sistem pengaturan kecepatan motor induksi rotor belitan

9

Click here to load reader

Upload: anaknya-sihombing

Post on 18-Dec-2014

46 views

Category:

Documents


6 download

TRANSCRIPT

Page 1: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40

Sistem Pengaturan Kecepatan Motor InduksiRotor Belitan Menggunakan DC Chopper

Wijaya Kusuma 1

Sistem pengendalian slip digunakan pada motor induksi rotor belitan untukmengatur kecepatan putaran motor serta untuk memperbaiki kinerja dari sistemkendali, khususnya berhubungan dengan faktor daya dan efisiensi sistem secarakeseluruhan. Konverter thyristor 12-pulse digunakan sebagai mode inverter denganpenambahan DC chopper yang digunakan untuk mentransfer slip energi balik kesuplai utama AC melalui transformator tiga fasa. Pengaturan kecepatan motor inidilakukan dengan mengubah duty cycle dari chopper dengan mengubah sudutpenyalaan inverter. Dengan demikian faktor daya suplai akan dapat diperbaiki.

Kata-kata kunci:sistem pengendalian slip, motor induksi, rotor belitan, DCchopper

Abstract

This research introduces a slip energy recovery drive system for speed control of awound rotor induction motor offering improvement of drive performance,particularly line power factor and overall system efficiency. A 12-pulse linecommutated thyristor converter operating in an inverter mode in conjunction withan additional DC chopper is employed to transfer slip energy back to ac mainssupply via three phase transformers. This approach offers motor speed control byvarying the duty cycle of the chopper instead of changing the inverter firing angle.As a consequence, supply power factor can be improved.Keywords: slip, energy recovery, induction motor, wound rotor, DC chopper

I. PENDAHULUANAplikasi kendali motor induksi dengan kontrol daya pada sisi stator

banyak digunakan dalam aplikasi di industri. Aplikasi kendali ini dapatdigunakan baik pada motor induksi rotor sangkar maupun rotor belitan(wound rotor), dengan pertimbangan bebannya ringan, biaya murah, inertiarotor rendah, batasan kecepatan, pemeliharaan dan keandalan. Pada motorbelitan, daya slip dapat diberikan dengan mudah melalui slip-ring, yangkemudian dapat dikontrol secara mekanik atau elektronik untuk pengaturankecepatan motor.

1Wijaya Kusuma. Dosen Program Studi Teknik Listrik Jurusan Teknik Elektro,Politeknik Negeri Malang

Page 2: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024

Motor belitan ini mempunyai beberapa kelebihan. Daya slip untukpengaturan kecepatan dapat diatur dengan menggunakan konverter statiksehingga menghilangkan rugi disipasi pada resistor. Slip energy recoverydrives telah banyak digunakan dalam beberapa aplikasi, seperti pada pompakapasitas besar, kendali kipas, sistem variable-speed energi angin, sistemvariable-speed/ constant-frequency, variable-speed pompa hydro/generatordan utility system flywheel energy storage systems.

Slip energy recovery drivesyang dikenal sebagai sistem Scherbius inirelatif rendah biaya, rangkaian kontrolnya mudah dan mempunyai efisiensiyang tinggi pada putaran rendah. Sistem ini mentransfer daya dari rotormotor induksi kembali ke suplai AC utama untuk memperbaiki efisiensidrive.

Masalah dari slip energy recovery drives ini adalah rendahnya faktordaya, umumnya berkisar 0,4 - 0,6. Oleh karena itu, perlu dilakukan suatucara untuk memperbaiki rendahnya faktor daya ini, yaitu denganmenggunakan DC chopper yang digunakan untuk memperbaiki faktor dayasuplai pada range kecepatan antara 50%- 80% putaran sinkron. Selain ituskema ini juga digunakan untuk mengatur kecepatan motor dengan mengaturduty cycle dari chopper.

2. KAJIAN PUSTAKA2.1 Motor Induksi

Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik yang mempunyaipenggunaan paling luas, terutama pada industri. Motor induksi inimempunyai beberapa kelebihan, antara lain mempunyai kontruksi yangkokoh dan sederhana, pemeliharaan yang relatif mudah dan murahdibandingkan dengan motor arus searah. Motor induksi terdiri dari duabagian utama, yaitu stator dan rotor. Bagian rotor ini terdiri atas dua jenis,yaitu rotor sangkar (squirrel cage) dan rotor belitan (wound rotor). Motorinduksi rotor sangkar mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atasbeberapa konduktor yang disusun menyerupai sangkar tupai. Sedangkanrotor belitan terdiri dari tiga buah belitan yang tersusun dengan hubunganbintang (Y).

2.2 DC ChopperSesuai dengan kata aslinya, chopper dalam bahasa Indonesia mempunya

arti ‘pemotong’. Bila diartikan secara kamus, DC Chopper dapat diartikansebagai ‘pemotong arus searah’. Dan arti DC Chopper sebenarnya tidakbegitu jauh dari pengertianya sebagai pemotong arus searah.

