16

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan pemodelan sistem. Yaitu

membuat simulasi rangkaian menggunakan program MATLAB Simulink.

Perancangan simulasi meliputi motor induksi tiga fasa rotor sangkar, multilevel

inverter, 9 Level cascaded h-bridge multilevel inverter, in-phase disposition

PWM (IPD PWM), vector control, berikut adalah blok diagram sistem yang akan

di rancang.

IPD

PWM

9-Level

Cascaded

H-bridge Multilevel

Inverter

Field-Oriented

ControlPI

ControllerIM

Iabc

Actual

Speed

Actual

Speed

Reference

Source

DC

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem

3.1 Prinsip Kerja Blok Diagram

Sumber tegangan DC digunakan sebagai input sumber 9 level multilevel

inverter. Tegangan DC kemudian dirubah menjadi tegangan AC dengan frekuensi

yang diinginkan untuk menjalankan motor induksi. Kecepatan actual dari motor

induksi diumpan balikkan ke kontrol PID dan akan dibandingkan dengan

kecepatan referensi pada blok vector control. Arus I abc actual juga akan diumpan

balikkan ke blok vector control. Sehingga dari blok vector control akan dihasilkan

arus Iabc referensi. Arus I*abc referensi dari vector control akan masuk ke blok

IPD PWM . di blok ini arus I*abc referensi akan dimodulasikan dengan 8 sinyal

segitiga yang berada pada sudut fasa yang sama dengan frekuensi tinggi. Sehingga

dari blok IPD PWM ini akan dihasilkan sinyal pulsa. Sinyal pulsa ini akan

17

digunakan untuk pengaturan switching IGBT pada 9 level cascaded h-bridge

multilevel inverter.

3.2 Perancangan Pemodelan Simulasi

3.2.1 Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa

Pada penelitian ini jenis motor yang digunakan adalah motor rotor sangkar

tupai atau squirrel cage. Model motor ini telah disediakan dalam

SimPowerSystemTM libraray. Model dan parameter motor squirrel cage

ditunjukkan pada tabel 3.1 dan model motor ditunjukkan pada gambar 3.2

dibawah 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

(Sumber : MATLAB simulink)

18

Model motor yang digunakan adalah motor induksi tiga fasa squirrel cage

dengan daya motor 20 HP atau setara dengan 14.920 Watt, tegangan line to line

460 Volt, frekuensi 60 Hz, dan kecepatan maksimum motor 1760 RPM, nominal

power =14920 VA, stator resistance =0.02761 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. Blok parameter terlihat pada gambar berikut .

Gambar 3.3 Configuration Motor Induksi

(Sumber : MATLAB Simulink)

19

Gambar 3.4 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa

(Sumber : MATLAB Simulink)

3.2.2 Pemodelan 9 Level Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter

Multilevel inverter mempunyai fungsi yang sama dengan inverter yaitu

mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Perbedaan yang mendasar adalah

multilevel inverter mempunyai sumber DC secara terpisah yang kemudian akan

dirubah 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. Sehingga

sumber DC akan menghasilkan pola sesuai waktu nyala dan waktu mati ketika

komponen switching tersebut di trigger dan terbentuk pola gelombang sinusoidal.

Total nilai sumber DC yang digunakan sebesar 265 Volt sesuai perhitungan (3-

28). Berikut pemodelan 9- Level cascaded h-bridge multilevel inverter.

20

Gambar 3.5 Rangkaian 9 Level Cascaded H-bridge Multilevel Inverter

Gambar 3.6 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

(Sumber : MATLAB Simulink)

21

Gambar 3.7 Parameter Blok Sumber DC

Gambar 3.8 Blok Parameter IGBT Default MATLAB

22

3.2.3 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. Pemodelan blok vector pada simulink

ditunjukkan pada gambar 3.9.

Gambar 3.9 Blok Vector Control

3.2.3.1 Current Calculation Diagram

Blok ini terdiri dari 2 bagian yaitu : Current Id* calculation 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 = 100/200 dan controller PID dengan konstanta Kp=1, Ki=1 dan

Kd=0 nilai Phir* umumnya mendekati satu tergantung pada slip motor induksi,

ditentukan sebesar 0.96. 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

23

𝐿𝑟 = 𝐿𝑙 ′𝑟 + 𝐿𝑚 = 2.191 + 76.14 = 78.331 𝑚𝐻 (3-2)

𝑃 = 𝑛𝑏𝑜𝑓𝑝𝑜𝑙𝑒𝑠 = 4

Maka :

𝐼𝑞 = 0.3429 ∗ (𝑇𝑒

𝑃ℎ𝑖𝑟)

Gambar 3.10 Iq*Calculation Diagram

Sedangkan perhitungan untuk menentukan current Id* dan tampilan blok

diagramnya seperti berikut.

