PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN METODA DIRECT TORQUE CONTROL MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC CONTROLLER

Transkripsi

1 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 PENGAURAN KECEPAAN MOOR INDUKSI IGA FASA DENGAN MEODA DIREC ORQUE CONROL MENGGUNAKAN FUZZY LOGIC CONROLLER Endro Wahjono ), Soebagio ) Politeknik Elektronika Negeri Surabaya ) Jurusan Elektro FI, Institut eknologi Sepuluh Nopember Surabaya ) Kampus IS Keputih Sukolilo Surabaya 60 endro@eepis-its.edu Abstrak Penelitian ini mengembangkan metode pengaturan kecepatan motor induksi tanpa sensor (sensorless) menggunakan Direct torque Control (DC) dengan Fuy Logic Control (FLC). Estimasi kecepatan motor akan dibandingkan dengan kecepatan referensi untuk menghasilkan error. Error sebagai masukan FLC. Nilai keluaran dari FLC adalah orka referensi. Besaran masukan estimasi DC adalah arus dan tegangan motor, sinyal masuk inverter dan tegangan dc. Besaran keluaran estimasi DC adalah torka, putaran, fluks dan sudut antara fluks sumbu d dan sumbu q. Hasil simulasi dengan simulink menunjukkan bahwa dengan metoda DC menggunakan FLC pengaturan kecepatan motor induksi saat start terjadi overshoot,6%, rise time detik dan setling time detik untuk kecepatan motor referensi 76,8 rad/detik. Dengan metode Direct orque Control (DC) menggunakan Fuy Logi Controller (FLC) mampu untuk mengikuti kecepatan referensi yang dinamis dengan baik serta dapat menekan ripple sampai ke derajat yang sangat rendah. Kata kunci : Direct orque Control, motor induksi, fuy logic controller, speed sensorless.. PENDAHULUAN Motor DC adalah motor yang paling ideal untuk dipakai dalam pengemudian elektrik, karena motor tersebut adalah motor yang linier dan pengaturan kecepatannya mudah. Kejelekan dari motor dc adalah harganya cukup mahal, ukurannya relative besar, dan adanya komutator dan sikat-sikat dalam motor, memerlukan suatu pemeliharaan yang rutin dan selama pemeliharaan operasi system terhenti. Sedangkan motor induksi harganya murah, kokoh dan bebas dari pemeliharaan. Kelemahan motor induksi adalah bahwa motor induksi adalah motor yang tidak linier, dan metoda untuk mengatur kecepatan adalah rumit, disamping itu diperlukan suatu konverter yang akan menimbulkan harmonisa. Dengan perkembangan kemajuan teknologi dibidang Mikrokontroler, Microkomputer, Devices, eori kontrol, dan Artificial Inteligence (AI) memberikan pengaruh dalam operasi dan kinerja dari pengemudian elektrik sehingga motor induksi dapat menggantikan fungsi motor DC di industri. Motor induksi umumnya dioperasikan untuk kecepatan tetap. Berdasarkan survey bahwa bila motor dioperasikan dengan kecepatan variabel, maka motor akan mengkonsumsi daya listrik yang kecil. Karena itu motor ini banyak dipakai dengan kecepatan variabel. Untuk mengatur kecepatan motor induksi pada kecepatan tetap dan kecepatan variabel diperlukan frekuensi atau torka. Konverter daya difungsikan untuk mengatur parameter-parameter motor induksi, sehingga dengan mengatur parameter motor induksi akan dapat mempengaruhi kecepatan putar motor. Ada banyak metode untuk pengaturan kecepatan motor induksi. Diantara kontrol tersebut adalah kontrol tegangan / frekuensi (v/f) kontrol ini paling sederhana, karena banyak digunakan di industri. Dan juga dikenal sebagai kontrol skalar yang menggunakan metode antara tegangan / frekuensi konstan [5,6]. Kontrol ini digunakan tanpa umpan balik kecepatan. Kelemahan dari kontrol ini belum mencapai nilai yang akurat pada respon kecepatan dan respon torka[], dimana kontrol fluks stator dan torka masih menggunakan kontrol tidak langsung. ektor Kontrol, untuk jenis ini ada loops kontrol untuk mengontrol torka dan fluks. Yang umum digunakan adalah transformasi vektor. Kelemahan utama bila menggunakan kedua kontrol tersebut adalah memerlukan kemampuan komputasi sangat besar dan harus dapat mengidentifikasi parameter motor. Dalam penelitian ini dirumuskan suatu penyelesaian untuk mendapatkan estimasi kecepatan pada motor induksi tiga fasa dengan respon dinamis yang cepat. Dengan menggunakan Metoda Direct orque Control yang memungkinkan untuk mengontrol secara langsung fluks stator dan torka []. Perubahan fluks stator dan torka dikendalikan dengan FLC yang berfungsi untuk estimasi dan kendali kecepatan motor induksi tiga fasa.. Model Motor Induksi iga Fasa Secara konvensional untuk menganalisa model motor induksi tiga fasa dikembangkan berdasarkan model trafo, dengan mengasumsikan tegangan sumber adalah sinusoidal dan kondisi steady state. Dalam operasi riil ditemui permasalahan tegangan sumber yang tidak sinusoidal dan ada perubahan beban. Karena itu B-4

