SIMULASI KARAKTERISTIK MOTOR
INDUKSI ROTOR LILIT SEBAGAI
DOUBLY FED INDUCTION GENERATOR
MENGGUNAKAN PSIM
Muhammad Fata R
1, M. Isnaeni B.S
2, F Danang Wijaya
3Abstract — In recent years, the need for electrical energy increases with increasing population growth. With limited fossil energy resources, attention needs to be diverted to renewable energy sources such as wind. The problem that arises is that the wind speed varied to make the connection of wind generators with AC networks become difficult. In order for connection can be done then DFIG system applied to the wind generator. This system enables control of the frequency of the wind power plants. Type of electrical machines which can be operated as a DFIG is wound rotor induction motor, because of the slip rings that connected to the rotor coils. This study was conducted to determine the characteristics of a wound rotor induction motor when operated as a DFIG through simulation. The simulation was performed using PSIM 9.0 program and the simulation results observed through simview. Simulation results show that the wound rotor induction motor can operate as a reliable DFIG. That needs to be noted is the magnitude of the input current of the rotor at low frequencies condition
Intisari — Pada tahun-tahun terakhir, kebutuhan akan energi listrik meningkat seiring meningkatnya pertumbuhan penduduk. Dengan terbatasnya sumber energi fosil, perhatian perlu dialihkan pada sumber energi terbarukan seperti angin. Masalah yang timbul adalah kecepatan angin yang variatif membuat penyambungan generator angin dengan jaringan AC menjadi sulit. Agar penyambungan bisa dilakukan maka diterapkan sistem DFIG pada generator angin. Jenis mesin listrik yang dapat dioperasikan sebagai DFIG adalah motor induksi rotor lilit, karena adanya slip ring yang terhubung dengan kumparan rotor. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik motor induksi rotor lilit saat dioperasikan sebagai DFIG melalui simulasi. Simulasi dilakukan menggunakan program PSIM 9.0 dan hasil simulasi diamati melalui simview. Hasil simulasi menunjukkan bahwa motor induksi rotor lilit dapat beroperasi sebagai DFIG dengan handal. Kemudian melalui rotor DFIG dapat dilakukan kontrol frekuensi dan tegangan keluaran. Yang perlu menjadi catatan adalah besarnya arus masukan rotor pada
kondisi frekuensi rendah
Kata Kunci— DFIG, motor induksi rotor lilit, turbin angin, kontrol frekuensi, PSIM 9.0, turbin angin
I. PENDAHULUAN
Memasuki milenium baru, teknologi dan jumlah pertumbuhan penduduk meningkat pesat. Hal ini juga diiringi meningkatnya permintaan akan suplai energi listrik. Permintaan ini tentu harus segera diimbangi dengan ketersediaan suplai energi listrik. Di Indonesia sejauh ini, sebagian besar kebutuhan energi listrik masih disuplai oleh pembangkit–pembangkit berbahan bakar fosil. Sedangkan ketersediaan bahan bakar fosil sendiri makin hari semakin berkurang.. Di Jerman dan Amerika kesadaran akan hal ini sudah muncul puluhan tahun yang lalu. Sebagai tanggapan atas krisis harga minyak pada tahun 70an, mulai tumbuh usaha untuk mengembangkan pembangkit bertenaga angin yang terhubung dengan jaringan listrik [1]
Penilitian ini dibuat untuk melihat karakteristik motor induksi rotor lilit yang dioperasikan sebagai
Doubly Fed Induction Generator (DFIG). Keuntungan
utama dari DFIG jika digunakan dalam turbin angin adalah dimungkinkan frekuensi tegangan keluaran dipertahankan pada nilai konstan, tidak peduli kecepatan angin bertiup pada turbin generator angin. Karena itu, DFIG dapat langsung terhubung ke jaringan listrik AC dan tetap disinkronkan sepanjang waktu dengan jaringan listrik AC. Keuntungan lainnya termasuk kemampuan untuk mengendalikan faktor daya, sekaligus menjaga perangkat elektronika daya dalam turbin angin pada keadaan moderat. Alasan lain digunakannya DFIG pada pembangkit angin adalah pengurangan beban mekanis, desain baling-baling yang lebih sederhana dan rendahnya fluktuasi pada daya output3].
