ISSN: 1693-6 930                                                     101     Kendali Ke ce patan Moto r Indu ksi Satu F a sa Pad a  V/f  Konstan … … (   Noo r fatch u rrudin)  KENDALI KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU FASA  PADA V/F KONSTAN DENGAN INVERTER SPWM  BERBASIS FPGA ALTERA ACEX1K       Noor fatchurr udin 1 , Tole Sutikno 2   FCB for Print e r and S c an n e r IC Depa rte m ent, PT. Ep son Batam   Jl. Ramb utan  LOT 504 -50 8 , Batamindo  Industrial Pa rk (BIP), Mu ka Kuning, Batam, Riau   2 Prodi Te kni k  Elektro, Univ ersita s Ahma d Dahl an   Jln. Prof. Soe pomo, Ja nturan, Yogyaka r ta, Indonesi a   e-mail: no orfa tchurru din @ sep.ep son. co m.sg        A b st r a k  Pulse  Width  Modulatio n  (PWM ) in verter  satu  fasa  adal ah  ran g kaian  peng ubah   tegang an se arah m enjadi  tegangan b o lak-bali k  unt uk satu fase.  Pem bangkitan sin y al P W M   se cara digital  dapat m e m b erikan unj uk  kerj a si stem  yan g  bag us  karena le bih  keb a l terha d ap  gang guan/ de rau. Pera ncanga n se bu ah pem bang kit sin y al PWM be rba s i s  FPGA Altera   ACEX1K-50  m e m iliki beberap a keuntu ngan  yaitu d apat m e m enuhi tuntutan  aka n  ke ce pat an.  Tujuan  tuga s a k hi r ini   adala h  m e ra nca ng  pem bang kit si nyal PWM  satu  fase  de ng an   m engguna ka n FPGA.  Den gan m eng gu nakan i n verte r  ini, m a ka p enge ndalia n  ke cep a tan m o to r  AC dapat di laku ka n den gan lebi h teliti. Peranca ngan p e m bangkit si nyal SPWM (PWM   Sinusoi da ) d enga n MAX+PLUS m e lalui tahapan: Desig n  entry, De sign  verifi cation, Desi g n   im plem entation. Rang kai a n pengg erak  deng an catu  daya seb e sar 5 V. Rang kaian inverte r  ini  diran c a ng m engg una kan  m o sfet SK 7 27 den gan V DS  800 V dan I DS  2,5 A. Spesifikasi m o tor  indu ksi  satu f a sa m odel Z - 406, 12 5/220,  50 Hz. Ha sil  penelitian m e nunju k kan b a h wa  ran c a n g a n   inve rter SP WM b e rb asi s  FPGA Alt e ra A C EX1K  yan g  di ran c an g da pat  digun akan u n tuk  m engatur ke cep a tan puta r  m o tor indu ksi  satu fa sa pada p u ta ran  yan g  hal us pa da ran g e   ke cep a tan 28 5-58 7 rpm     Kata kunci :  PWM, FPGA, Inverte r , Kecepatan Moto r Induksi       1. PEN DA HU LU AN  Motor A C   memiliki  ke u nggul an d a l a m hal  ke sederhan aan   dan m u ra hn ya biaya   pera w ata n   sehing ga j eni s m o tor ini  banya k  di pa kai  di lin gku ngan  ind u st ri mau pun  ru mah  tangga. Pen gend alian ke cep a tan puta r an moto r AC dapat dila ku kan de nga n bebe rap a  cara   diantaranya d enga n ke ndal i teganga n da n frekuen si [3 ,4,5]. Inverter adalah  ko nverter  DC ke A C   deng an tega ngan da n fre k ue nsi kelua r an dapat diat ur se hing ga motor AC da pat diken dali k an   deng an fle ksi bel [4, 8]. Ada beb era pa j enis i n verte r   diantaranya  adala h  invert er PWM ( Puls e  Width   Mo dul ation ) [2, 6,  9]. Keuntungan  ope ra si inverter P W M seba gai  tekni k  konv ersi  diban ding d e ngan je nisj eni s inverte r  lain nya adal a h  re ndah nya dist orsi  harmoni k pada teg ang an  kelu ara n  di b andin g  de ng an jeni s i n ve rter l a innya.  