC konstan menjadi sumber tegangan AC yang frekuensinya dapat diatur antara 0 – 60 Hz. Pada penelitian ini penulis akan menggunakan Simulasi Matlab-Simulink untuk membuktikan cara kerja dari VSD (Variable Speed Drive) dengan menggunakan data dari ACS 800 dan motor AC di Rig PDSI #29.3/D1500-E.
Kata Kunci: VSD (Variable Speed Drive), Motor AC, Matlab-Simulink
43
PENDAHULUAN Latar Belakang
Pemboran sumur minyak dan gas bumi saat ini menuntut adanya kinerja yang lebih cepat, aman dan efisien. Oleh karena itu dibutuhkan adanya perubahan teknologi yang lebih maju dalam proses pelaksanaan pemboran tersebut.
Seperti halnya pada operasi pelaksanaan pemboran salah satu rig yang dimiliki oleh PT. Pertamina Drilling Service Indonesia, dimana pada pelaksanaan operasi pemboran khususnya pada rig PDSI #29.3/D1500- E sudah menggunakan teknologi rig cyber yang memiliki sistem kontrol yang terintegrasi satu sama lain, serta pengoperasian dengan layar sentuh dimana satu monitor mengontrol semua peralatan yang ada. Penggunaan program aplikasi amphion system ini berbasis java dan dijalankan pada sistem operasi windows. Pemprograman amphion ini juga digunakan untuk mengendalikan inverter yang ada di VSD (Variabel Speed Drive) Room. Dengan inverter tersebut, motor AC dapat dengan mudah diatur kecepatan dan output torsinya sebagai penggerak sistem utama dalam sebuah rig.
Sehingga dengan hadirnya inverter yang ada dalam VSD sistem membuat kemajuan teknologi yang mana dapat menggantikan teknologi sebelumnya yaitu penggunaan Engine Diesel dalam Rig Konvensional. Penggunaan Motor AC yg terintegrasi dengan VSD membuat rig lebih andal, perawatan lebih sederhana, dan usia pakai lebih panjang.
Untuk dapat mengetahui pengaruh VSD sebagai pengatur kecepatan motor induksi yang perubahannya dapat sesuai dengan setpoint yang telah diatur oleh Driller pada HMI kontrol, Dapat dibuatkan sebuah pemodelan menggunakan simulasi Matlab. Matlab (Laboratorium Matriks) merupakan bahasa pemrograman yang dibuat dengan tujuan sebagai alat bantu perhitungan yang rumit atau simulasi dari suatu sistem yang ingin di simulasikan. Untuk dapat mengetahui pengaruh besarnya frekuensi terhadap
kecepatan putar motor induksi maka dibuat suatu pemodelan pada Matlab dengan mengubah nilai Setpoint (dalam
%) yang dikonversikan dalam bentuk nilai frekuensi untuk mendapatkan nilai kecepatan dan grafik tegangan serta arus pada rangkaian tersebut.
Berdasarkan uraian di atas tentang keunggulan VSD dalam menunjang operasi pemboran maka perlu dirancang sebuah pemodelan agar kedepannya kita dapat memahami dasar dan prinsip kerja VSD lalu dapat mengaplikasikan teknologi ini dalam peremajaan teknologi guna menggantikan system yang konvensional.
Rumusan Masalah
Dalam penelitian ini dapat di rumuskan masalahnya adalah bagaimana membuat pemodelan VSD terhadap motor induksi 3 fasa guna mengatur kecepatan berdasarkan frekuensi. Dan bagaimana pengaruh grafik tegangan dan arus dari output VSD hasil pemodelan Matlab Simulink Tujuan Masalah
Membuat pemodelan yang efektif dan efisien dengan parameter awal yang tersedia.
Batasan Masalah
Penulis membatasi
permasalahan agar lebih terarah dan tidak menyimpang dari pokok bahasan yang ada, maka penulis menekankan pembahasan pada Pemodelan VSD terhadap kecepatan motor induksi 3 Fasa.
Tinjuan Pustaka
Motor Induksi Tiga Fasa
Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama dengan motor listrik jenis lainnya.
Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 1, Antara bagian stator dan rotor dipisahkan oleh
44 celah udara yang sempit, dengan jarak
berkisar dari 0,4 mm sampai 4 mm.
Gambar 1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa
Prinsip Kerja Motor Induksi
Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi 3 phasa yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan 3 phasa, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis- garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul gaya gerak listrik (Emf) atau tegangan induksi. Karena penghantar (kumparan) rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Kumparan rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator.
Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus dan sesuai dengan Hukum medan putar stator. Perbedaan putaran relative antara stator dan rotor disebut slip.
Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi. Bila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun.
