Desain Dan Simulasi 5 level Diode Clamped Multilevel

Inverter Sebagai Kontrol Motor

Induksi Tiga Fasa

Skripsi

Diajukan Untuk Memenuhi Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata I Teknik

Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Disusun Oleh :

Khairul Huda

201310130311018

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2018

LEMBAR PENGESAIIAN

Desain Dan Simulasi Slevel Diode Clamped MultilevelInverter Sebagai Kontrol Motor

Induksi Tiga X''asa

Diajukan Untuk Memenuhi Salah satu syarat Memperoleh Gelar Sarjana (Sl)Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Disusun Oleh :

KHAIRUL HTTDANIM. 201010130311018

Tanggal Ujian : 13-Okt-2018Periode Wisuda : IV

Pembimbing I

Pembimbing II

Penguji I

Penguji II

Mengetahui,Ketua Jurusan Teknik Elektro

NIDN.0709117804

1,n0706066501

(cv*

ivah.Ir.MT

06301

Pakava.STN.07170r8801

iv

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan dibawah ini :

NAMA : KHAIRUL HUDA

Tempat/Tgl Lahir : Sumenep, 10 Septembar 1994

NIM : 2013101303110018

FAK./JUR. : TEKNIK/ELEKTRO

Dengan ini saya menyatakan bahwa tugas akhir saya dengan judul ”Desain

Dan Simulasi 5level Diode Clamped Multilevel Inverter Sebagai Kontrol Motor

Induksi Tiga Fasa” beserta seluruh isinya adalah karya saya sendiri dan bukan

merupakan karya tulis orang lain, baik sebagian maupun seluruhnya, kecuali dalam

bentuk kutipan yang telah disebutkan sumbernya.

Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya. Apabila

kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap etika keilmuan dalam karya saya

ini, atau ada klaim dari pihak lain terhadap keaslian karya saya ini maka saya siap

menanggung segala bentuk resiko/sanksi yang berlaku.

Mengetahui,

Dosen Pembimbing I

Ir. Nur Kasan, MT

NIDN. 0707106301

Dosen Pembimbing II

Dr. Zulfatman,ST.,M.Eng

NIDN.0709117804

Malang,19 November 2018

Yang Membuat Pernyataan

(Khairul Huda)

v

ABSTRAK Inverter merupakan suatu rangkaian elektronika yang berfungsi mengubah

arus searah menjadi arus bolak-balik dengan frekuensi tertentu. Gelombang

tegangan keluaran inverter berupa sinusoidal. Namun kenyataannya tidak demikian,

tegangan keluaran yang di hasilkan inverter tidak sinus murni sehingga

menimbulkan harmonisa yang cukup besar pada keluaran inverter. Oleh karena itu

diperlukan tindakan-tindakan untuk mengurangi THD pada keluaran inverter.

Metode lain untuk mengurangi THD adalah menggunakan Multilevel Inverter (MLI).

MLI disini digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC dengan

menggunakan teknik pemicuan Phase Opposition Disposition (POD). Output

Multilevel Inveter berupa tegangan AC yang digunakan sebagai sumber motor. Pada

penelitian ini di rancang 5 level Diode Clamped Multilevel Inverter yang digunakan

sebagai kontrol motor induksi 3 fasa mengunakan konsep (field Oriented Control)

FOC. POD disini yang mengatur switching pada kaki IGBT pada MLI Diode

Clamped. Dari hasil penelitian ini kecepatan referensi 200 rad/s dengan beban 0Nm,

30Nm dan 50 Nm didapatkan hasil terbaik dengan error steady state terkecil 2.275%,

kecepatan motor 204.55 dan THD sebesar 14.02%. 5level Diode Clamped MLI selain

menghasilkan tengangan terdistorsi yang cukup rendah juga dapat di

implementasikan sebagai kontrol kecepatan motor dengan menggunakan vector

control.