Selain itu te knik P W M  sa ngat p r a k tis  dan  eko nomi s   u n tuk ditera pkan   berkat sem a kin pe satnya perkem ban ga n  kompo nen  semi kon d u k tor  (teruta m a kompon en d a y a yang m e mpunyai  waktu p enya k laran  sa ngat  cep a t). Pa da   peng endali a n  ke ce patan  motor AC,  inverte r  P W M m e mpu n yai kelebih an yaitu m a mpu   mengg erakka n motor in du ksi d eng an p u taran  halu s   dan rentan g yang leba r. Selain itu ap ab ila  pemba ng kita n sinyal PWM dilaku ka n se cara di gital  akan d apat  diperoleh u n j u k kerja  sist em  yang bag us  karen a  lebih  kebal terh ada p  derau.   Peran c a nga n  denga n FPGA dapat dil a ku ka n deng an ce pat, mudah dim odifi ka si dan  se suai untu k   prototypi n g ,  tetapi akan relatif mahal  dan tidak e k onomi s  untu k  pro d u ksi yang  besar [7, 10] . Penggun aa n deng an A S IC ( Appli c at ion Spe c ific Integrate d  Ci rcuit )  ak an  leb i h   se suai untu k  produ ksi be sar, tetapi p e ran c a nga n deng an ASIC aka n  lebi h kompl e ks dan  memerl ukan  wa ktu yan g  lebih  lam a . Menu rut  Bejo [1], pemba ng kita n sinyal  de ngan   mengg una ka n FPGA, di satu si si da p a t memenu hi   tuntutan aka n  ke cep a tan  tetapi disi si lain   kurang  fleksi bel dal am p engo perasi a n  ken da linya.  Fre k ue nsi  sinyal PWM  yang dih a sil k an  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              ISSN: 1 693-693 0       TELKOM NIKA   Vol. 5, No. 2,  Agustus 2 007 :  101 - 1 0 6   102 memiliki rent ang anta r a 3 –100  Hz d e n gan kenai ka n  terke c il 1 Hz. Pengguna a n  mikrokontroler  dalam pem b ang kitan sin y al PWM di satu sisi m e miliki kelebi han be rup a  fleksi bilitas d an  realibilitas namun disi si  l a in  memili ki kekurang an  dal am hal beban komput asi.  Oleh  karena itu  diperl u kan su atu cara aga r komputa s i P W M tida k me mbeba ni mikroko n trole r .   Proses pem b ang kitan SP WM d eng an  mengg una ka n 2 b uah  si n y al sin u s  dan  se bua h  sinyal segitig a ,  dilakukan pemba ndin g a n   amplitud o antara sinyal segitig a   den g an  si nyal  sin u s.  Sinyal  pen gg era k  akan d i bang kitkan apabil a   am pl itude sinyal sinu s  l ebih  besar  da ripa da  amplitudo  si nyal segitig a .  Masing -ma s ing  si nyal peng gerak d i guna ka n  unt uk  pe nyakl a ran   sehi ngg a dip e role h sinyal  PWM. Proses pemban gkita n  SPWM tersebut   dapat dilihat  pada G a mba r  1.        Gamba r  1. Prose s  pem ban gkit sinyal P W M si nu soid a    2. METODE  PENELITIAN  Subjek  dari p enelitian ini a dalah p e mba ngk ita n  sinya l  PWM Sinusodia yang di bent u k   pada lo gika p e ran g kat ke ras FPGA, yang digu na kan  untuk me ng endali k an i n verter p eng en dali  mencatu mot o r ind u ksi  sa tu fasa. Urut an jalan n ya  penelitian  da pat diuraikan  se cara umu m   seb agai b e ri kut:  a.  Pendigitala n sinyal refe re n s i dan p e mba w a Ga mba r  1 .   b.  Mene rap k a n  metode peta   Karna ugh   u n tuk p enyed erha naa n si n y al pemba wa  dan  sinyal  referen s i digit a l.  c.  