modified slip energy recovery drive

PENGGUNAAN MODIFIED SLIP ENERGY RECOVERY DRIVE (MSERD) PADA SISTEMPENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI ROTOR BELITAN

Harrij Mukti K

Abstrak : Sistem Modified Slip Energy Recovery Drive (MSERD) digunakanpada motor induksi rotor belitan (wound rotor) untuk mengatur kecepatanputaran motor serta untuk memperbaiki kinerja dari sistem kendali,khususnya berhubungan dengan faktor daya dan efisiensi sistem secarakeseluruhan. Konverter thyristor 12-pulse digunakan sebagai mode inverterdengan penambahan IGBT shunt chopper yang digunakan untukmentransfer slip energi kembali ke suplai utama AC melalui transformatortiga fasa. Pengaturan kecepatan motor ini dilakukan dengan mengubah dutycycle dari chopper dengan mengubah sudut penyalaan inverter. Dengandemikian faktor daya suplai akan dapat diperbaiki.

Kata kunci: Slip energy recovery, Motor Induksi, Rotor Belitan, Konverter,Chopper

Aplikasi kendali motor induksidengan kontrol daya pada sisistatorbanyak digunakan dalamaplikasi industri. Aplikasi ken-dali ini dapat digunakan baikpada motor induksi rotorsangkar maupun rotor belitan(wound rotor), dengan pertim-bangan beban-nya ringan,biaya murah, inertia rotor ren-dah, batasan kecepatan, pe-meliharaan dan keandalan.Pada motor belitan, daya slipdapat diberikan dengan mudahmelalui slip-ring, yang kemudi-an dapat dikontrol secara me-kanik atau elektronik untukpengaturan kecepatan motor.

Motor belitan ini memili-ki beberapa kelebihan. Dayaslip untuk pengaturan kecepat-an dapat diatur dengan meng-gunakan konverter statik se-hingga menghilangkan rugidisipasi pada resistor. Slippower recovery drives telahbanyak digunakan dalambeberapa aplikasi, seperti pa-

da pompa kapasitas besar, kendalikipas, sistem variable-speed energiangin, sistem variable-speed/ constant-frequency,variable-speed pompa hydro/generator dan utility system flywheelenergy storage systems.

Slip energy recovery drives(SERD) yang dikenal sebagai sistemScherbius ini relatif rendah biaya,rangkaian kontrolnya mudah danmempunyai efisiensi yang tinggi padaputaran rendah. SERD mentransferdaya dari rotor motor induksi kembali kesuplai AC utama untuk memperbaikiefisiensi drive.

Berbeda dengan pengontrolantegangan stator pada kendali motorinduksi, unit SERD ini dapat didesainlebih kecil dan lebih murah. Masalahdari SERD ini adalah rendahnya faktordaya,umumnya berkisar 0,4 - 0,6. Olehkarena itu, perlu dilakukan suatu carauntuk memperbaiki rendahnya faktordaya ini, yaitu dengan menggunakanModified slip energy recovery drives(MSERD).

Sistem MSERD ini mengguna-kan 12-pulse konverter dan IGBT shunt

1

Harrij Mukti adalah Dosen Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Malang

Harrij Mukti, Penggunaan Modified Slip Energy Recovery Drive (Mserd) Pada Sistem PengaturanKecepatan Motor Induksi Rotor Belitan

chopper yang digunakan untukmemperbaiki faktor daya su-plai pada range kecepatanantara 50% - 80% putaransinkron.

Tujuan dari pembahas-an MSERD ini adalah untukmemperbaikifaktor daya suplaidengan menggunakan choppertipe IGBT yang dikombinasikandengan 12-pulse konverterthyristor. Selain itu skema inijuga digunakan untuk meng-atur kecepatan motor denganmengatur duty cycle darichopper.

METODE

Slip Energy Recovery Drive(SERD)

SERD ini terdiri darimotor induksi rotor belitan(wound rotor), rectifier jembat-an dioda, link induktansi, in-verter jembatan thyristor dansebuah transformator 3 fasa.

Sebagai tambahan, di-pasang transformator step-down antara suplai AC danmodul inverter, sehingga ratingtegangan inverter dan rectifierdevice dapat dibuat lebih kecildaripada rating tegangan sta-tor. Seperti yang ditunjukkandalam Gambar 1.

Gambar 1. Skema Slip EnergyRecovery Drive (SERD)

Modified Slip Energy RecoveryDrive (MSERD)

Ditunjukkan dalam Gambar 2,rangkaian MSERD ini terdiri darirectifier jembatan dioda, induktor DClink, IGBT shunt chopper dan konverterthyristor 12-pulse yang beroperasisebagai inverter yang tersusun dari 2buah konverter 6-pulse terhubungparalel, dan 2 buah transformator 3fasa dengan hubungan Y–Y dan Y–Δ.