Kata kunci: Multilevel Inverter, Total Distortion Harmonisa, Diode Clamped, Phase

Opposition Disposition, Vector Control, Field Oriented Control.

vi

ABSTRACT

Inverter is an electronic circuit that serves to convert direct current into

alternating current with a certain frequency. Inverter output voltage wave form of

sinusoidal. But the reality is not the case, the output voltage that is produced is not a

pure sine inverter harmonics, causing large enough at the inverter output. Therefore

it is necessary actions to reduce the THD at the output of the inverter. Another

method to reduce THD is using Multilevel Inverter (MLI). MLI here is used to

convert the DC voltage into AC voltage by using the technique of triggering Phase

Opposition Disposition (POD). Multilevel inveter output in the form of an AC voltage

used as the source of the motor. In this research will be designed five-level diode

clamped multilevel inverters are used as the three-phase induction motor control

using the concept (Field Oriented Control) FOC. POD herein set foot IGBT

switching on the MLI Diode clamped. From this research, the reference speed of 200

rad / s with a load 0Nm, 30Nm and 50 Nm obtained the best results with the smallest

error steady state 2.275%, motor speed 204.55, and THD by 14,02%. 5level Diode

clamped MLI besides produce distorted fairly low voltage can also be implemented

as a motor speed control using vector control.

Keywords: Multilevel Inverter, Total Distortion Harmonisa, Diode Clamped, Phase

Opposition Disposition, Vector Control, Field Oriented Control.

vii

LEMBAR PERSEMBAHAN

Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT. Atas limpahan rahmat

dan hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian ini. Shalawat serta

salam selalu tercurahkan kepada Nabi besar Muhammad SAW yang telah

memberikan pencerahan kepada kita sekalian. Penulis juga menyampaikan ucapan

terimakasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Ibu dan bapak saya, Bapak Abdullah Saidi dan Ibu Suci Yunani yang selalu

memberikan support apapun yang saya lakukan, selalu ada untuk saya dan

selalu menguatkan saat saya down, terima kasih bapak ibu ku dan juga kakak

kakakku yang selalu mendukung ku.

2. Bapak Ir.Nur kasan.MT dan Bapak Dr.Zulfatman,ST.,M.Eng selaku Guru dan

pembimbing dalam meyelesaikan penelitian ini. Terimakasih atas ilmu dan

kesabaran bapak selama saya kuliah dan bimbingan-nya selaman ini.

3. Terima kasih kepada seluruh dosen Teknik Elektro yang sabar menghadapi

mahasiswanya yang banyak maunya, tetap sehat ya guru-guruku. Kalian

panutanku. Terimakasih telah memberikan ilmu yang bukan hanya di bidang

elektro tetapi juga memberikan moral, mental, dan kedisiplinan untuk saya

khususnya

4. Dan terima kasih untuk Claudia Eka Prasasti S.pi supportmu sangat berarti.

Kamu yang selalu mengingatkan aku untuk terus mengerjakan skripsi ini

hingga terselesaikan dan juga menemaniku begadang untuk terselesaikannya

skripsi ini. Terima kasih.

5. Seluruh asisten lab yang telah membimbing praktikum saya dengan sabar

meski saya tau kalian capek sibuk tapi masih mau mengajarkan kami. Dan

juga kepada mas catur terima kasih sudah membimbing saya sampai saat ini.

6. Terimakasih buat teman kost terbaik saya alm mas imam, mas yoga, mas aris,

wahyu, yunan, eko dll

viii

7. Nuril Abrari, Hafandi, Syamsul Maarif Mahakam, dan teman-teman elektro A

2013 yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu. Tetap kompak, tetap solid,

tetap seru dan tetap di hati. terima kasih telah memberi kenangan yang baik

untuk saya.

8. Terima kasih untuk anom qhusay, anom ubay, kak mamat, apheng, ripki,

yayan, dan mas agus support kalian sangat berarti. Dan selalu mau mendengar

curhatku

Dan teman-teman lainnya yang namanya tidak bisa saya sebutkan satu persatu.