Mera ncang d an meng uji ra ngkaian  catu  daya 5 volt dan 15 volt.   d.  Mera ncang d an meng uji ra ngkaian p eng gera k .   e.  Mera ncang d an meng uji ra ngkaian  catu  daya  trafo iso l ator untu k  ca tu daya inverter.   f. Mera ncang  pemba ng kit  sinyal   PWM  sinuso i da  berb a si s FP GA ,  meng kom p ila si,   mensi m ula s i k an dan me ng konfig ura s i ke pera n g k at kera s.  g.  Mera ng kai  se mua komp on en menj adi  satu si stem ya ng terinte g rasi. Melaku ka n  peng ukura n   dan an alisi s  u n tuk mem bua t kesim pulan   Diag ram blo k  dari peng en dali ke cep a ta n motor indu ksi de nga n inverter PWM  dapat  dilihat pada  Gamba r  2.       Gamba r  2. Di agra m  blo k  si stem pen gen dali motor in d u ksi   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930   ■      Kendali Ke ce patan Moto r Indu ksi Satu F a sa Pad a  V/f  Konstan … … (   Noo r fatch u rrudin)  103 Peran c a nga n  ini memanfa a tkan FPGA  Altera ACEX1K seba gai kemu di invert er satu  fasa SPWM. Seca ra ga ris  besar, ran g kaian pem ban gkit sinyal SPWM ini diba gi menjadi 7  unit  pokok p e mbe n tuk rang kaia n sep e rti ditu njukka n pa d a  Gamba r  3. Unit-unit terseb ut dapat terdi r i   dari sub - unit  yang lebih d e t ail lagi, dan begitu seteru snya.           Gamba r  3. Di agra m  Blok P e mban gkit Si nyal SPWM     3.  HASIL D A N  PEMBA HAS AN   3.1. Pengamatan  Hasil Simulasi  Menga mati h a sil pe ran c a n gan pem ban g k it sinyal PWM sinu soid a satu fasa pad a FPGA  dilakukan me lalui dua  cara yaitu deng an meng ama t i hasil simul a si men ggu n a ka n simul a tor  yang telah tersedi a pada p e ran g kat luna k MAX+PL US II 10.2 Baseline dan me ngamati kelu aran   pada pi n FP GA setela h  diko nfigurasi.  Sedang ka n  untuk  peng a m atan kelua r an si nyal PWM  deng an o s ilo skop ha nya d ilaku ka n pad a kelu ara n  akhirnya saja    Gamba r  4 d a n  5 be rikut menunj ukkan  h a sil  simula si  kelu ara n  a k hi r pem bang kit  sinyal,  SPWM d eng an b e rbagai   nilai in de ks  modula s i  0,3 125 dan   0,9 0625. Da ri h a sil sim u lasi  yang   ditunju k kan Gamba r  4 da n 5 terseb ut, terlihat bah wa ran c an gan  dapat be ke rj a sesuai de n gan   yang di harap kan.  Da ri g a m bar-ga m ba r tersebut  da pat diam ati b ahwa  sema ki n be sa r in de ks  modula s i, leb a r pul sa PWM yang diha silkan ju ga se makin le ba r.        Gamba r  4. Simulasi p e mb ang kit sinyal  PWM satu fa sa de nga n IM=0,31 2 5         Gamba r  5. Simulasi p e mb ang kit sinyal  PWM satu fa sa de nga n IM=0,90 625     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              ISSN: 1 693-693 0       TELKOM NIKA   Vol. 5, No. 2,  Agustus 2 007 :  101 - 1 0 6   104   Gamba r  6. PulsaVG 1  dan  VG4 dari  pemba ng kit SPWM     Gamba r  7. T unda VG1 d a n  VG4 dari  pemba ng kit SPWM     Karen a  secara sim u lasi  su dah m enunj u k kan h a sil ya ng sesuai, m a ka ta hap  sel anjutnya  adala h  me n g kofig u ra si  ke pe ran g ka t ke ra s  berb a si s FPGA.  