2 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 dibutuhkan model lain yang lebih fleksibel untuk menganalisis motor induksi. Model motor induksi dalam koordinat d-q-n digunakan untuk menganalisis motor dan lebih fleksibel. Persamaan tegangan motor induksi dengan tegangan simetri dalam koordinat d-q-n dinyatakan oleh []. v r i ωλ pλ v v qr s s r i ωλ pλ (.) r i r qr ( ω ωr ) λ dr pλ qr ( ω ωr ) λ qr pλ dr v dr r ri dr Fluksi yang tercakup dalam kumparan adalah: λ L i L ( i i qr ) ls M λ L i L ( i i dr ) (.) λ qr ls M L lri qr L ( i i M qr ) λ dr L lri dr LM ( i i dr ) Persamaan-persamaan diatas dapat dinyatakan dalam bentuk matriks berikut : rs pls ωl s plm ωl M i ωl s rs pls ωl m plm i. qr pl r r r M ( ω ωr ) LM r pl ( ω ωr ) L i qr dr ( ω ωr ) LM plm ( ω ωr ) Lr Rr plr i dr dengan L L L s ls L r L lr m Lm orka elektromagnetik motor induksi dapat ditentukan dengan : P e ( )( )( λ i λ i ) (.4) Persamaan dinamis dari mesin induksi dinyatakan oleh J dω r e L (.5) P dt dengan L adalah torka beban e adalah torka elektromagnetik J adalah momen inersia (kg.m ) P adalah jumlah kutub ω adalah kecepatan angular rotor (rad/dt) r Diagram dari model motor induksi diperlihatkan dalam Gambar.. (.) ωλ ( ω ω ) λ r dr ωλ ( ω ω ) λ r qr Gambar. Rangkaian ekivalen dq dari motor induksi tiga fasa.. Space ector Pulse-Width Modulation (SPWM) Space vector modulation (SM) adalah teknik modulasi yang dikembangkan melaui Space vector (vector ruang) yang akan menjadi tegangan acuan dengan periode sampling tertentu ke inverter. Dengan menggunakan dua tegangan acuan yaitu v d,v q dan sudut. eknik SPWM dapat digunakan untuk membangkitkan pola pensaklaran inverter fasa jenis sumber tegangan (SI). Bila tegangan acuan fasa B-5

3 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 diberikan dalam bentuk v a, v b dan v c maka diperlukan transformasi dari -fasa ke -fasa. Space vector dengan persamaan -fasa dapat dinyatakan dengan x a (t), x b (t) dan x c (t) yang masing-masing mempunyai pergeseran fasa sebesar 0 0. Persamaan dalam dalam vector dapat dinayatakan sebagai berikut : x [ x ( t) ax ( t) a ( )] a b xc t (.) π j π π a e cos( ) jsin( ) 0,5j0,8667 (.) 4π j 4π 4π a e cos( ) j sin( ) -0,5-j0,8667 (.) Fungsi x dapat berupa fungsi tegangan, arus atau fluks dan tidak harus dalam bentuk fungsi sinusoida. Bila x sebagai fungsi tegangan, maka persamaan tegangan dapat diberikan dengan persamaan berikut: v a ( t) m sin( ω t) x a( t) v t t x ( t) b ( ) m sin( ω 0 ) b (.4) v t t x ( t) c ( ) m sin( ω 0 ) c sehingga dalam bentuk persamaan space vector untuk persamaan jumlah tegangan menjadi: v [ v ( t) av ( t) a ( )] a b vc t (.5) abel. Kombinasi posisi saklar Sa, Sb dan Sc ektor Sa Sb Sc egangan v v 0 0 v 0 v 0 0 v 4 0 v v 6 0 v 7 Karena kombinasi v 0 (000) dan v 7 () pada tabel. mempunyai tegangan output sama dengan nol, maka tinggal 6 (enam) vektor tegangan yang akan membentuk persegi enam dan mempunyai panjang rusuk masingmasing sebesar dc. Jika dilihat dari salah satu segitiga yang terbentuk, akan terlihat menjadi segitiga sama kaki dengan garis tinggi sebesar dc. or [00] or (/ ) dc [0] or [0] [00] (/) or 4 dc or 6 [00] [0] or 5 Gambar. Mode sektor inverter Untuk merealisasikan SPWM melalui beberapa langkah berikut:. Menetukan basar tegangan d, q, ref dan sudut α. Menentukan lama waktu penyalaan saklar dengan, dan 0. Menentukan lama pensaklaran masing-masing transistor (S -S 6 ) Langkah pertama adalah menentukan transformasi dari fasa ke fasa dengan transformasi sebagai berikut: B-6