A. Motor Induksi Rotor Lilit
Motor induksi rotor lilit merupakan motor induksi dimana rotornya dibentuk dari satu set belitan tiga fase (pada mesin tiga fase) yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga fase dari rotor ini terhubung secara bintang dan jumlah kutub serta lilitannya sama dengan lilitan pada stator5].Tiap-tiap ujung dari kawat rotor tersebut dipatri ke slip ring yang berada pada poros rotor.
1Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Martapura, Kab Banjar, Kal-Sel 70614 INDONESIA (tlp: 085878306830; e-mail:fata_te09@mail.ugm.ac.id)
2, 3 Dosen Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi Fakultas Teknik Universitas Gadjah Mada, Jln. Grafika No. 2 Kampus UGM, Yogyakarta 55281 INDONESIA (telp: 0274-552305; fax: 0274-552305)
Pemasangan slip ring pada rotor lilit memungkinkan tahanan luar dapat dipasang dengan melalui sikat-sikat yang dihubungkan ke slip ring. Penambahan tahanan luar dapat membuat kopel mula mencapai nilai kopel maksimumnya. Kopel mula yang besar diperlukan pada waktu start. Selain itu tahanan luar tadi diperlukan untuk membatasi arus mula yang besar pada saat start. Disamping itu kecepatan motor dapat diatur karena adanya tahanan luar tersebut .
Prinsip kerja motor induksi 3 fase berdasarkan induksi elektromagnetis, yakni apabila belitan/kumparan stator diberi sumber tegangan bolak-balik 3 fase, maka arus akan mengalir pada kumparan tersebut, menimbulkan medan putar (garis-garis gaya fluks) yang berputar dengan kecepatan sinkron dan akan mengikuti persamaan :
𝑁𝑠= 120.𝑓
𝑝 (1)
dengan :
Ns = kecepatan putar dari medan stator (rpm) f = frekuensi arus dan tegangan stator (Hz) p = banyaknya kutu
Garis-garis gaya fluks dari stator tersebut yang berputar akan memotong penghantar-penghantar rotor, sehingga pada penghantar-penghantar tersebut timbul EMF (Electromotive Force) atau GGL (Gaya Gerak Listrik) atau tegangan induksi.
Kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka pada kumparan tersebut akan ada arus yang mengalir. Arus yang mengalir pada penghantar rotor yang berada dalam medan magnet akan berputar dari stator sehingga pada penghantar rotor tersebut timbul gaya-gaya yang berpasangan dan berlawanan arah. Gaya tersebut menimbulkan torsi yang cenderung memutar rotornya, rotor akan berputar dengan kecepatan putar (Nr) mengikuti putaran medan putar stator (Ns).
B. Doubly Fed Induction Generator
Motor induksi rotor lilit 3 fase dapat difungsikan sebagai DFIG. Selain mendapat masukan dari penggerak mula, DFIG mendapat masukan arus AC ke gulungan rotornya. Arus AC tersebut dapat diinjesikan melalui slip ring yang terhubung dengan gulungan rotor. Frekuensi keluaran keluaran dari DFIG tersebut dapat divariasi dengan mengatur frekuensi arus AC yang dimasukkan ke gulungan rotor seperti terlihat pada Gambar 2.
Gbr 2. DFIG dengan masukan tegangan AC 3 fase pada rotornya
Pada DIFG medan magnet yang terbentuk di rotor tidak statis. Hal ini disebabkan rotor disuplai dengan arus AC bukan DC. Dan medan magnet tersebut berputar pada kecepatan yang proporsional dengan frekuensi arus AC yang disuplai ke gulungan rotor. Ini berarti medan magnet putar yang melalui gulungan stator tidak hanya berputar berdasarkan putaran rotor, tetapi juga karena efek rotasi yang dihasilkan arus AC yang disuplai ke gulungan rotor.
Berdasarkan keterangan diatas, pada DFIG besar frekuensi AC yang menginduksi gulungan stator dapat dirumuskan :
(2) dengan :
fstator = frekuensi tegangan AC keluaran stator NRotor = kecepatan rotor
p = jumlah kutub
frotor = frekuensi arus AC yang disuplai ke rotor Saat medan magnet rotor berlawanan dengan arah putaran rotor maka frekuensi stator adalah hasil selisih frekuensi catu daya rotor dan frekuensi hasil kecepatan penggerak mula
(3)
C. Penggunaan DFIG pada Turbin Angin
Penerapan sistem kerja DFIG ini sudah dilakukan pada sistem pembangkitan dengan tenaga angin (variable speed wind turbine). Hal ini dikarenakan pada turbin angin, kecepatan putarnya tidak bisa dikendalikan sehingga banyak sekali kehilangan daya dan kurangnya efisiensi pada proses pembangkitannya. Dengan menggunakan DFIG sebagai generator pembangkitannya, proses pembangkitan pada turbin angin akan lebih efisien khususnya jika dibandingkan dengan fixed speed wind turbine.