Saya ucapkan terimakasih atas bantuan, dukungan, perhatiannya selama ini.

ix

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT. Atas limpahan rahmat serta

hidayanh-Nya sehingga peneliti dapat menyelesaikan penelitian yang berjudul :

“Desain Dan Simulasi 5 level Diode Clamped Multilevel Inverter Sebagai Kontrol

Motor Induksi Tiga Fasa”

Di dalam tulisan ini disajikan pokok-pokok bahasan yang meliputi dasar teori 5

level Diode Clamped Multilevel Inverter, Phase Opposition Disposition PWM dan

Field-Oriented Control (FOC).

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih

banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran

yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan

kedepannya.

Malang, Oktober 2018

Penulis

x

DAFTAR ISI Halaman

LEMBAR JUDUL .................................................................................... i

LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................... ii

LEMBAR PENGESAHAN ................................................................... iii

LEMBAR PERNYATAAN ................................................................... iv

ABSTRAK ............................................................................................... v

ABSTRACT ............................................................................................. vi

LEMBAR PERSEMBAHAN ............................................................... vii

KATA PENGANTAR ............................................................................ ix

DAFTAR ISI ............................................................................................ x

DAFTAR GAMBAR ............................................................................. xii

DAFTAR TABEL................................................................................. xvi

BAB I PENDAHULUAN ........................................................................ 1

1.1 Latar Belakang .................................................................................................... 1 1.2 Rumusan Masalah ............................................................................................... 2 1.3 Tujuan ................................................................................................................. 2 1.4 Batasan Masalah.................................................................................................. 2

1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir…………………………………………….3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ............................................................ 4

2.1 Multilevel Inverter .............................................................................................. 4 2.2 Motor Induksi ...................................................................................................... 4 2.2.1 Prinsip Kerja Motor Induksi............................................................................. 6

2.3 Kontrol PID ......................................................................................................... 7

2.4 Vector Kontrol .................................................................................................... 8

2.4.1(a,b,c) (α,β) (Transformasi Clarke) ................................................... .10

2.5 Phase Opposition Disposition(POD).................................................................10

2.6 Diode..................................................................................................................11

2.7 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).........................................................11

2.8 Slip.....................................................................................................................12

2.9 Torsi...................................................................................................................13

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ........................................... 14

xi

3.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja ....................................................................... 14 3.2 Pemodelan Motor Induksi 3 Fasa ...................................................................... 15 3.3 Pemodelan 5 Level Diode Clamped Multilevel Inverter .................................. 17 3.4 Pemodelan Vector Control ................................................................................ 20

3.4.1 Current Calculation Diagram. .............................................................. 20

3.4.2 Teta Calculation. ................................................................................... 21

3.4.3 Flux Calculation. .................................................................................. 22

3.4.4 Blok Transformasi. ................................................................................ 22

3.4.5 PID Control. .......................................................................................... 23

3.5 Pemodelan POD PWM ..................................................................................... 24

BAB IV HASIL PENGUJIAN DAN ANALISISA ............................. 30

4.1 Rangkaian Simulasi ........................................................................................... 30

4.2 HASIL SIMULASI ........................................................................................... 32

4.2.1 Kecepatan Referensi 200 rad/s Beban 0 N.m........................................ 33

4.2.2 Kecepatan Referensi 200 rad/s Beban 30 N.m...................................... 35

4.2.3 Kecepatan Referensi 200 rad/s Beban 50 N.m...................................... 38

4.24 Kecepatan Referensi 200 rad/s Beban 0Nm, 30Nm, dan 50 Nm............40

4.3 3 Ringkasan Hasil Pengujian / Pengukuran dengan Maltab ............................. 43

BAB V KESIMPULAN ........................................................................ 44

5.1 KESIMPULAN ................................................................................................. 44

5.2 SARAN ............................................................................................................. 45

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................ 46

xii

DAFTAR GAMBAR

Halaman Gambar 2.1 Gambar rotor belitan ................................................................................ 5

Gambar 2.2 Skematik diagram motor induksi rotor belitan ........................................ 6

Gambar 2.3 Blok PID ................................................................................................... 7

Gambar 2.4 Koordinat Sistem (d,q) motor induksi ...................................................... 9

Gambar 2.5 Kerangka acuan tetap 3 koordinat ............................................................ 9

