dc 5 l or diagram blok dan prinsip kerja deprints.umm.ac.id/42824/4/bab iii.pdf · menggunakan...
TRANSCRIPT
14
BAB III
METODOLOGI PENELITIAN
Pada bab ini akan dijelaskan bagaimana pemodelan 5level diode clamped
multilevel inverter beserta control PID-nya. Yaitu membuat desain dan simulasi
menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa
rotor sangkar tupai , multilevel inverter, 5Level diode clamped multilevel inverter,
phase opposition disposition PWM (POD PWM), dan vector control.
3.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja
Berikut adalah blok diagram sistem yang telah di rancang.
Speed
Reference
Control
PID
Vector
Control
POD
PWM
5 Level
Diode Clamped
Multilevel Inverter
Motor
Induksi
Tiga Fasa
Speed
Actual
Iabc
Actual
Sumber
DC
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem MLI sebagai pengontrol motor induksi
Pada Gambar 3.1 sumber tegangan DC digunakan sebagai input pada sumber 5
level MLI. Tegangan DC kemudian di ubah menjadi tegangan AC dengan frekuensi
yang diinginkan untuk menjalankan motor induksi. Kecepatan actual dari motor
induksi diumpanbalikkan ke kontrol PID dan akan dibandingkan dengan kecepatan
referensi pada blok vector control. Arus Iabc actual juga akan diumpanbalikkan ke
blok vector control. Sehingga dari blok vector control akan dihasilkan arus Iabc
referensi. Arus referensi dari vector control akan masuk ke blok POD PWM. Kemudian
pada blok POD PWM arus referensi akan dimodulasikan dengan 4 sinyal segitiga yang
semua gelombang pembawa diatas referensi nol berada dalam fasa yang sama dan di
15
bawah nol berada 1800 dari fasa awal. Sehingga dari blok POD PWM ini akan
dihasilkan sinyal pulsa. Sinyal pulsa ini akan digunakan untuk pengaturan switching
IGBT pada 5 level Diode clamped multilevel inverter.
3.2 Perancangan Simulasi Dan Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa
Pada penelitian ini jenis motor yang digunakan adalah motor sangkar tupai atau
squirrel cage. Model motor ini telah disediakan dalam SimPowerSystemTM library.
Model dan parameter motor squirrel cage sebagaimana ditunjukkan pada Tabel 3.1 dan
Gambar 3.2 berikut ini.
Tabel 3.1 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa
Nominal Power 20 HP
Line to line voltage 460 V
Kecepatan 1760 RPM
Frequency 60 Hz
Stator resistance 0.2761 Ohm
Stator inductance 0.002191 Henry
Rotor resistance 0.1645 Ohm
Rotor inductance 0.002191 Henry
Mutual inductance 0.07614 Henry
Inertia 0.1 kg/m2
Friction factor 0.01771 N.m.s
Pole pairs 2
Gambar 3.2 Model Motor Induksi Tiga Fasa
16
Model motor yang digunakan adalah motor induksi tiga fasa squirrel cage
dengan daya motor 20 HP yang setara dengan 15 Watt. Blok konfigurasi dan parameter
pada motor seperti pada Gambar 3.3 dan Gambar 3.4 dibawah ini.
.
Gambar 3.3 Configuration Motor Induksi
(Sumber : MATLAB Simulink)
17
Gambar 3.4 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa
(Sumber : MATLAB Simulink)
3.3 Pemodelan 5 Level Diode Clamped Multilevel Inverter
Multilevel inverter mempunyai fungsi sama dengan inverter konvensinal yaitu
mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Perbedaannya ialah pada umumnya
multilevel inverter memiliki beberapa sumber DC yang kemudian akan di ubah
menjadi tegangan AC. Multilevel inverter melakukan pensaklaran secara bergantian
terhadap komponen switching yaitu Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT). IGBT
yang digunakan memiliki nilai snubber resistance (Rs) = 1e-3 Ohm, snubber
capacitance (Cs) = inf, internal resistance (Ron) = 1e-5 Ohm seperti terlihat pada
Gambar3.7 dan Gambar 3.8. Sehingga sumber DC akan menghasilkan pola sesuai
dengan waktu nyala dan waktu mati ketika komponen switching tersebut di trigger dan
terbentuk pola gelombang sinusoidal. Nilai sumber DC yang digunakan sebesar 460
Volt sesuai motor yang digunakan. Berikut pemodelan 5- Level diode clamped
multilevel inverter.
18
Gambar 3.5 Rangkaian 5 level diode clamped bridge Multilevel Inverter Tiga Fasa
Gambar 3.6 Rangkaian Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
(Sumber : MATLAB Simulink)
19
Gambar 3.7 Parameter Blok Sumber DC
(Sumber : MATLAB Simulink)
Gambar 3.8 Blok Parameter IGBT Default MATLAB
(Sumber : MATLAB Simulink)
20
3.4 Pemodelan Vector Control
Pada vector control ini terdapat beberapa blok kontrol diantaranya adalah id*
calculation, iq* calculation, teta calculation, flux calculation, ABC to dq conversion
dan dq to ABC conversion.