Page 3: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40

Variabel yang diubah besarnya oleh DC Chopper adalah tegangan dcyang keluar dari penyearah gelombang penuh dan juga arus yang lewat padasaklar, dimana saklar disini adalah sebuah transistor. Bila besarnya Vaberubah maka besarnya Ia juga berubah. Untuk mengubah Vo melalui DCChopper dapat dilakukan dengan mengubah lamanya on atau off darikomponen chopper.

Hal ini dapat dilakukan dengan cara: constan frequency operation.Frekuensi f (periode T) dijaga konstan dan lamanya on dari t1 dibuatbervariasi. Ini dekenal dengan Pengaturan Lebar Pulsa atau PWM.

S

R0

Gambar 1. Rangkaian DC Chopper

Komponen Chopper dapat diimplimentasikan dengan menggunakan:1. Power Transistor2. Power mosfet3. GTO4. Komutasi paksa Thjyristor

Vs

Va Dm R0

S

(a) (b)

Gambar 2. DC Choper dengan beban R(a) Kondisi on, (b) Kondisi off

Keterangan :Vs : tegangan keluaran rectifier

Page 4: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024

Va : tegangan pada R0R0 : beban resistif

Dm : dioda freewheel

2.3 Sistem Pengendalian SlipSistem pengendalian slip ini terdiri dari motor induksi rotor belitan

(wound rotor), rectifier jembatan dioda, link induktansi, inverter jembatanthyristor dan sebuah transformator 3 fasa.

Sebagai tambahan, dipasang transformator step-down antara suplai ACdan modul inverter, sehingga rating tegangan inverter dan rectifier devicedapat dibuat lebih kecil daripada rating tegangan stator.

Gambar 3. Skema Sistem Pengendalian Slip

3. HASIL DAN PEMBAHASANPengujian yang dibahas dalam penelitian ini meliputi :

a. Bentuk gelombang arus dan spektrum harmonik.b. Faktor daya (PF), displacement power factor (DPF) dan total harmonic

distortion (THD).c. Efisiensi sistem (η).

Gambar 4. Bentuk GelombangAruspada SistemPengendalianSlipdengan chopperpada slip 0,5

Gambar 5. Bentuk GelombangArus pada Sistem PengendalianSliptanpa chopper pada slip 0,5

Page 5: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40

Gambar 4-5 menunjukkan bentuk gelombang arus pada penggunaansistem pengendalian slip dengan chopper dan sistem pengendalian slip tanpachopper pada slip 0,5. Bentuk gelombang arus line suplai (ILine) dari sistempengendalian slip tanpa chopper adalah lebih baik dibanding penggunaansistem pengendalian slip dengan chopper. Dengan demikian penambahanchopper tidak dapat memperbaiki kualitas arus line pada operasi putaranrendah.

Bentuk gelombang arus line inverter (Iinv) pada sistem pengendalian slipdengan chopper adalah lebih baik daripada sistem pengendalian slip tanpachopper. Bentuk gelombang arus stator (Istator) dan bentuk gelombang arus(Irotor) pada semua drive relatif sama.

Gambar 6. Spektrum HarmonicILine pada Sistem PengendalianSlipdengan chopper pada slip0,5

Gambar 7. Spektrum HarmonicILine pada Sistem PengendalianSliptanpa chopper pada slip 0,5

Gambar 6-7 menunjukkan spektrum harmonik arus line suplai (ILine)mengacu pada Gambar 4-5. Magnitude arus fundamental dari sistempengendalian slip dengan chopper paling kecil dibanding sistempengendalian slip tanpa chopper. Penambahan chopper mengakibatkanturunnya magnitude arus fundamental, tetapi meningkatkan faktor daya.

Gambar 8. Bentuk GelombangSistem Pengendalian Slip denganchopper pada slip 0,2

Gambar 9. Bentuk GelombangSistem Pengendalian Slip tanpachopper pada slip 0,2

Page 6: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024

Gambar 8-9 menunjukkan bentuk gelombang arus sistem drive padaoperasi putaran tinggi. Berbeda dengan saat operasi putaran rendah, sistempengendalian slip dengan chopper mempunyai bentuk gelombang palingbagus dibanding sistem pengendalian slip tanpa chopper. Hasil inimenunjukkan bagaimana kondisi pengoperasian sistem pengendalian sliptanpa chopper pada daerah putaran tinggi.

Gambar 10. Spektrum HarmonicILine pada Sistem PengendalianSlipdengan chopper pada slip 0,2

Gambar 11. Spektrum Harmonic ILinepada Sistem Pengendalian Sliptanpachopper pada slip 0,2

Gambar 10-11 menunjukkan spektrum harmonik dari arus line suplaimengacu pada Gambar 8-9. Sedangkan magnitude dari arus fundamentaldan besarnya harmonik pada setiap drive adalah sama pada operasi putarantinggi.Tabel 1. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,6

Teknik Drive THDv(%) THDi(%) DPF PF η (%)SistemPengendalian Slipdengan chopper

1,0 13,2 0,62 0,60 31,41

SistemPengendalian Sliptanpa chopper

1,0 8,4 0,43 0,42 31,41

Tabel 2. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,5Teknik Drive THDv(%) THDi(%) DPF PF η (%)