𝐼𝑑∗ =𝑃ℎ𝑖𝑟

𝐿𝑚 (3-3)

Dengan : 𝐿𝑚 = 76.14 𝑚𝐻

Gambar 3.11 Id* Calculation Diagram

3.2.3.2 Teta Calculation

Teta calculation berfungsi menghasilkan nilai teta yaitu menemukan 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 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

24

𝑇𝑟 =𝐿𝑟

𝑅𝑟= 0.4762 𝑠

Gambar 3.12 Rangkaian Teta Calculation

3.2.3.3 Flux Calculation

Flux calculation berfungsi 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 dipakai 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 (3-6)

Dengan :

Lm = 76.14 mH

Tr = Lr/Rr = 0.4762 s, dengan Rr = 0.1645 Ohm

Lr = LI’r + Lm = 2.191 + 76.14 = 78.331 mH

Gambar 3.13 Rangkaian Flux Calculation

3.2.3.4 Blok Transformasi

Blok ini terdiri dari 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

25

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 membbutuhkan pergeseran sudut antara

direct dan quadratic Teta calculation dalam fungsi sinus/cosinus. Berikut diagram

blok ABC to dq dan dq to ABC.

Gambar 3.14 ABC to dq conversion

Gambar 3.15 dq to ABC Conversion

3.2.3.5 PID Control

Kontrol PID digunakan sebagai pengaturan kecepatan motor induksi tiga

fasa. Dari penentuan nilai dari masing-masing kontroler Proporsional, Integral,

Derivative dapat menentukan karakteristik tanggapan wawasan waktu, seperti

lewatan maksimum (𝑀𝑃), waktu naik (𝑡𝑟), waktu puncak (𝑡𝑝), dan waktu

penetapan (𝑡𝑠).Pada penelitian ini ditentukan parameter nilai Kp=1, Ki=1, dan

Kd=0. Kontrol PID menggunakan Discrete PID Controller pada library MATLAB

Simulink.

26

Gambar 3.16 Perancangan Kontrol PID

Gambar 3.17 Parameter Kontrol PID

(Sumber : Matlab Simulink)

3.2.4 Pemodelan In-Phase Dispisition Pulse Widh Modulation (IPD PWM)

Metode sin-triangle PWM adalah metode yang sering digunakan sebagai

suatu metode operasi switching inverter. Dimana sinyal fundamental 60 Hz akan

dibandingkan dengan sinyal pembawa yang berbentuk segitiga dengan frekuensi

tinggi. Sehingga didapatkan bentuk sinyal PWM dengan berbagai variasi lebar.

Pada BAB II sebelumnya telah dijelaskan mengenai rumus untuk

menentukan nilai indeks modulasi (Ma) dan referensi (rf). Dengan persamaan

rumus seperti berikut.

𝑚𝑎 =𝑝𝑢𝑛𝑐𝑎𝑘 𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑜 𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙

𝑎𝑚𝑝𝑙𝑖𝑡𝑢𝑑𝑜 𝑉𝑡𝑟𝑖 (3-7)

Dengan :

𝑉𝑐𝑜𝑛𝑡𝑟𝑜𝑙 = 1

𝑉𝑡𝑟𝑖 =1

maka :

𝑚𝑎 = 1

1 (3-8)

27

𝑚𝑎 = 1 (3-9)

Sesuai teori BAB II pada teknik switching dibutuhkan nilai dari frekuensi

sinyal fundamental dan frekuensi sinyal pembawa. Sinyal fundamental

mempunyai nilai frekuensi 60 Hz. Sedangkan nilai frekuensi sinyal pembawa

sesuai dengan rumus :

𝑚𝑓 = 𝑓𝑠

𝑓1 (3-10)

51 = 𝑓𝑠

50 (3-11)

𝑓𝑠 = 60 𝑥 51 (3-12)

𝑓𝑠 = 3060 𝐻𝑧 (3-13)

Nilai dari 𝑚𝑓 merupakan bilangan bulat, sesuai dengan teori yaitu harus

kelipatan 3 untuk inverter tiga fasa. Pemodelan SVPWM untuk 9 Level cascaded

h-bridge multilevel inverter menggunakan teknik pemicuan in-phase disposition

PWM.

