16
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 Act ual Iabc Act ual Sum ber 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

DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

  • Upload
    others

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 2: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 3: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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)

Page 4: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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.

Page 5: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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)

Page 6: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

19

Gambar 3.7 Parameter Blok Sumber DC

(Sumber : MATLAB Simulink)

Gambar 3.8 Blok Parameter IGBT Default MATLAB

(Sumber : MATLAB Simulink)

Page 7: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 8: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 9: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 10: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 11: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 12: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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)

Page 13: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

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

Page 14: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

27

Gambar 3.19 Blok parameter POD PWM

Gambar 3.20 Parameter Sinyal Segitiga Am1

Page 15: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

28

Gambar 3.21 Parameter Sinyal Segitiga Am2

Gambar 3.22 Parameter Sinyal Segitiga Am3

Page 16: DC 5 l or Diagram Blok dan Prinsip Kerja Deprints.umm.ac.id/42824/4/BAB III.pdf · menggunakan Matlab Simulink. Perancangan ini meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar tupai

29

Gambar 3.23 Parameter Sinyal Segitiga Am4