3.4.1 Current Calculation Diagram
Pada blok ini terdapat 2 bagian diantaranya ialah : current Id* dan current Iq*
calculation. Tanda * menunjukkan bahwa arus diharapkan (desire). Current Id*
berfungsi untuk menghasilkan arus Id* yaitu komponen arus d-axis referensi pada
stator. Dengan input flux rotor referensi (phir*). Sedangkan current Iq* berfungsi
menghasilkan arus Iq* yaitu komponen arus q-axis sebagai control torque motor,
bergantung pada Phir* dan Te*. Te* diperoleh dari blok speed controller dengan
masukan 𝜔𝑟𝑒𝑓 = 200 dan controller PID dengan konstanta Kp=1, Ki=1 dan Kd=0 nilai
Phir* umumnya mendekati satu tergantung pada slip motor induksi, yaitu sebesar 0.96
[3]. Berikut perhitungan untuk mentukan current Iq* serta dengan tampilan blok
diagramnya.
𝐼𝑞 = ( 2
3) ∗ (
2
𝑃) ∗ (
𝐿𝑟
𝐿𝑚) ∗ (
𝑇𝑒
𝑃ℎ𝑖𝑟) (3-1)
Dengan :
𝐿𝑚 = 76.14 𝑚𝐻
𝐿𝑟 = 𝐿𝑙′𝑟 + 𝐿𝑚 = 2.191 + 76.14 = 78.331 𝑚𝐻 (3-2)
𝑃 = 𝑛𝑏 𝑜𝑓 𝑝𝑜𝑙𝑒𝑠 = 4
Maka :
𝐼𝑞 = 0.3429 ∗ (𝑇𝑒
𝑃ℎ𝑖𝑟)
Gambar 3.9 Iq* Calculation Diagram
21
Sedangkan perhitungan untuk menentukan current Id* dan tampilan blok
diagramnya seperti berikut.
𝐼𝑑∗ =𝑃ℎ𝑖𝑟
𝐿𝑚 (3-3)
Dengan : 𝐿𝑚 = 76.14 𝑚𝐻
Gambar 3.10 Id* Calculation Diagram
3.4.2 Teta Calculation
Teta calculation berfungsi menghasilkan nilai teta yaitu untuk menentukan phase
angle dari flux rotor. Dengan input fluks rotor (phir), kecepatan motor aktual (𝜔𝑚), dan
arus Iq dari hasil keluaran ABC to dq conversion. Berikut ini perhitungan dan blok
diagram teta calculation.
Teta = Electrical angle = integ ( wr + wm) (3-4)
Wr = rotor frequency (rad/s) = 𝐿𝑚 ∗ 𝐼𝑞/(𝑇𝑟 ∗ 𝑃ℎ𝑖𝑟) (3-5)
Wm = rotor mechanical speed (rad/s)
Dengan :
𝐿𝑚 = 76.14 𝑚𝐻
𝐿𝑟 = 𝐿𝑙′𝑟 + 𝐿𝑚 = 2.191 + 76.14 = 78.331 𝑚𝐻
𝑅𝑟 = 0.1645 𝑂ℎ𝑚
𝑇𝑟 =𝐿𝑟
𝑅𝑟= 0.4762 𝑠
Gambar 3.11 Rangkaian Teta Calculation
22
3.3.3 Flux Calculation
Fungsi Flux calculation ialah untuk menghasilkan flux rotor (phir), dengan input
arus Id dari hasil keluaran ABC to dq conversion. Kemudian hasil dari bagian ini adalah
phir yang terukur dan digunakan untuk menghitung 𝐼𝑞𝑠 setiap saat. Discrete transfer
function merupakan bagian yang paling penting dalam blok ini. Transfer function yang
muncul karena perubahan yang terjadi setiap saat adalah orde satu dengan periode
0.4762 s (dari perhitungan Lr/Rr) dipakai untuk mengintegrasikan perkalian Id dan Lm
menjadi Phir. Berikut hasil perhitungan dan blok diagram teta calculation.
Phir =𝐿𝑚∗𝐼𝑑
1+𝑇𝑟.𝑠
Dengan :
Lm = 76.14 mH (3-6)
Tr = Lr/Rr = 0.4762 s, dengan Rr = 0.1645 Ohm
Lr = LI’r + Lm = 2.191 + 76.14 = 78.331 mH
Gambar 3.12 Rangkaian Flux Calculation
3.3.4 Blok Transformasi
Blok ini terdapat dua blok utama, yaitu blok ABC to dq dan dq to ABC. Blok ABC
to dq berfungsi merubah arus current Ia,Ib,Ic yang terukur di stator motor induksi,
menjadi current Direct-Quadratic. Blok ini membutuhkan pergeseran sudut antara
Direct dan Quadratic Teta calculation dalam fungsi sinus/cosinus.
Sebaliknya yaitu blok dq to ABC merubah current Direct-Quadratic references
menjadi current references Ia*,Ib*Ic*, yang akan menjadi input pada blok IPD PWM.