Modulasi skema membutuhkan sinyal fundamental 60 Hz dengan sinyal

segitiga sebanyak (m-1). Semua sinyal segitiga berada pada sudut fasa yang sama.

Berikut rumus untuk menentukan jumlah sinyal segitiga untuk multilevel inverter.

𝑆 = 𝑚 − 1 (3-14)

Dengan :

S = Jumlah sinyal segitiga

m= Jumlah level multilevel inverter

Dengan menggunakan persamaan (3-14) maka dapat didapatkan jumlah

sinyal segitiga untuk 9 level cascaded h-bridge multilevel inverter.

𝑆 = 9 − 1 (3-15)

𝑆 = 8 Sinyal segitiga (3-16)

Dengan amplitude setiap sinyal segitiga :

𝐴𝑚 = 2

(𝑚−1) (3-17)

𝐴𝑚 = 2

(9−1) (3-18)

𝐴𝑚 = 0.25 (3-19)

Sehingga amplitude sinyal segitiga-nya adalah sebagai berikut :

28

𝐴𝑚1 = 0.75 − 1 (3-20)

𝐴𝑚2 = 0.5 − 0.75 (3-21)

𝐴𝑚3 = 0.25 − 0.5 (3-22)

𝐴𝑚4 = 0 − 0.25 (3-23)

𝐴𝑚5 = 0 − (−0.25) (3-24)

𝐴𝑚6 = − 0.25 − (−0.5) (3-25)

𝐴𝑚7 = −0.5 − (−0.75) (3-26)

𝐴𝑚8 = −0.75 − (−1) (3-27)

Sehingga pemodelan IPD PWM untuk 9 level cascaded h-bridge multilevel

inverter ditunjukkan pada Gambar 3.18, blok IPD PWM ditunjukkan pada

Gambar 3.19, parameter IPD PWM Gambar 3.20, parameter sinyal segitiga Am1

ditunjukkan Gambar 3.21, parameter sinyal segitiga Am2 Gambar 3.22, parameter

sinyal segitiga Am3 ditunjukkan Gambar 3.23, parameter sinyal segitiga Am4

ditunjukkan Gambar 3.24, parameter sinyal segitiga Am5 ditunjukkan Gambar

3.25, parameter sinyal segitiga Am6 ditunjukkan Gambar 3.26, parameter sinyal

segitiga Am7 ditunjukkan Gambar 3.27, parameter sinyal segitiga Am8 ditunjukkan

Gambar 3.28. dan sinyal fundamental 0 derajat ditunjukkan Gambar 3.29, sinyal

fundamental 120 derajat ditunjukkan Gambar 2.30, sinyal fundamental -120

derajat ditunjukkan Gambar 3.31.

Gambar 3.18 Pemodelan IPD PWM 9 Level Cascaded H-bridge Multilevel

Inverter

29

Gambar 3.19 Blok IPD PWM

Gambar 3.20 Blok Parameter IPD PWM

30

Gambar 3.21 Parameter Sinyal Segitiga Am1

Gambar 3.22 Parameter Sinyal Segitiga Am2

31

Gambar 3.23 Parameter Sinyal Segitiga Am3

Gambar 3.24 Parameter Sinyal Segitiga Am4

32

Gambar 3.25 Parameter Sinyal Segitiga Am5

Gambar 3.26 Parameter Sinyal Segitiga Am6

33

Gambar 3.27 Parameter Sinyal Segitiga Am7

Gambar 3.28 Parameter Sinyal Segitiga Am8

34

Gambar 3.29 Parameter Sinyal Fundamental Sudut 0 Derajat

Gambar 3.30 Parameter Sinyal Fundamental Sudut 120 Derajat

35

Gambar 3.31 Parameter Sinyal Fundamental Sudut -120 Derajat

3.2.5 Perhitungan

Untuk mendapatkan nilai tegangan keluaran inverter, perlu diketahui nilai

sumber direct current yang diperlukan agar tegangan keluaran inverter sesuai

dengan motor induksi yang digunakan. Sesuai dengan parameter motor induksi

tiga fasa pada tabel 3.1, diketahui :

VLL Motor= 460V

Maka untuk tegangan satu fasa motor:

VLN= 460𝑉

√3= 265 V (3-28)

Dengan Vdc = Vout jadi nilai Vdc yang digunakan sama dengan nilai tegangan satu

fasa motor induksi.