Berd asarka n  repo rt p r o j ect  inform ation , rancang an p e m bang kit si n y al SPWM d apat  di konfig ura s ikan se cara  p e rang ka t  keras p ada  chip tun ggal  b e rba s i s  FP G A  ACEX1K d enga n  keb u tuhan  total  uti lized  37%  (1 086   LC  dari  28 80  LC)  re sou r c e  yang  terse d ia. Total  pin  I/O yang  dig una kan  seba nyak  33  dari   96  yang tersedia  (34%). Seme ntara tota l flip-flop yang dib u tuhkan 17 2.  Ha sil pe nga matan  kelua r an pa da pi n  FPGA dila kuka n setelah  kepi ng FP G A  Altera   ACEX1K50T C14 4 -3 di ko n f igura s i. Gam bar 6 mem p e r lihatkan ba h w a si nyal VG1 dan VG4 d a ri  pemba ng kit SPWM mem punyai  kelua r an yang  berl a wa nan. Ked ua si nyal terseb ut juga ti da k  mengal ami  kondi si O N   se cara  bersa ma an. Ga mba r   7 mem p e r liha t kan tu nda  an tara  pul sa tin ggi   yang terja d i  pada  pulsa-p ulsa VG 1 da n VG4. Gam bar te rsebut  mempe r lihat kan ba hwa tu nda  antara  ke dua  pulsa terse but yang ma mpu ditan g kap o s ilo sko p  seb e sar 8 u s . VG1 da n  VG4  deng an demi k ian  sud ah b i sa diu m pan kan ke  ran g ka ian pen gge ra k inverte r  satu fasa  karen a   tunda yang t e rjadi m a si h lebih be sa r d a ri yang  di pe rki r a k an d a la m pera n cang an yaitu se be sar  7,5us.       Gamba r  8. Pulsa VG2 d a n  VG3 dari  pemba ng kit SPWM       Gamba r  9. T unda VG2 d a n  VG3 dari  pemba ng kit SPWM       Gamba r  8 m enunj ukan g e jala yang  sama  sepe rti pada  sinyal  VG1 dan VG 4. Kedua   sinyal V G 2  d an VG 3 d a ri  pemba ng kit S P WM ju ga  sa ling b e rla w a n an. Tu nda  an tara  pul sa tin ggi  pada  ked ua  sinyal terseb ut terlihat pa da Gamb ar  9. Gamba r  tersebut me n ang kap b e sa rnya   tundaa n adal ah 8 us. Ked ua sinyal ini  sud ah bi sa u n tuk dium pan kan  ke ra ng kaian pe ngge rak  inverter s a tu  fas a .     3.2.  Hasil Keluaran Pen ggerak Inv e rter   Pengam atan terhad ap ha si l  ke rja ran g ka ian  pe ngg era k   yan g   telah  diran c a ng dil a ku kan   deng an mem beri k an  sinya l  masu ka n yang be ra sal  dari AFG  ( A u tomatic  Func tion Generator )  dan men gam ati sinyal kelu aranya me ng guna ka n os il oskop. Sinyal  masu kan be rupa gelo m ba ng  kota k yang  b e ra sal  dari  AFG ini m e mil i ki level te ga ngan  TTL ya ng setara de ngan  kel u a r a n   sinyal p eng g e ra k da ri FP GA yaitu 5 V dan m engg una kan  sam pel pa da fre k uen si tinggi  aga r  dapat men g a m ati karakte r i s tik tra n sie n t pada tiap  ko mpone nnya seca ra jela s.   Sinyal titik A  dan titik I memiliki pola r ita s   sinyal yang  sama de nga n sinyal ma suka nnya   dimana  ke m ung kina n di peng aru h i ol eh kara kte r i s tik  komp on en. Sinyal kelu ara n  titik I  mempu n yai l ebar pul sa  sama  sep e rti  pada  ma suka n titik A. Titik A mempu n yai level tega n gan   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930   ■      Kendali Ke ce patan Moto r Indu ksi Satu F a sa Pad a  V/f  Konstan … … (   Noo r fatch u rrudin)  105 masukan  sebesar 2,15 V  d an  keluaran ti tik I sebagai  keluaran  titik  akhi r m e miliki  level tegangan  kelu ara n   seb e sa r 7, 15 V.  