4 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 d d q an an an bn cos 60 bn cn cos0 bn cn cn cos 60 cos0 d 0 bn cn Persamaan.6 dapat dibentuk dalam persamaan matrik sebagai berikut: a d (.7) b q 0 c (.8) ref d q q α tan ωst πf st d dengan f s adalah frekuensi dasar. Untuk menentukan lama waktu pensaklaran, dan 0 adalah melalui persamaan berikut: ref dt dt dt 0 0 Dengan 0 o Sehingga. ref 0 ( π ) cosα cos ( ). ref dc dc sinα 0 sinπ Dengan nilai 0 α 60 0, maka nilai, dan 0 adalah sebagai berikut: sin( π α ). a. sinπ dengan ( α) sin. a. sinπ ( ) 0 f s dan ref a dc Secara umum nilai, dan 0 untuk semua sektor adalah sebagai berikut: ref π n ref nπ sin α π sin α dc dc dc ref dc dc ref ref nπ nπ sin cosα cos sinα n sin α π cosα sin dt ( n ) π ( n ) sinα cos π 0 untuk n 6 ( sektor sampai 0 α 60 (.6) (.9) (.0) 6 4. Fuy Logic Controller (FLC) FLC digunakan untuk estimasi dan kontrol kecepatan motor, sehingga didapatkan respon dinamis yang akurat. FLC digunakan untuk estimasi kecepatan motor dengan masukan perubahan putaran dan putaran estimasi. Hasil dari FLC adalah orka referensi untuk mendapatkan respon kecepatan yang bervariasi. B-7

5 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 Gambar 4. Skema FLC untuk switching table Fuy logic controller sebagai error kompensator merupakan kontroller yang tersusun atas aturan-aturan kontroller yang ditentukan berdasarkan pengetahuan, pengamatan, dan pengenalan respon dari objek yang akan dikendalikan. 5. Model Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi iga Fasa. Gambar 5. Blok diagram pemodelan sistem Dari gambar diatas secara keseluruhan dapat dibagi dalam beberapa blok:. Model motor induksi tiga fasa. Model rangkaian inverter fasa. Model estimator Direct orque Control (DC) 4. Model Fuy Logic Controller (FLC) 5. Model Motor Induksi tiga fasa Gambar 5. Model Motor Induksi fasa Dari gambar 5. terlihat bahwa blok fluk stator (model fluks stator) dapat diperlihatkan pada gambar 5. B-8

6 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 Ku Wd Matrix [0-0] vs_dq s fl_s_dq is_dq Rs Gambar 5. Model fluks stator motor Untuk model transformasi abc ke sumbu dq atau sebaliknya dapat dilihat pada gambar 5.4 dan 5.5 a b c 4 theta_da f(u) vsd f(u) vsq Eq. -8 vs_dq Gambar 5.4 ransformasi besaran sumbu abc ke dq Gambar 5.5 ransformasi besaran sumbu dq ke abc 5. Model Rangkaian Inverter Model simulasi rangkaian inverter ditunjukkan pada gambar 5.6 dengan input sinyal dari qa, qb dan qc untuk mengaktifkan kombinasi saklar inverter sehingga menghasilkan sinyal va, vb dan vc. qa qb d Gain d Gain v an v bn / Gain va vb qc d Gain v cn vc Gambar 5.6 Model simulasi rangkaian inverter 5. Model Estimator DC Sinyal tegangan v_abc dan arus i_abc dari stator dengan besaran fasa ditransformasikan menjadi besaran fasa pada sumbu-d dan sumbu-q, kemudian digunakan untuk menghitung fluk stator (fl_s_est), sector, torka (em_est), dan putaran (Wmech_est) estimasi seperti pada gambar 5.7 B-9