Blok dq to ABC juga membutuhkan pergeseran sudut antara direct dan quadratic Teta
23
calculation dalam fungsi sinus/cosinus. Berikut diagram blok ABC to dq dan dq to
ABC.
Gambar 3.13 ABC to dq conversion
Gambar 3.14 dq to ABC Conversion
3.4.5 PID Control
Kontrol PID pada simulasi ini sebagai pengatur kecepatan motor induksi tiga
fasa. Pemberian nilai pada masing-masing controller proposional, integral, dan
derivative dapat menentukan karakteristik taggapan wawasan waktu, seperti lewatan
maksimun (Mp), waktu naik (tr), waktu puncak (tp), dan waktu penetapan (ts). Pada
penelitian ini telah ditentukan parameter yang cocok untuk penelitian ini adalah Kp=1,
Ki=1 dan Kd=0. Berikut adalah gambar dan parameter PID controller yang terdapat
pada matlab simulink terlihat pada Gambar 3.15 dan Gambar 3.16.
Gambar 3.15 Perancangan Kontrol PID
24
Gambar 3.16 Parameter Kontrol PID
(Sumber : Matlab Simulink)
3.4 Pemodelan Phase Oposition Disposition (POD PWM)
Beberapa teknik multicarrier telah dikembangkan untuk menggurangi distorsi
pada multilevel inverter. Salah satunya ialah (POD) phase Oposition Disposition. Di
mana sinyal pembawa dengan frekuensi tinggi akan dibandingkan dengan sinyal
referensi sinusoidal untuk menghasilkan sinyal yang akan di switching ke dalam
multilevel inverter. Sebagaimana dapat di lihat pada Gambar 3.17.
Gambar 3.17 phase Oposition Disposition (POD) [8]
Semua bentuk gelombang pembawa di atas nol referensi berada dalam fase dan 180
derajat berbeda dengan fase yang di bawah nol. Sinyal fundamental mempunyai nilai
25
frekuensi 60 Hz. Sedangkan nilai frekuensi sinyal pembawa sesuai dengan rumus :
𝑚𝑓 = 𝑓𝑠
𝑓1 (3-7)
51 = 𝑓𝑠
50 (3-8)
𝑓𝑠 = 60 𝑥 51
𝑓𝑠 = 3060 𝐻𝑧
Nilai dari 𝑚𝑓 merupakan bilangan bulat, sesuai dengan teori yaitu harus
kelipatan 3 untuk inverter tiga fasa. Pemodelan SVPWM untuk 5 level diode clamped
multilevel inverter menggunakan teknik pemicuan phase opposition disposition
Modulasi skema membutuhkan sinyal fundamental 60 Hz dengan sinyal
segitiga sebanyak (m-1). Semua sinyal segitiga berada pada sudut yang berbeda 180
derajat seperti pada gambar 3.17. Berikut rumus untuk menentukan jumlah sinyal
segitiga untuk multilevel inverter.
𝑆 = 𝑚 − 1 (3-8)
Dengan :
S = Jumlah sinyal segitiga
m= Jumlah level multilevel inverter
dengan menggunakan persamaan diatas didapatkan jumlah sinyal segitiga
S= 5-1
S= 4 Sinyal segitiga
Untuk menentukan Amplitudo setiap sinyal segitiga:
𝐴𝑚 = 2
(𝑚−1) (3-9)
𝐴𝑚 = 2
(5−1)
𝐴𝑚 = 0,5
Sehingga amplitude sinyal segitiga-nya adalah sebagai berikut:
𝐴𝑚1 = (−0.25) − (−5)
𝐴𝑚2 = 0 − (−0.25)
26
𝐴𝑚3 = 0 − 0.25
𝐴𝑚4 = 0.25 − 0.5
Sehingga nilai amplitudo pada POD PWM seperti gambar 3.17. Pemodelan
POD PWM untuk 5 level diode clamped multilevel inverter di tunjukan pada gambar
3.18. Untuk parameter POD PWM pada Gambar 3.19
Gambar 3.18 Pemodelan POD PWM untuk 5 level diode clamped
multilevel inverter
Dari perhitungan diatas dapat kita ketahui parameter untuk POD PWM yang
sesuai dengan DCMLI. Di mana pada 5level Diode clamped Multilevel Inverter
membutuhkan 4 sinyal pembawa. Blok parameter POD PWM terlihat pada Gambar
3.19, Untuk 𝐴𝑚1 pada Gambar 3.20, 𝐴𝑚2 pada Gambar 3.21, 𝐴𝑚3 pada Gambar 3.22,
dan 𝐴𝑚4 pada Gambar 3.23.
Diketahui :
mF = Modulasi frekuensi
f = Frekuensi
27
Gambar 3.19 Blok parameter POD PWM
Gambar 3.20 Parameter Sinyal Segitiga Am1
28
Gambar 3.21 Parameter Sinyal Segitiga Am2
Gambar 3.22 Parameter Sinyal Segitiga Am3
29
Gambar 3.23 Parameter Sinyal Segitiga Am4