Pengaturan Tegangan dan Frekuensi Generator Induksi Tiga Fasa Penguatan Sendiri

Menggunakan Voltage Source Inverter dan Electronic Load Controller

Yudhistira Bondan S 2208100046

Pembimbing : 1. Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D. 2. Ir.Teguh Yuwono

1

Latar Belakang Energi konvensional semakin menipis serta emisi polusi

dan gas rumah kaca meningkat

Energi terbarukan yang memanfaatkan air adalah salah satunya PLTPH

Pengoprasian PLTPH memiliki beberapa kelemahan, antara lain adalah setiap perubahan pembebanan sangat berpengaruh

terhadap keluaran generator induksi

2

Batasan Masalah Pemodelan dan simulasi menggunakan software

Powersim (PSIM)

Dalam simulasi hanya digunakan pembebanan resistif tiga fasa seimbang

Pembahasan harmonisa hanya sebatas untuk mengamati bentuk sinyal keluaran dari generator induksi baik sinyal tegangan

maupun sinyal arus

3

Kurva karakteristik mesin induksi

𝑆𝑆𝑆𝑆 =𝑁𝑆 − 𝑁𝑅𝑁𝑆

𝑥𝑥𝑥𝑥𝑥

Mesin Induksi

Torsi

Slip

Kondisi Motor

Kondisi generator

Ns > Nr

Nr > Ns

4

DFIG tidak dibahas dalam penelitian tugas akhir ini

Generator Induksi

Power electronic

DFIG

Prime mover

GRID

Doubly Fed Induction Generator ( DFIG )

5

Generator Induksi

SEIG merupakan generator induksi yang eksitasinya diperoleh dari kapasitor yang disusun

paralel terhadap statornya.

SEIG

Prime mover

CCC

LOAD

Self Excited Induction Generator ( SEIG )

6

Grafik eksitasi SEIG

Self Excited Induction Generator

Tegangan Sisa

0

V

IM

kapasitor

Saturasi

V= IM

ωCV

Tegangan Sisa

jXm

Im

-jXc

Mula-mula SEIG yang memiliki magnet sisa diputar diatas kecepatan sinkronnya dengan kondisi tanpa beban sampai menghasilkan tegangan yang relatif

kecil atau biasa disebut dengan tegangan sisa.

7

SEIG

Prime mover LOAD

LF

VSI

ELC

Static Compensator

Static Compensator : Voltage Source Inverter Electronic Load Controller

PGen Pload total

Pinv

Pgen = PLoad Total + Pinv

8

Pemodelan Secara Umum SEIG

Prime mover LOAD

CDC

Lf

CAC CAC CAC

∑ PI

Sudut Penyalaan

V

VDC Reff

VDC

∑PWM

Kontrol Arus

VAB Reff

VAB

ELC

VSI

VAB

PGEN PLOAD

P INV

9

Pemodelan Prime Mover (Turbin Air)

100 200 300 4000

100

200

300

400

1000

0

500

600

700

800

900

Day

a (w

att)

Tors

i (N

m)

10

20

30

40

100

0

50

60

70

80

90

Kecepatan putar (RPM)

DayaTorsi

Grafik daya dan torsi vs kecepatan putar turbin air

Prime mover yang digunakan memiliki nilai relatif konstan yang fluktuatif dan kecepatannya tidak ekstrim

10

Hubungan antara daya mekanik turbin, torsi turbin, dan kecepatan putar turbin dapat dituliskan dalam persamaan berikut : 𝑃𝑀 = 𝑇.ω

𝑃𝑀 = 𝑇.2.π.𝑅𝑃𝑅

6𝑥

𝑃𝑀 = 𝐷𝐷𝐷𝐷 𝑚𝑚𝑚𝐷𝑚𝑆𝑚 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑆𝑚 𝑇 = 𝑇𝑇𝑡𝑇𝑆 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑆𝑚 ω = 𝑚𝑚𝑘𝑚𝑆𝐷𝑡𝐷𝑚 𝑆𝑡𝑡𝐷𝑡 𝑡𝑡𝑡𝑡𝑆𝑚 𝑑𝐷𝑆𝐷𝑚 𝑡𝐷𝑑𝑆𝐷𝑚 𝑆𝑚𝑡 𝑑𝑚𝑡𝑆𝑚 𝑅𝑃𝑅 = 𝑅𝑇𝑡𝐷𝑡𝑆𝑇𝑚 𝑃𝑚𝑡 𝑅𝑆𝑚𝑡𝑡𝑚

Pemodelan Prime Mover (Turbin Air)

11

Pemodelan Generator Induksi Rotor Sangkar

Digunakan mesin induksi yang ada di laboratorium konversi energi elektrik

Parameter Nilai Type EM802-4

Kw/HP 0.75/1 Volt 220/380

Ampere 3.6/2.1 Seri No 001321

IP 55 Hz 50

RPM 1380

12

Nilai parameter mesin induksi berdasarkan hasil tes ditunjukkan pada tabel dibawah

Pemodelan Generator Induksi Rotor Sangkar

Parameter Definisi Nilai 𝑅𝑆 Resistansi stator 10.79 ohm 𝐿𝑆 Induktansi stator 0.095 H 𝑅𝑅 Resistansi rotor 10.08 ohm 𝐿𝑅 Induktansi rotor 0.095 H 𝐿𝑀 Induktansi magnetisasi 0.61 H 𝑃 Jumlah kutub 4

13

Untuk mengatur keluaran VSI agar sesuai dengan tegangan dan frekuensi SEIG maka dilakukan teknik

pensaklaran IGBT menggunakan SPWM.