Level teg ang an ini  s uda h cu kup   untu k  mengg erakan   MOSFET ka rena   MOSFET mempunyai te gang an  gate  batas (VG TH ) sebe sa r 2,5-10 V. Dari  pengam ata n   terse but tern yata memiliki  kelu ara n  a k hir seba gai  sinyal p engg era k  memili ki sifat mamp u  mengu bah le vel teganga n masu ka n da ri  5 V menjadi 15 V.              Gamba r  10.  Pengam atan  sinyal titik A dan titik I    3.3.  Hasil Keluaran Inv e rter         Ha sil kel u a r a n  pada i n vert er telah di uji  deng an be be rapa M O SFE T  antara lain  IRF 830,  IRF 640 da n  SK 727. Penelitian tera khir a k hi rnya  dipilih MOSFET SK 727 yang memiliki  V ds sebe sa r 80 0 V dan I ds  seb e sa r 2, 5 A .            Gamba r  11.S i nyal kelu ara n  inverter F =   50 Hz,  IM= 0,7812 5          Gamba r  12.  Sinyal kelua r an inverte r  F= 50 Hz,  IM= 0,4687      Catu  daya  yang  dibe rika n pa da  inve rter  da ri trafo isolato r   y ang  be rfung si u n tuk  meram batkan  tegangan ti nggi bola k -b alik tanpa m enurun kan te gang an yang  dicatu kan d a ri  lilitan premie rnya. Fa ktor  daya yang  b a ik d an  m a m pu untu k   dita rik  aru s  ya ng  besar  adal ah   karakte r i s tik l a in yang  me stinya dip enu hi. Pene litian  ini mem anfa a tkan  trafo i s olator  di dal a m   catu daya n ya dan ju ga  memanfa a tka n  dua b uah  trafo 10 A yang dig una kan se bag ai trafo   isolato r  dan u n tuk menyu p l a i tegang an ke inverter.   Seca ra  umu m  pen gam atan di atas cu kup  men unju k an  ba hwa i n verter da pat  be kerj a  deng an bai k,  sehi ngg a dap at dilakuka n  percob aan  p ada moto r in duksi  satu fa sa dim ana  da pat  meng - set  frekuen si dan in d e ks modul asi  dirub ah.      3.4.  Kecepa t an Motor Ind u ksi Satu Fa sa         Pengujia n se lanjutnya dila ku kan  pen gu kuran  te rha d ap kecepata n  motor i ndu ksi  satu  fasa de nga n mengg una ka n alat tacho m eter san w a seri E-1 00 da n  teganga n pa da motor  diu k ur  deng an voltmeter. Peng aturan  k ecep atan putar m o tor indu ksi dilakukan de ngan me ngu bah   s e tting  fre k u e n si da n inde ks mod u la si. Penelitian ini  menga mbil sampel fre k u e n si 10, 2 0 , 30 , 40   dan 50  Hz d e ngan in de ks  modula s i yan g  dapat diatu r  32 level pen gatura n .   Sesuai  teori   yang ad a, a gar  dida patkan  puta r a n   motor ya ng  halu s  pe rb an dinga n V/f  haru s   kon s ta n. Persamaa n untu k  pe rb andin gan  V/f kon s tan  pad a  penelitian i n i  adala h  se ba gai  beri k ut:    V/f = 220 V /  50 Hz = 4,4 volt/hertz    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                              ISSN: 1 693-693 0       TELKOM NIKA   Vol. 5, No. 2,  Agustus 2 007 :  101 - 1 0 6   106 Ha sil ujicoba  pengatu r a n  motor ind u ksi  denga n inve rter SPWM  b e rba s i s  FPG A  Altera  ACEX1K pa d a  V/f ko nsta n  ditunju k kan  p ada  Tabel  1.   Dari  Ta bel  1 t e rsebut te rlih at bah wa  mot o r   dapat diatu r   deng an puta r an yang h a l u s pa da ran ge ke ce pata n  285 -58 7  rpm pad a  set t ing   freku e n s i 10 -20 Hz.    