Gambar 2. Skema Modified SlipEnergy Recovery Drive (MSERD)

Tujuan dari penggunaan trans-formator hubungan Y–Y danY–Δ adalahuntuk memperoleh pergeseran sudut30º antara sumber ac dan masing-masing jembatan thyristor. Bentukgelombang tegangan dc dari keduakonverter adalah sama, tetapi berbeda30º. Tegangan dc rata-rata ini dinya-takan dalam persamaan :

cos

23

T

si a

VV (1)

Dimana aT adalah rasio transformator,Vs adalah tegangan rms line α adalahsudut delay.

Arus ac dari transformatorhubungan Y-Y dinyatakan dalam deretFourier dalam persamaan :

2 TEKNO, Vol: 11, Maret 2009, ISSN : 1693-8739

tttiti y 0000 7cos7

1cos

5

1(cos

32)(

...)13cos13

111cos

11

100 tt

(2)

Sedangkan arus ac daritransformator hubungan Y–Δdinyatakan dalam deret Fourierdalam persamaan :

tttiti 0000 7cos7

1cos

5

1(cos

32)(

...)13cos13

111cos

11

100 tt

(3)

Sedangkan arus line ac totaldari kedua transformatortersebut adalah:

ttiti ac 000 11cos11

1(cos

34)(

...)13cos13

10 t

(4)Seperti yang ditunjuk-

kan dalam Gambar 2, shuntchopper tipe IGBT melewatiterminal dc dari konverterdengan tujuan untuk memper-baiki faktor daya suplai.

Pemodelan dc LinkMengacu pada Gambar

2, maka arus id dari dc linkdapat dinyatakan :

dm

sdr

sd

sd

La

Vi

L

V

dt

di 35,1135,1

|)cos|)1(1( D ,(5)

dimana am adalah rasio lilitanstator terhadap rotor, ωskecepatan sinkron dan ωradalah kecepatan rotor.

Dari persamaan (5),maka kecepatan motor dapat

dikontrol oleh Vi mengacu pada sudutdelay (α) atau duty cycle (D) pada dclink. Rangkaian dc link ditunjukkandalam Gambar 3.

Gambar 3. Rangkaian dc Link

Sedangkan besarnya torsielektromagnetik dinyatakan dalampersamaan :

d

s

sd i

a

VT

35,11

(6)

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 totalharmonic distortion (THD).

c. Efisiensi sistem (η).

Gambar 4. Bentuk Gelombang Arus padaMSERD dengan chopper pada slip 0,5

Harrij Mukti, Penggunaan Modified Slip Energy Recovery Drive (Mserd) Pada Sistem PengaturanKecepatan Motor Induksi Rotor Belitan 3

Gambar 5. Bentuk Gelombang Aruspada MSERD tanpa chopper pada

slip 0,5

Gambar 6. Bentuk Gelombang Aruspada SERD pada slip 0,5

Gambar 4, gambar 5dan gambar 6 menunjukkanbentuk gelombang arus padapenggunaan MSERD denganchopper, MSERD tanpa chop-per and SERD pada slip 0,5.Bentuk gelombang arus linesuplai (ILine) dari MSERD tanpachopper adalah lebih baikdibanding penggunaan padaMSERD dengan chopper danSERD.Bentuk gelombang arusline suplai pada MSERDdengan chopper relatif lebihbaik daripada SERD. Dengandemikianpenambahan chopper

tidak dapat memperbaiki kualitas arusline pada operasi putaran rendah.

Bentuk gelombang arus lineinverter (Iinv) pada MSERD denganchopper adalah lebih baik daripadaMSERD tanpa chopper dan SERD.Bentuk gelombang arus stator (Istator)dan bentuk gelombang arus (Irotor)pada semua drive relatif sama. Meskidemikian, bentuk gelombang arus rotorSERD lebih jelek karena efek dari ripplearus dc link. Hal ini sesuai fakta bahwakonverter 6-pulse memberikan ripplearus dc link yang lebih besar dibandingkonverter 12-pulse.

Gambar 7. Spektrum Harmonic ILine padaMSERD dengan chopper pada slip 0,5

Gambar 8. Spektrum Harmonic ILine padaMSERD tanpa chopper pada slip 0,5


Gambar 9. Spektrum Harmonic ILine

pada SERD pada slip 0,5

Gambar 7, gambar 8,dan gambar 9 menunjukkanspektrum harmonik arus linesuplai (ILine) mengacu padaGambar 4 sampai dengangambar 6. Magnitude arus fun-damental dari MSERD denganchopper paling kecil dibandingMSERD tanpa chopper danSERD. Penambahan choppermengakibatkan turunnya mag-nitude arus fundamental, tetapimeningkatkan faktor daya.