Gambar 2.6 (a,b,c) (α,β) (transfomasi Clarke) ...................................................... 10

Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem MLI sebagai pengontrol motor induksi .............. 14

Gambar 3.2 Model Motor Induksi Tiga Fasa ............................................................ 15

Gambar 3.3 Configuration Motor Induksi ................................................................. 16

Gambar 3.4 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa ....................................................... 17

Gambar 3.5 Rangkaian 5 level diode clamped Multilevel Inverter Tiga Fasa ........ 18

Gambar 3.6 Rangkaian Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ........................... 18

Gambar 3.7 Parameter Blok Sumber DC ................................................................... 19

Gambar 3.8 Blok Parameter IGBT Default MATLAB ................................................ 19

Gambar 3.9 Iq* Calculation Diagram ....................................................................... 20

Gambar 3.10 Id* Calculation Diagram ..................................................................... 21

Gambar 3.11 Rangkaian Teta Calculation ................................................................. 21

Gambar 3.12 Rangkaian Flux Calculation ................................................................ 22

Gambar 3.13 ABC to dq Conversion .......................................................................... 23

Gambar 3.14 dq to ABC Cnversion ............................................................................ 23

Gambar 3.15 Perancangan Kontrol PID .................................................................... 23

Gambar 3.16 Parameter Kontrol PID......................................................................... 24

Gambar 3.17 phase Oposition Disposition (POD) ................................................... 24

Gambar 3.18 Blok POD PWM untuk 5 level diode clamped multilevel inverter.......26

Gambar 3.19 Blok Parameter POD PWM ................................................................. 27

Gambar 3.20 Parameter Sinyal Am1 ........................................................................... 27

xiii

Gambar 3.21 Parameter Sinyal Am2 ........................................................................... 27

Gambar 3.22 Parameter Sinyal Am3 ........................................................................... 28

Gambar 3.23 Parameter Sinyal Am4 ........................................................................... 29

Gambar 3.24 Rangkain untuk menampilkan tegangan dan arus setiap fasa agar

sesuai dengan yang diinginkan ............................................................ 29

Gambar 4.1 Model Multilevel Inverter Sebagai Kontrol Motor Induksi Tiga Fasa .. 31

Gambar 4.2 Blok Vector Control dan blok PID ......................................................... 31

Gambar 4.3 Tegangan Fasa ke Fasa(Vab, Vbc, Vca) Saat Kecepatan Referensi 200 rad/s

dengan Beban 50 Nm...............................................................................32

Gambar 4.4 Kecepatan Motor Saat ωref 200 rad/s Beban 0 Nm .............................. 33

Gambar 4.5 Electromagnetic Torque Saat ωref 200 rad/s Beban 0 Nm ................... 33

Gambar 4.6 Arus Iabc Saat ωref 200 rad/s Beban 0 Nm .......................................... 34

Gambar 4.7 Total Harmonic Distortion Saat ωref 200 rad/s Beban 0 Nm ............... 34

Gambar 4.8 Kecepatan Motor Saat ωref 200 rad/s Beban 30 Nm ............................ 35

Gambar 4.9 Electromagnetic Torque Saat ωref 200 rad/s Beban 30 Nm ................. 36

Gambar 4.10 Arus Iabc Saat ωref 200 rad/s Beban 30 Nm ...................................... 36

Gambar 4.11 Total Harmonic Distortion Saat ωref 200 rad/s Beban 30 Nm ........... 37

Gambar 4.12 Kecepatan Motor Saat ωref 200 rad/s Beban 50 Nm .......................... 38

Gambar 4.13 Electromagnetic Torque Saat ωref 200 rad/s Beban 50 Nm ............... 38

Gambar 4.14 Arus Iabc Saat ωref 200 rad/s Beban 50 Nm ...................................... 39

Gambar 4.15 Total Harmonic Distortion Saat ωref 200 rad/s Beban 50 Nm ........... 39

Gambar 4.16 Kecepatan Motor Saat ωref 200 rad/s Beban 0,30, 50 Nm ................. 41

Gambar 4.17 Electromagnetic Torque Saat ωref 200 rad/s Beban 0,30,50 Nm ....... 41

Gambar 4.18 Arus Iabc Saat ωref 200 rad/s Beban 0,30,50 Nm .............................. 42

xiv

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 3.1 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa ........................................................... 15

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian .................................................................................. 43

46

DAFTAR PUSTAKA

[1] Faizal Arya Samman, Rizkiyanti Ahmad, Mutiah Mustafa “Perancangan,

Simulasi dan Analisis Harmonisa Rangkaian Inverter Satu Fasa” JNTETI,

Vol.4, No.1, Februari 2015.