Peningkatan efisiensi tersebut karena frekuensi keluaran yang awalnya sangat bergantung pada penggerak mula sekarang bisa dikendalikan dengan masukan pada gulungan rotor. Selain itu dengan adanya jalur masukan ke rotor, kendali keluaran tegangan juga bisa dilakukan. Untuk kontrol maksimal terhadap permintaan daya, DFIG harus dapat dikontrol dalam rentang kecepatan subsinkron hingga supersinkron. Dengan mempertimbangkan kemampuan stator dan rotor DFIG [3].
Berikut contoh model DFIG yang diterapkan pada turbin angin :
Masukan rotor pada DFIG turbin angin menggunakan power elektronik yang terhubung dengan grid. Power elektronik yang digunakan adalah konverter sehingga masukan frekuensi dapat diubah-ubah sesuai keinginan. Contoh pada [4] menunjukan model DFIG yang terhubung pada turbin angin.
Dibandingkan dengan turbin angin generator sinkron, DFIG memiliki beberapa kelebihan :
Mengurangi biaya inverter dan filter pada inverter
Meningkatkan afisiensi sistem
Biaya kontrol faktor daya yang rendah
D. Perancangan Rangkaian Simulasi
Simulasi dijalankan menggunakan program PSIM 9.0 dan hasil simulasi ditampilkan dalam file .smv yang dapat dilihat melalui program SimView (gambar 6). Secara garis besar ada dua tipe rangkaian, rangkaian dengan sumber tegangan AC 3 fase sebagai suplai rotor (gambar 4) dan rangkaian dengan generator sinkron sebagai suplai rotor (gambar 5).
Gbr 4. Rangkaian DFIG dengan sumber tegangan 3 fase sebagai suplai
Gbr 5. Rangkaian DFIG dengan generator sinkron sebagai suplai
Gbr 6. Contoh hasil simulasi pada simview
Pada gambar 6 diatas dapat dilihat salah satu contoh hasil simulasi. Sumbu horizontal menunjukkan garis waktu dalam satuan detik (second) sedangkan sumbu vertikal menunjukkan nilai amplitudo
gelombang. Perbedaan frekuensi antara tegangan rotor (biru) dan tegangan stator (merah) dapat terlihat dengan jelas.
II. METODOLOGI PENELITIAN
Pada flowchart yang terdapat di Gbr 4 akan dijelaskan mengenai alur proses yang akan dilakukan dalam pengambilan data dalam simulasi motor induksi rotor lilit sebagai DFIG. Dicatat pengaruh penggerak mula, beban maupun tegangan masukan rotor terhadap keluaran dari DFIG. Keluaran yang diharapkan dijaga nilainya adalah frekuensi dan tegangan keluaran dari DFIG tersebut.
Gambar 7 Alur penelitian DFIG III. PEMBAHASAN
Simulasi motor induksi rotor lilit sebagai DFIG dilakukan dengan memberikan masukan arus AC pada gulungan rotornya selain mendapatkan daya putar mekanik dari penggerak mula. Arus AC dapat dimasukkan ke gulungan rotor melalui slip ring yang terhubung dengan gulungan rotor seperti terlihat pada gambar 2, karena itu DFIG dapat diterapkan pada motor induksi rotor lilit karena motor induksi memfasilitasi hal tersebut.
Penggerak mula yang digunakan adalah motor induksi yang rotornya dikopel dengan rotor generator. Kemudian DFIG dihubungkan dengan beban resistif murni 3 fase. Pengukuran dilakukan pada semua sisi DFIG baik pada bagian stator maupun bagian rotornya.
Kemudian beberapa parameter akan divariasi dan diamati pengaruhnya terhadap performa DFIG.