Gambar 10. Bentuk GelombangMSERDdengan chopper

pada slip 0,2

Gambar 11. Bentuk Gelombang MSERDtanpa chopper pada slip 0,2

Gambar 12. Bentuk Gelombang SERDpada slip 0,2

Gambar 10 sampai gambar 12menunjukkan bentuk gelombang arussistem drive pada operasi putarantinggi. Berbeda dengan saat operasiputaran rendah, MSERD denganchopper mempunyai bentuk gelombangpaling bagus dibanding MSERD tanpachopper dan SERD. Hasil ini menun-jukkan bagaimana kondisi pengoperasi-an MSERD tanpa chopper dan SERDpada daerah putaran tinggi.



pada MSERD dengan chopper padaslip 0,2


pada MSERD tanpa chopper padaslip 0,2


pada SERD pada slip 0,2

Gambar 13 sampaigambar 15 menunjukkan spek-trum harmonik dari arus linesuplai mengacu pada Gambar

10 sampai dengan gambar 12.Sedangkan magnitude dari arusfundamental dan besarnya harmonikpada setiap drive adalah sama padaoperasi putaran tinggi.

Tabel 1. Persentase THD, DPF, PF danefisiensi (η) pada slip = 0,6 (putaran 600 rpm)

TeknikDrive

THDv(%)

THDi(%)

DPF PF η (%)

MSERDdenganchopper

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

MSERDtanpachopper

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

SERD 1,0 13,3 0,44 0,42 32,49


TeknikDrive

THDv(%)

THDi(%)

DPF PF η(%)

MSERDdenganchopper

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

MSERDtanpachopper

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

SERD 1,0 12,5 0,47 0,46 35,70


TeknikDrive

THDv(%)

THDi(%)

DPF PF η(%)

MSERDdenganchopper

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

MSERDtanpachopper

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

SERD 1,0 12,2 0,54 0,52 40,97


Tabel 4. Persentase THD, DPF, PF dan efisiensi (η) pada slip = 0,1 (putaran 1350 rpm)

Teknik Drive THDv(%)

THDi(%)

DPF PF η(%)

MSERD denganchopper

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

MSERD tanpachopper

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

SERD 1,0 10,6 0,55 0,54 42,41

Tabel 1 sampai dengantabel 4 menunjukkan perban-dingan kinerja drive pada slip0,6; 0,5; 0,2 dan 0,1. Teknikdrive MSERD dengan choppermenghasilkan faktor dayapaling tinggi dibanding yangdiperoleh dari MSERD tanpachopper dan SRED padarange kecepatan tersebut.Efisiensi sistem dari MSERDdengan chopper juga relatifpaling tinggi dibanding MSERDtanpa chopper and SRED.Faktor daya, displacementpower factor dan efisiensi padaseluruh drive pada putarantinggi adalah lebih tinggidaripada saat operasi putaranrendah.

Total harmonic distortion(THD) dari arus suplai padaMSERD dengan denganchopper adalah sangat baikdibanding MSERD tanpachopper dan SRED padaoperasi putaran tinggi, tapitidak demikian bila beroperasipada putaran rendah. Akibat-nya perbaikan performadengan MSERD denganchopper ini lebih tepat padaoperasi putaran tinggi.

KESIMPULAN

Dari pengujian beberapa teknikdrive pada motor induksi rotor belitandengan operasi putaran tinggi danrendah, diperoleh hasil bahwa teknikdrive MSERD dengan chopper adalahyang paling baik bila dibandingkandengan MSERD tanpa chopper danSERD ditinjau dari faktor daya suplai,efisiensi sistem dan nilai THD,khususnya bila motor dioperasikanpada putaran tinggi.

DAFTAR PUSTAKA

Borges L.E. da Silva, Nakashima, K.,.Torres, G.L, V. Ferreira da Silva,G. Olivier and G.-E. April .1991.Improving Performance of Slip-Recovery Drive: An Approachusing Fuzzy Techniques. 0-7803-0453-5/ 1991 IEEE.

Bose, K. Bimal, 2002, Modern PowerElectronics and ac Drives,Prentice Hall PTR, Prentice-Hall,Inc.

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

Krishnan, R. 2001, Electric MotorDrives Modeling Analysis andControl, Prentice-Hall, Inc.


Ogata, K. 2002. ModernControl Engineering, 4thed.. Prentice HallInternational.

Papathanassiou, S.A danPapadopoulos, M.P.1998. CommutationAngle Analysis of SlipEnergy Recovery Drive.IEEE Trans. EnergyConvers. 13 (1) (1998)

Refoufi, L. dan Pillay, P. 1994.Harmonic Analysis of SlipEnergy Recovery

Induction Motor Drives. IEEETrans. Energy Convers. 9 (4)(1994).

Sen, P.C dan K.H.J. Ma.1978.Constant Torque Operation ofInduction Motors using Chopper inRotor Circuit. IEEE Trans. Ind.Appl. 14 (5) (1978)

Tunyasrirut, S, Ngamwiwit, J danFuruya, T. 2002. Fuzzy LogicControl for Speed of Wound RotorInduction Motor with Slip EnergyRecovery, Proc. SICE Annu. Conf.

.


modified slip energy recovery drive

Documents