7 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei Model Fuy Logic Controller (FLC) Gambar 5.7 Estimator fluk, torka, putaran dan sudut _ estm Z Fuyfikasi _ Est System Inferensi Fuy Defuyfikasi Fuyfikasi Gambar 5.8 Model Fuy Logic Controller Proses pertama didalam FLC adalah fuyfikasi setiap input FLC dari proses ini didapatkan nilai fungsi keanggotaan dari tiap himpunan fuy yang ada unutk tiap input, setelah semua input telah melalui proses fuyfikasi maka untuk mengambil suatu keputusan dari hasil fuyfikasi akan dimasukkan kedalam sistem pengambil keputusan yang lebih dikenal dengan aturan-aturan dasar (rule base). Setelah keputusan telah diambil adalah proses selanjutnya adalah melakukan proses defuyfikasi. Proses defuifikasi adalah proses pemetaan dari hasil aksi kontrol inferensi fuy. ujuan dari defuifikasi adalah untuk menghasilkan aksi kontrol non fuy (crisp)yang mewakili distribusi kemungkinan dari hasil kontrol inferensi fuy. 6. Hasil Simulasi dan Analisa. Pada simulasi pengaturan putaran motor motor induksi tiga fasa ini akan dilakukan dengan uji pada kondisi start, putaran referensi turun 50% dan beban turun 50%. Hal ini difungsikan untuk melihat perfomansi dari motor induksi apabila terjadi setting putaran turun dan beban turun dan kenaikan beban. 6. Respon putaran awal motor induksi terhadap waktu pada saat berbeban. Gambar 6. orka elektromagnetik dan fluk stator motor orka elektromagnetik dapat dilihat pada gambar 6. pada kondisi start, akan stabil setelah 0, detik. Arus stator maksimum stady state setelah 0, detik seperti pada gambar 6.. B-0

8 Seminar Nasional Informatika 009 (semnasif 009) ISSN: UPN eteran Yogyakarta, Mei 009 (a) (b) Gambar 6. (a). Arus stator motor saat start, (b). Putaran pada saat start abel 6.. Hasil metoda Direct orque Control menggunakan Fuy Logic Controller pada kondisi start No. Performansi FLDC Overshoot (%),6 Rise ime (detik) 0,045 Settling ime (detik) 0, Peak ime (detik) 0,07 Peak (rad/detik) 75,5 7. KESIMPULAN Dari hasil simulasi yang telah dilakukan dapat ditarik kesimpulan yaitu : Pada saat start motor dengan beban, N-m dan putaran nominal 76,8 rad/detik terjadi overshoot,6%, rise time 0,045 detik dan settling time 0,485 detik. Pada saat motor terjadi perubahan referensi putaran menjadi 8,9 rad/detik pada waktu t0,5 detik dengan beban 5,49 N-m terjadi overshoot 5,6%, rise time 0.07 detik dan settling time 0.4 detik. 8. DAFAR PUSAKA [.] Soebagio, Model mesin AC pada koordinat d-q-n, Materi kuliah Mesin Listrik Lanjut, IS, 006 [.] D. Casadei, Giovanni Serra, FOC and DC: two variable scheme for induction motors torque control, rans. On Power Electronics, ol. 7, No. 5, September 00. [.] Bimal Kr. Bose, Modern Power Electronics and AC drives, Prentice Hall PR, 00. [4.] Jawad Fai, Mohammad Bagher Bannae Sharifian, Ali Keyhani, Amulin Bogda Proca, Sensorless Direct orque Control of Induction Motors Used in Electric ehicle, IEEE ransaction on Energy Conversion, vol.8, March 00. [5.] D. Casadei, G. Serra, A. ani, and L.Zarri, Assessment of direct torque control for induction motor drives, Buletin of the Polish academy of science tech. sciences, vol. 54, No.,006. [6.] A. Damiano, P.as etal, Comparison of speed sensorless DC induction motor drives, in Proc. PCIM, Nuremberg, Germany, 997, pp. -. B-