[2] Lalu Riza Aliyan, Rini Nur Hasanah, M. Aziz Muslim “Desain Inverter

Tiga Fasa dengan Minimum Total Harmonic Distortion Menggunakan

Metode SPWM ” Jurnal EECCIS Vol. 8, No. 1, Juni 2014.

[3] M.kedareswari “ Reduction of THD in Diode Clamped Mulitilevel Inverter

Employing SPWM Technique” Internasional Jurnal of Scientific and

Research Publications, Vol.3, Issue 6, june 2013. ISSN 2250-3153

[4] Nizar Muhammad.A, Alif Nur.M, Ilham Pakaya.“Analisis Dan Simulasi

Cascaded Multilevel Inverter Sebagai Sumber Motor Induksi,” Jurnal

Elektro Umm Malang, 2016

[5] Hafandi, Nurhadi, Ermanu Azizul Hakim “ Desain dan Simulasi Cascaded

H-bridge sebagai Kontrol Motor Tiga Fasa Berbasis Variable Speed

Drive”. Jurnal Elektro UMM. Malang 2017.

[6] Mohit Jain, Anuradha Singh, Suman Singh “Comparative Analysis and

Simulation of Diode Clamped & H-bridge Multilevel Inverter Using

SPWM Technique”. Ijera.com. ISSN:2248-9622, vol.5 issue 1 (Part 5),

January 2015, pp.95-102

[7] Dicky, Ardiansyah “Analisa Topologi Baru PV-Inverter Melalui

Penerapan Konsep Mutilevel pada Inverter HERIC (Highly Efficient and

Reliable Inverter Concept)”. Diploma thesis, Universitas Andalas. (2016)

[8] Rahul sadhwani and Ragavan “ A Comparative Study of Speed Control

Methods for Induction Motor Fed by Three Level Inverter “ IEEE

(ICPEICES-2016).

[9] Ali Mustafa Ali Almaktoof “ Multilevel Inverters using Finite Set-Model

Predictive Current Control for Renewable Energi Systems Applications”

ebook

[10] Ryanuargo, Setiyono “ Desain 3-Phase Diode Clamped Mutilevel Inverter

Using Matlab Simulink “ Jurnal Teknologi Rekayasa Volume 21 No.2,

Agustus 2016

[11] Xu Zheng, Li Song and Pan Hongying “Study of Five-level diodes

clamped Inverter Modulation Technology Based on Three-harmonic

Injection Method” School of Electrical and Electronic Engineering, East

China Jiaotong University, Nanchang 330013, China

47

[12] Emmanuel Agung Nugroho “Implementasi inverter sebagai pengendali

motor induksi tiga fasa dengan metode space vector pulse width

modulation (SVPWM)” jurnal SIMETRIS, Vol 7 No 2 November 2016

ISSN: 2252-4983.

[13] Danu Wisnu, Arif Wahjudi, dan Hendro Nurhadi “ Perancangan Sistem

Kontrol PID Untuk Pengendali Sumbu Azimuth Turret Pada Turret-gun

Kaliber 20mm “ JURNAL TEKNIK ITS Vol. 5, No. 2, (2016) ISSN:

2337-3539 (2301-9271 Print).

[14] Felix pasilia, Limboto, Bayu Krinawan “ Desain Flux Vector Control

Inverter 3 Fasa Pada Motor Induksi 1.5 HP Menggunakan Power Blockset.

Teknik elektro Universitas Kristen Petra. jurnal Teknik Elektro Vol.3,

No.1,Maret 2003 57-54