Simulasi dijalankan antara 15-30 detik untuk masing-masing perubahan nilai parameter pada DFIG. Kemudian data yang diambil adalah data saat DFIG dalam keadaan steady state. Nilai yang ditampilkan pada tabel merupakan nilai rms dari gelombang yang terukur.
A. DFIG dengan suplai rotor sumber tegangan 3 fase
Pada simulasi ini DFIG dijalankan dengan keadaan suplai rotor berasal dari jaringan/grid. Sumber tegangan AC 3 fase pada rangkaian mewakili grid pada sistem sebenarnya. Kemudian diamati pengaruh perubahan tegangan dan frekuensi masukan pada rotor. Beban yang digunakan diatur nilainya pada 100 Ω.
TABEL I
PENGARUH BESAR TEGANGAN MASUKAN TERHADAP TEGANGAN
KELUARAN DENGAN SUPLAI SUMBER TEGANGAN AC3FASE
Masukan ke rotor Output generator V rotor
(Volt)
Irotor
(Ampere) V beban (Volt) Fs (Hz)
20 0.9 39 100 40 1.8 78 100 60 2.7 117 100 80 3.6 156 100 110 5 215 100 130 5.9 254 100 150 6.8 293 100
Pada tabel 1 terlihat bahwa hubungan tegangan yang diberikan ke rotor berbanding lurus dengan keluaran generator. Hal ini jelas karena dengan menambah tegangan pada rotor maka arus yang mengalir juga akan semakin besar sehingga fluks medan magnetnya juga semakin besar. Sehingga tegangan pada stator semakin besar walaupun kecepatan penggerak mula nilainya tetap sama. Hubungan penambahan besar tegangan masukan dan tegangan keluaran dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5: Tegangan rotor terhadap tegangan stator TABEL II
HASIL PERCOBAAN PENGARUH PERUBAHAN INPUT FREKUENSI KE
ROTOR
Masukan ke rotor Output generator F rotor (Hz) I Rotor (Ampere) V Stator (Volt) F stator (Hz) 10 24.2 633 59 20 12.2 374 69 30 8.2 286 80 40 6.2 241 90 50 5 214 100 60 4.2 197 110 70 3.6 184 120
Pada simulasi berikutnya akan diamati pengaruh frekuensi masukan terhadap frekuensi keluaran. Simulasi dilakukan dengan mengubah-ubah nilai frekuensi masukan di rotor. Karena pengaruh frekuensi rotor maka frekuensi di stator juga akan ikut berubah meskipun kecepatan penggerak mula tetap 1500 rpm.
Perlu diperhatikan bahwa dalam nilai frekuensi catu daya rotor berbanding terbalik dengan nilai arus yang mengalir ke rotor (gambar 6).
Gambar 6: frekuensi rotor terhadap arus rotor
Hal ini dikarenakan adanya nilai XL (reaktans induktif) pada DFIG. Nilai XL ini dipengaruhi oleh besar frekuensi gelombang yang mengalir pada DFIG. Maka saat frekuensi rendah nilai XL juga rendah yang menyebabkan nilai impedans total rendah. Dengan nilai tegangan rotor yang konstan (110 V) maka nilai arus rotor hanya dipengaruhi nilai impedans totalnya.
B. DFIG dengan arah medan rotor berlawanan arah putaran rotor
DFIG disimulasikan dengan mengubah arah medan rotornya. Arah medan rotor dapat diubah dengan menukar hubungan salah satu fase pada catu daya rotor DFIG. Penggerak mula dioperasikan pada kecepatan 2100 rpm yang akan menghasilkan gelombang dengan frekuensi 70 Hz. Sedangkan sisi rotor diatur pada frekuensi 20 Hz agar keluaran DFIG memiliki frekuensi 50 Hz. Hasil simulasi terlihat pada gambar 7 dibawah ini
Gbr 7. Frekuensi stator saat medan rotor berlawanan arah putaran rotor
C. DFIG dengan suplai rotor generator sinkron
Pada simulasi ini rotor DFIG dihubungkan dengan sumber tegangan berupa generator sinkron. Simulasi ini untuk mewakili percobaan pada laboratorium
Transmisi dan Distribusi JTETI UGM. Selain itu juga bertujuan untuk mensimulasi keadaan dimana DFIG disuplai oleh pembangkit lainnya bukan langsung oleh grid. Penggerak mula yang digunakan sama seperti pengerak mula DFIG yaitu motor induksi sangkar tupai yang rotornya dikopel dengan generator sinkron. DFIG kemudian dihubungkan dengan beban resistif murni 3 fase 30 Ω.