Pemodelan VSI Tiga Fasa

LFS1 S3

S4 S6

S5

S2

CDC

Arus Inverter

14

Sinyal referensi SPWM diperoleh dari hasil perkalian antara Qset dan sin wt Sinyal referensi ini digunakan sebagai governor elektrik yang berfungsi untuk mempertahankan frekuensi sistem bernilai konstan sebesar 50 Hz

Pemodelan VSI Tiga Fasa

∑

VAB Reff

VAB PIV ERROR Q SET

∑I REFF PI

I INV

I ERROR I MODULASI

Sinyal Segitiga

KomparatorSin ωt

Q SETPWM

Kontrol Arus

15

Besar kecilnya nilai pembebanan yang diserap oleh ELC ditentukan oleh sudut penyalaan AC chopper pada masing-masing fasa.

Pemodelan ELC Beban AC

G4

G1

G5

G6

G3

G2

Va Vb Vc

R R R

Rangkaian Kontrol Sudut

penyalaan

16

Nilai pembebanan yang diserap ELC akan bernilai maksimal ketika sudut penyalaan pada masing-masing gate thyristor bernilai α = 𝑥°.

Begitu juga sebaliknya, pembebanan yang diserap ELC akan bernilai minimal ketika sudut penyalaan pada masing-masing gate thyristor bernilai α = 𝑥8𝑥°.

Pemodelan ELC Beban AC

17

nilai 𝑉𝐷𝐷 terukur pada kapasitor 𝐶𝐷𝐷 dibandingkan dengan nilai 𝑉𝐷𝐷 referensi

hasil perbandingan tersebut menghasilkan error yang kemudian diolah oleh kontroler PI

Keluaran PI kemudian diolah oleh sebuah arcosine computational block untuk menghasilkan nilai dalam besaran sudut

Pemodelan ELC Beban AC ∑ PI

VDC Reff

VDCcos-1

Sudut penyalaan

18

Pengaturan tegangan generator

Parameter Nilai Gain 2

Time constant 0.1 𝑉𝐴𝐴 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 3.8 volt

Pengaturan kontrol arus VSI

Gain 5 Time constant 0.0004

Frekuensi sinyal referensi 50 Hz

Frekuensi sinyal segitiga 5000 Hz

Parameter Simulasi Parameter pengaturan tegangan keluaran generator dan kontrol arus VSI

Pengaturan pembebanan ELC

Parameter Nilai Gain 36

Time constant 0.073 𝑉𝐷𝐷 𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟 8 Volt

Parameter pengaturan sudut penyalaan thyristor ELC

19

Ada tiga macam kondisi pembebanan pada penelitian tugas akhir ini, yaitu : Kondisi pembebanan konstan Kondisi penambahan pembebanan Kondisi pengurangan pembebanan

Hasil Simulasi dan Analisis

20

Hal-hal yang diamati pada masing-masing kondisi pembebanan antara lain adalah : Kecepatan putar rotor SEIG Tegangan keluaran dari SEIG Arus keluaran dari SEIG Daya aktif pada sistem

Hasil Simulasi dan Analisis

21

Dalam simulasi ini generator induksi penguatan sendiri dioperasikan denga pembebanan konstan, yaitu dengan pemasangan resistif 600 ohm.

Simulasi Pembebanan Konstan

22

Simulasi Pembebanan Konstan

Bentuk sinyal tegangan dan arus keluaran generator

23

Simulasi Pembebanan Konstan

24

Dalam simulasi ini generator yang awalnya dibebani dengan beban resistif 800 Ω diubah menjadi 500 Ω, karena semakin kecil nilai resistor yang terpasang maka semakin tinggi nilai pembebanannya

Simulasi Penambahan Pembebanan

25

Simulasi Penambahan Pembebanan

Kecepatan putar rotor akan berkurang ketika pembebanan generator bertambah

26

Simulasi Penambahan Pembebanan

27

Simulasi Penambahan Pembebanan

28

Simulasi Pengurangan Pembebanan

Dalam simulasi ini generator yang awalnya dibebani dengan beban resistif 500 Ω diubah menjadi 800 Ω, karena semakin besar nilai resistor yang terpasang maka semakin tinggi nilai pembebanannya.

29

Kecepatan putar rotor akan bertambah ketika pembebanan generator berkurang

Simulasi Pengurangan Pembebanan

30

Simulasi Pengurangan Pembebanan

31

Simulasi Pengurangan Pembebanan

32

Kesimpulan 1. Dengan menambahkan rangkaian elektronika daya

voltage source inverter (VSI) dan electronic load controller (ELC) pada sistem generator induksi tiga fasa penguatan sendiri maka tegangan dan frekuensi keluaran generator dapat dijaga konstan

2. Penggunaan PI controller dalam pengaturan sudut penyalaan ELC memiliki batasan dalam perubahan nilai pembebanan, PI controller tidak bekerja untuk perubahan nilai pembebanan yang ekstrim

3. Pengaturan tegangan dan frekuensi menggunakan ELC yang khususnya menggunakan ELC jenis pembebanan AC dapat berpengaruh terhadap kualitas tegangan dan arus keluaran dari generator. Bentuk sinyal tegangan tidak lagi sinusoidal akibat pengaruh dari penggunaan back to back thyristor sehingga juga berpengaruh terhadap nilai RMS tegangan tersebut

33

Terima Kasih

34