Tabel 1. Kecepatan d an te gang an moto r pada frekue nsi re nda h.  Frekuensi  (Hz )   IM  ke  Vrms (teori)   volt   Vrms (terukur )   volt   Kecepatan   (rpm)   10 19  44  45  285  11 21  48,4  48  310  12 23  52,8  52  345  13 27  57,2  58  374  14 28  61,6  62  404  15 29  66  66  435  16 31  70,4  71  481  17 31  74,8  72  495  18 31  79,2  65  348  19 31  83,6  69  352  20 31  88  72  587      Pengam atan  terse but m enunj ukkan  bah wa tega n gan terukur  memiliki  seli sih yang  cu kup  ke cil dari tega nga n teori V/f konsta n.  Akan  tetapi pada  rentang frekuen si 17-20  Hz  tegang an te rukur me ng alami  penu runan  sehin g ga m eng aki batka n p u ta ran  moto r j uga  mengal ami  p enuruna n  ke cep a tan. Pad a  re ntang  fre k ue nsi  17 -20  Hz, ind e ks  modula s i  sa ma   karena  in deks m odul asi  ke 31  b e lum  bisa  me nai kkan teg ang an.  Atas  da sa r  ini ma ka   ov er   modula s i da p a t dikemb ang kan.       4. SIMPU L AN  Berda s a r kan  hasil  da n pe mbaha sa n di atas dip e rol e h simpul an sebag ai beri k u t:    1.  Ran c a ngan   pemba ng kit sinyal SPWM dapat di re alisa s i k an  pa da logi ka  pe rang kat  ke ra s  FPGA Altera ACEX1K.  2.  Inverter SP WM b e rb asi s  FPGA Altera ACEX1K yang di ran c a n g  dap at digu nakan u n tuk  mengatu r  ke cep a tan puta r  motor in du ksi  satu fa sa  pada puta r a n  yang halu s  pada rang e  ke cep a tan 28 5-58 7 rpm.       DAF TA R PU STAK A   [1].   Irwin, J . D., “ Industrial Electro nics Handboo k “, CRC Press  and IEEE Pres s ,  B o ca  Raton, Flo r id a, 1997.   [2].  Mohan,  N.,  Und e land,  T.M., and  Ro bbin s , W.P., “ Po w e r Ele c tronic s , Co nv erters,  Applica t ions , and Design “, Secon d  Edition, John  Wil e y & Sons, Singap ore, 19 9 5 .  [3].   Ras h id, M.H. , “ Po w e r Ele c tronic  Circ uit, Dev i ces And  Aplica t ion ”, Sec o nd Edition,  Prentices-Hal l International  Inc., London,  1993.   [4].  Supri,  “ Pen g e dali Motor  Satu Fa sa  Deng an M e tod e  PWM  Sinusoida  Berb asis  Mikrokon trol er 68HC1 1 ”,  Skrip s i-S 1 , Universita s Ah mad Da hlan,  Yogyaka r ta, 2005.   [5].  Sutikno, T d an Wid odo,  N.S., “ Sistem Pembangkit Pulsa PWM Sinusoi da Pada  In v e rter Pen g endali  Kec e patan Mo to r Serv o Dua  Fasa “, Semi nar  na sion al, Semina r  Sistem Tenaga Listri k III (SSTE III), Te kni k  Elektro, ITS, Surabaya, 2002.  [6].   Sutik no, T., “ Peran cang a n Paket Ke mudi In v e rter Satu Fas a  UPWM, SPWM dan  MSPWM Pad a  Chip Tung gal Berb asis  FPGA “, Jurn al Tran si stor,  Edisi De sem ber, Vol.  6 No. 2, FTI-Uni ssula, Semara ng, 200 5.  [7].  Sutikno, T., dan Muchla s, “ Peranca nga n Paket Sin y al Pembang k it UPWM dan SPWM  untuk Inv e rter Satu  Fas a  Berb asis FP GA “, Ju rnal  T e kn oin, Edisi   De semb er,  Vol. 9 No.  4,  FTI-UII, Y ogyakarta, 2004.  [8].   Zak i , A., “ Sistem Pemban gkit Sin y al PWM Berba s is FPGA p a d a  In v e rter P e ngger a k   Motor Indu k s i 3 Fasa ”, S k rip s i - S1, Uni v ersita s Gaja h Mada, Yog y akarta, 20 01 .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.