SistemPengendalian Slipdengan chopper

1,0 12,2 0,70 0,68 39,27

SistemPengendalian Sliptanpa chopper

1,0 7,0 0,49 0,48 36,81

Page 7: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Wijaya Kusuma, Sistem Pengaturan Motor Induksi, Halaman 33-40

Tabel 3. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,2Teknik Drive THDv(%) THDi(%) DPF PF η(%)

SistemPengendalian Slipdengan chopper

1,0 5,7 0,73 0,72 52,36

SistemPengendalian Sliptanpa chopper

1,0 6,4 0,58 0,56 41,88

Tabel 4. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,1Teknik Drive THDv(%) THDi(%) DPF PF η(%)

SistemPengendalian Slipdengan chopper

1,0 3,9 0,80 0,77 54,37

SistemPengendalian Sliptanpa chopper

1,0 6,2 0,60 0,58 44,16

Tabel 1-4 menunjukkan perbandingan kinerja drive pada slip 0,6; 0,5;0,2 dan 0,1. Teknik drive sistem pengendalian slip dengan choppermenghasilkan faktor daya paling tinggi dibanding yang diperoleh darisistem pengendalian slip tanpa chopper pada range kecepatan tersebut.Efisiensi sistem dari sistem pengendalian slip dengan chopper juga relatifpaling tinggi dibanding sistem pengendalian slip tanpa chopper. Faktordaya, displacement power factor dan efisiensi pada seluruh drive padaputaran tinggi adalah lebih tinggi daripada saat operasi putaran rendah.

Total harmonic distortion (THD) dari arus suplai pada sistempengendalian slip dengan dengan chopper adalah sangat baik dibandingsistem pengendalian slip tanpa chopper pada operasi putaran tinggi, tapitidak demikian bila beroperasi pada putaran rendah. Akibatnya perbaikanperforma dengan sistem pengendalian slip dengan chopper ini lebih tepatpada operasi putaran tinggi.

4. PENUTUPDari pengujian kinerja drive pada motor induksi wound rotor dengan

operasi putaran tinggi dan rendah, diperoleh hasil:1. Teknik drive sistem pengendalian slip dengan chopper :

a. Pada slip 0,6 diperoleh THDV 1,0%, THDi 13,2%, displacement factor0,62, power factor 0,60 dan efisiensi 31,41%.

Page 8: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

Jurnal ELTEK, Volume 09 Nomor 02, Oktober 2011 ISSN 1693-4024

b. Pada slip 0,5 diperoleh THDV 1,0%, THDi 12,2%, displacement factor0,7, power factor 0,68 dan efisiensi 39,27%.

c. Pada slip 0,2 diperoleh THDV 1,0%, THDi 5,7%, displacement factor0,73, power factor 0,72 dan efisiensi 52,36%.

d. Pada slip 0,1 diperoleh THDV 1,0%, THDi 3,9%, displacement factor0,80, power factor 0,77 dan efisiensi 54,37%.

2. Teknik drive sistem pengendalian slip tanpa chopper :a. Pada slip 0,6 diperoleh THDV 1,0%, THDi 8,4%, displacement factor

0,43, power factor 0,42 dan efisiensi 31,41%.b. Pada slip 0,5 diperoleh THDV 1,0%, THDi 7,0%, displacement factor

0,49, power factor 0,48 dan efisiensi 36,81%.c. Pada slip 0,2 diperoleh THDV 1,0%, THDi 6,4%, displacement factor

0,58, power factor 0,56 dan efisiensi 41,88%.d. Pada slip 0,1 diperoleh THDV 1,0%, THDi 6,2%, displacement factor

0,60, power factor 0,58 dan efisiensi 44,16%.3. Berdasarkan hasil pengujian diperoleh bahwa teknik drive sistem

pengendalian slip dengan chopper adalah yang paling baik biladibandingkan dengan sistem pengendalian slip tanpa chopper ditinjaudari faktor daya suplai, efisiensi sistem dan nilai THD, khususnya bilamotor dioperasikan pada putaran tinggi.

5. DAFTAR PUSTAKABorges L.E. da Silva, Nakashima, K.,. Torres, G.L, V. Ferreira da Silva, G.

Olivier and G.-E. April .1991. Improving Performance of Slip-RecoveryDrive: An Approach using Fuzzy Techniques. 0-7803-0453-5/ 1991IEEE.

Faiz, J., Barati, H, dan E, Akpinar. 2001. Harmonic Analysis andPerformance Improvement of Slip Energy Recovery Induction MotorDrives. 2001. IEEE Trans. Power Electron. 16 (3) (2001)

Krishnan, R. 2001, Electric Motor Drives Modeling Analysis and Control,Prentice-Hall, Inc.

Papathanassiou, S.A dan Papadopoulos, M.P. 1998. Commutation AngleAnalysis of Slip Energy Recovery Drive. IEEE Trans. Energy Convers. 13(1) (1998)

Sen, P.C dan K.H.J. Ma.1978. Constant Torque Operation of InductionMotors using Chopper in Rotor Circuit. IEEE Trans. Ind. Appl. 14 (5)(1978)

Page 9: Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

41