Keterangan :
Ns = kecepatan putaran stator (rpm) F = Frekuensi (Hz)
P = Jumlah Kutub Inverter
Inverter adalah Inverter adalah suatu rangkaian yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC dengan nilai tegangan dan frekuensi dapat diatur. Fungsi inverter adalah untuk merubah kecepatan motor AC dengan cara merubah frekuensi inputnya.
Gambar 2. Bagian Utama Inverter
Pada dasarnya inverter merupakan sebuah alat yang menghasilkan tegangan bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang. Namun gelombang tegangan yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk sinusoida melainkan berbentuk gelombang dengan persegi.
Pembentukan tegangan AC di lakukan dengan menggunakan dua pasang saklar per phase nya, guna membangkitkan atau memanipulasi gelombang sinusoida.
Matlab
Matlab adalah singkatan dari matrix laboratory, dimana matlab digunakan untuk perhitungan teknis dan ilmiah. Matlab adalah perhitungan, visualisasi dan
pemrograman yang mudah
digunakan. Dengan cara ini matlab dapat bertindak sebagai:
45
A. Kalkulator
Saat bertindak sebagai kalkulator, MATLAB menyediakan Hasil sesaat setelah perintah operasi diberikan.
B. Bahasa Pemograman
Perintah operasi yang memiliki urutan dan logika tertentu dan digunakan berulang kali dapat dibuat sebagai program, yang akan diperkenalkan di unit berikutnya.
Sebagai kalkulator, matlab memiliki banyak fungsi rutin yang penting digunakan dalam matematika, teknik dan sains. Selain berfungsi , matlab juga menyediakan ratusan fungsi yang berguna selesaikan beberapa masalah.
Beberapa fungsi matematika tersedia termasuk fungsi trigonometri, fungsi eksponensial dan fungsi pembulatan.
Simpan data dan variabel yang dibuat di jendela perintah di ruang kerja matlab. Untuk mengalih data besar, sulit untuk mengecek hanya dengan melihat angka-angka yang ditampilkan. Munculnya data bentuk grafis dapat memfasilitasi analisis.
Simulink
Simulink adalah kumpulan aplikasi dalam matlab untuk melakukan pemodelan, simulasi dan analisis dinamik pada model. Sistem.
Dengan menggunakan simulink, kita dapat dengan mudah melakukan simulasi lebih interaktif. Maka dari itu dengan simulink ini kita bisa mempermudah atau dengan dengan kata lain, dapatkan pengertian atau rasa dari pemodelan atau simulasi.
Diagram Alir
Gambar 3. Blok Diagram Metode Penilitan
Metedologi Penelitian Jenis Penelitian
Jenis penelitian pada tugas akhir ini adalah penelitian kuantitatif dengan membuat simulasi pemodelan pada software Matlab yang semirip mungkin dengan kondisi sistem di lapangan.
Data-data berupa parameter hasil pengukuran pada simulasi matlab akan di validasi dengan data-data real dari lapangan untuk mengetahui apakah pemodelan ini bisa dipakai sebagai bahan referensi perencanaan pemasangan Variable Speed Drive dalam menentukan kapasitas peralatan dan analisis parameter lainnya.
Adapun diagram alir dari penelitian ini :
46
Gambar 4. Diagram Alir Pemodelan Pada Matlab
Tempat dan Waktu Penelitian
Pada penelitian ini penulis mengambil tempat di Rig PDSI
#29.3/D1500-E yang berlokasi di area SBS (Sumatera Selatan), dengan waktu penelitian mulai dari bulan februari sampai dengan bulan juni 2021.
Alat dan Bahan
Berdasarkan penjelasan sebelumnya bahwa penelitian ini menggunakan metode simulasi, maka penelitian ini menggunakan alat bantu berupa Software dengan spesifikasi sebagai berikut :
Nama Software MATLAB R2020a Serial 9.8.0.1323502 Release Date 25 Februari 2020
Tahun 2020 R2020a
Teknik Pengumpulan Data
Dalam penelitian ini penulis mendapatkan data-data melalui tiga sumber yaitu :
Google Cendekia : jurnal-jurnal ilmiah
Manual Book : arsip buku-buku manual peralatan perusahaan
Data Real Lapangan : Name plate peralatan, foto peralatan di lapangan
Variabel yang Diamati
Pada penelitian ini penulis mengamati beberapa variabel antara lain sebagai berikut :
a. Pengaruh perubahan frekuensi terhadap besarnya tegangan output Variable Speed Drive, arus dan kecepatan putar motor induksi pada VSD di lapangan.
b. Pengaruh perubahan frekuensi terhadap besarnya tegangan output Variable Speed Drive, arus dan kecepatan putar motor induksi pada pemodelan Matlab.
c. Grafik tegangan, arus dan frekuensi pada pemodelan Matlab.
d. Validasi hasil pemodelan pada Matlab dengan hasil real di lapangan.