TABEL III PENGARUH TEGANGAN ROTOR
Rotor (generator sinkron) Stator
V dc (volt) V Rotor (volt) V Beban (volt) Fs (Hz)
5 4.98 9.6 99 10 9.96 19.1 99 15 14.9 28.8 99 20 19 38.3 99 25 24.8 47.9 99 30 30 57.5 99 35 34.7 67 99 40 40 76.6 99 45 44 86 99 50 49.2 95.6 99 55 54 105 99
Pada simulasi ini variasi tegangan rotor diperoleh dengan memvariasikan tegangan eksitasi pada generator sinkron. Kemudian diamati pengaruhnya terhadap keluaran DFIG. Sama dengan simulasi sebelumnya, variasi nilai tegangan rotor tidak berpengaruh terhadap frekuensi keluaran DFIG. Hubungan antara tegangan eksitasi dan tegangan stator dapat dilihat pada gambar 8.
Gambar 8. Hubungan tegangan eksitasi terhadap tegangan stator Pada simulasi berikutnya akan divariasikan nilai frekuensi masukan pada rotor. Variasi frekuensi bisa didapat dengan mengubah-ubah frekuensi penggerak mula nya. Untuk tegangan eksitasi nilainya dijaga konstan pada 30 V DC. Hubungan antara frekuensi generator sinkron dengan frekuensi stator dapat dilihat lebih jelas pada gambar 9
Gambar 9 Hubungan antara frekuensi rotor dengan frekuensi stator
Pada model DFIG yang dibahas pada tinjauan pustaka, perubahan keluaran dari DFIG terjadi karena penambahan beban dan perubahan pada kecepatan penggerak mulanya akibat kecepatan angin yang memutar turbin angin yang tidak stabil. Kontrol keluaran DFIG diatur dengan mengubah-ubah nilai frekuensi masukan ke rotor. Dari hasil simulasi yang didapat bisa disimpulkan bahwa motor induksi rotor lilit berfungsi dengan baik sebagai DFIG.
IV. KESIMPULAN
Motor induksi rotor lilit tiga fase dapat dioperasikan sebagai DFIG. Tegangan masukan ke rotor nilainya berbanding lurus dengan tegangan keluaran dari DFIG. Melalui rotor juga dapat dilalukan pengaturan frekuensi keluaran dan pengaturan aliran daya. Selain melalui stator, daya aktif juga dapat dialirkan melalui rotor.
Karena itulah sistem DFIG digunakan pada turbin angin karena kemampuan dalam mengatasi frekuensi turbin yang tidak stabil. Yang perlu menjadi catatan adalah besarnya arus yang mengalir pada rotor dalam kondisi frekuensi rendah.
REFERENSI
[1] D. Ehlert and H. Wrede, "Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator Systems with Improved Performance due to Grid Requirements," Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE, June 2007.
[2] staff of Lab-Volt.ltd, Principles of Doubly-Fed Induction Generator (DFIG). Canada: Lab-Volt.ltd, 2011.
[3] Shuhui Li and Tim A. Haskew, "Energy Capture, Conversion, and Control Study of DFIG Wind Turbine under Weibull Wind Dstribution," Power & Energy Society General Meeting, IEEE, July 2009.
[4] H. Polinder, J.G. Slootweg, and W.L. Kling, "Dynamic Modelling of a Wind Turbine withe Doubly Fed Induction Generator," Power Engineering Society Summer Meeting, vol. 1, p. 6, 2001.
[5] A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley Jr., and Stepen D. Umans, Electric Machinery, 6th ed., Michelle L. Flomenhoft, Ed. New York, United States of America: McGraw-Hill, 2003. [6] Theodore Wildi, Electrical Machines, Drives, and Power
Systems, 5th ed. New Jersey: Pearson Education Inc, 2002. [7] R. Takahashi et al., "Efficiency Calculation of Wind Turbine
Generation," Electrical Machines (ICEM), 2010 XIX International Conference on, September 2010.
[8] S. Muller, M. Deicke, and R.W. De Doncker, "Doubly Fed Induction Generator Systems For Wind Turbines," Industry Applications Magazine, IEEE , vol. 8, no. 3, June 2002.