Metodologi Pengembangan Sistem yang Dipakai
Dalam penelitian ini penulis memakai beberapa metode untuk pengembangan sistem penelitian yang dipakai yaitu :
a. Studi Literatur : dengan mengumpulkan beberapa jurnal ilmiah tentang pemodelan VSD pada Matlab sehingga didapat metode yang ideal dalam pembuatan pemodelan sistem tersebut.
b. Trial and Error : dengan mencoba beberapa kali perubahan blok-blok pada pemodelan dan menjalankan simulasi untuk mendapatkan hasil mendekati nilai real di lapangan.
c. Wawancara : penulis juga melakukan tanya jawab dan diskusi dengan dosen pembimbing serta dengan rekan-rekan mahasiswa lainnya yang memahami cara pemodelan pada matlab agar mendapatkan hasil yang optimal.
47
Hipotesa / Kesimpulan
1. Motor AC memiliki banyak keunggulan dibanding motor DC yaitu mempunyai jangkauan kecepatan yang lebih lebar, mempunyai beberapa pola untuk hubungan tegangan dan frekuensi, akselerasi dan deselerasi yang dapat diatur secara independen, serta sistem lebih aman.
2. Kekurangan motor AC dapat diatasi dengan mengatur frekuensi dan tegangan agar kecepetan dan torsi motor AC dapat dikendalikan secara halus dengan menggunakan inverter berbasis PWM (Pulse Width Modulator)
3. HVAC pada VFD House membantu menjaga suhu pada 75-80ºF pada Inverter ABB ACS800-104, jika terlalu dingin akan mengakibatkan kondensasi dan terlalu panas sampai 50ºC mengakibatkan overheat.
4. Pembentukan AC source yang frequencynya dapat diatur merupakan fungsi dari IGBT yang berada pada Inverter VSD (Variable Speed Drive)
5. Grafik Tegangan dan Arus sejalan linear dengan beban motor
6. Pemeliharaan inverter ABB ACS800-104 yang biasa dilakukan yaitu, (1) Mengganti capacitor pada capacitor bank, (2) Pengecekan dan pembersihan Heatsink dan busa pada filter, (3) Memeriksa koneksi pada kabel- kabel koneksi pada peralatan inverter.
REFERENSI
National Oil Well Varco, 2006, ABB ACS800-104. Hardware Manual Book
National Oil Well Varco, 2006, ABB ACS800. Fault and Warning National Oil Well Varco, 2012, ABB
ACS800. Student Book. Houston.
Krishnan, R.2001. Electric Motor Drives, Modeling, Analysis, and Control.
Prentice Hall.
Jeremia S. Purba. (2009). “SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA DENGAN DIRECT TORQUE CONTROL DENGAN MENGGUNAKAN MATLAB 7.0.1”. USU Repository Journal,2009.
ABB Technical Guide “Direct Torque Control”. Rev C
Casadei,G.Serra,A.Tani,and
L.Zarri,”Assessment of Direct Dharmaprakash R, Joseph Henry,
”Switching Table Based 2 Level Inverter and 3 Level Diode Clamped Inverter”, University Hyedrabad,India,Vol.60 No.2.2014.
Eugene C.Lister,Ir. Drs.Hanapi Gunawan,
“Mesin dan Rangkaian Listrik”,Penerbit Erlangga,1997.
Inc.”ReferenceFrame Conversions”.
Analog Device 2002.
Fuzzy Logic Control of Drives and Power System”.Newnes,2002.
Prasad V.H,”2 Space Vektor Modulation for Three Leg Voltage Source Inverters”,1997.
R. J. Lee,P.Pillay,R.G. Harley,”DQ Reference Frames for the Simulation of Induction Motors”.Elseiver Sequoia,1984.
Toufouti Riad, Salima Meziane, Hocine Benalla,”Direct Torque Control Strategy of Induction Motors”, Acta Electrotechnica et Informatica No.1,Vol7,2007.
Wahab Abdul H.F dan Sanusi H,”Simulink Model of Direct Torque Control of Induction Machine”, American Journal of Applied Science,2008.
Zuhal,Zhanggischan.”Prinsip Dasar Elektroteknik”, Penerbit Gramedia Pustaka Mas,2004.
Chapman, Stephen J., Electric Machinery and Power System Fundamentals (New York: McGraw-Hill, 2002)
48 Finney, David, Variable frequency AC
motor drive system (London: Peter Peregrinus Ltd., 1991)
Mohan, Ned, Undeland, Tore M., Robbins, William P., Power Electronics Converter, Applications and Design (Singapore: John Wiley
& Sons, Inc., 2003)
Rashid, Muhammad H, Power Electronics: Circuits, Devices and Applications (New Jersey: Prentice Hall, Inc., 1993)
Zuhal, Zhanggischan, Prinsip Dasar Elektroteknik (Jakarta: PT Gramedia Pustaka Utama, 2004)
