PERANCANGAN RANGKAIAN PENGENDALI KECEPATAN MOTOR INDUKSI AC TIGA FASE MENGGUNAKAN METODE SPACE VECTOR DAN KENDALI PROPORTIONAL INTEGRAL ( PI )

Transkripsi

1 PERANCANGAN RANGKAIAN PENGENDALI KECEPATAN MOTOR INDUKSI AC TIGA FASE MENGGUNAKAN METODE SPACE VECTOR DAN KENDALI PROPORTIONAL INTEGRAL ( PI ) SPEED CONTROL DESIGN OF THREE PHASE AC INDUCTION MO- TOR USING THE SPACE-VECTOR METHOD AND PROPORTIONAL INTEGRAL CONTROLLER (PI) Slamet Puat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalitrikan dan Energi Baru Terbarukan Jln. Cileduk Raya kav. 09, Telp (0)703530, Cipulir Keb. Lama, Jakarta Selatan lam_ftubl@yahoo.com ABSTRACT Thi reearch decribed about peed control of three-phae AC induction motor ue pace vector method and Proportional Integral (PI) controller. To determine the parameter of PI controller ued Tuning Chart for PI Feedback Controller. Meaurement of motor peed ued dc motor volt functioned a a generator connected by Op-Amp circuit. Output Voltage Op-Amp interfaced to ADC Microcontroller a ignal feedback from actual peed of triphae AC induction motor. Then in empiric i earched tranfer function of the motor to determine value of the K p (proportional gain), K i (integral gain), θ (dead time), and τ (time contant). Teting ytem i done for et point maneuver from 480 rpm to,080 rpm, and then from,00 rpm to 480 rpm. Baed on the reult of reearch indicate that control ytem PI for peed of triphae AC motor can be controlled to reach table condition, if maneuver et point under pecifi cation of nominal peed performance of three phaa AC induction motor for 900 rpm. Keyword: Space vector, Proportional integral, Induction motor ABSTRAK Penelitian ini menguraikan tentang perancangan rangkaian kontrol kecepatan motor induki AC tiga fae menggunakan metoda pace vector dan pengendali Proportional Integral (PI). Untuk menentukan pengendali PI digunakan Tuning Chart for PI Feedback Controller. Pengukuran kecepatan motor induki digunakan enor kecepatan dari motor dc volt yang difungikan ebagai generator yang dihubungkan kerangkaian Op-Amp. Keluaran tegangan Op-Amp dihubungkan ke ADC microcontroller ebagai inyal feedback dari kecepatan aktual motor induki AC tiga fae. Kemudian ecara empiri dicari fungi alih motor untuk menentukan bearan K p, K i, θ, dan τ. Pengujian dilakukan untuk et point bermanufer dari 480 rpm ke.080 rpm, kemudian dari.00 rpm ke 480 rpm. Berdaarkan hail penelitian menunjukkan bahwa item kendali PI untuk kecepatan motor AC tiga fae dapat dikendalikan untuk mencapai kondii tabil, jika manuver et point di bawah peifi kai kinerja kecepatan nominal motor AC tiga fae 900 rpm. Kata Kunci: Space vektor, Proportional integral, Motor induki PENDAHULUAN Motor induki AC memiliki keunggulan dalam hal keederhanaan dan murahnya biaya perawatan ehingga jeni motor ini banyak dipakai, baik di lingkungan indutri maupun rumah tangga. Untuk dapat mengatur kecepatan putaran motor AC dapat dilakukan dengan merancang ebuah 675

2 rangkaian kontrol yang dapat mengatur bearnya tegangan dan frekueni keluaran ehingga motor AC dapat dikendalikan dengan flekibel. Ada beberapa jeni item pengaturan, di antaranya adalah inverter Pule Width Modulation (PWM). Keuntungan operai Inverter PWM ebagai teknik konveri dibanding dengan jeni inverter lainnya adalah rendahnya ditori harmonik pada tegangan keluaran dibanding dengan jeni inverter tandar. Selain itu, teknik PWM angat prakti dan ekonomi untuk diterapkan berkat emakin peatnya perkembangan teknologi emikonduktor terutama teknologi elektronika daya yang mempunyai waktu tranii angat cepat. 3 Pada pengendalian kecepatan motor AC, inverter PWM mempunyai kelebihan yaitu mampu menggerakkan motor induki AC tiga fae dengan putaran halu dan rentang yang lebar. Untuk merancang inverter PWM dibuat terlebih dahulu pembangkitan inyal PWM yang dilakukan ecara digital agar diperoleh unjuk kerja item lebih kebal terhadap derau. Perancangan ebuah pembangkit inyal PWM menggunakan mikrokontroler yang memiliki beberapa keuntungan yaitu mudah diprogram dan rangkaian inverter PWM menjadi ederhana. 4 Inverter PWM terdiri ata akelar emikonduktor atau tranitor yang diuun edemikian rupa dan memerlukan inyal kendali yang euai untuk mengatur waktu tranii pada aat penyakelaran. Metode untuk mengodekan inyal analog menjadi durai lebar pula dengan logika high dan low terebut adalah PWM. Metode Space Vector PWM merupakan metode yang bia diimplementaikan ecara digital dan dapat mencapai indek modulai yang lebih tinggi. 5 Untuk merancang dan merealiaikan pengaturan kecepatan motor induki AC tiga fae menggunakan metode Space Vector PWM dan Pengendali Proportional Integral (PI) yang digunakan untuk penalaan parameter proportional integral. Penerapan Pe ngendali PI digunakan untuk menghailkan repon yang lebih cepat dari pengendalian integral tapi mampu menghilangkan offet yang ditinggalkan pengendalian proporional. Diharapkan pengaturan kecepatan putar motor induki AC tiga fae akan menghailkan perubahan kecepatan yang mempunyai hubungan berbanding luru ketika dilakukan perubahan frekueni. 6 Untuk itu, pada penelitian ini akan dirancang ebuah rangkaian kontrol kecepatan motor induki AC tiga fae menggunakan metode Space Vector dan kendali Proportional Integral (PI). 7 TEORI Prinip Kerja Motor Induki AC Tiga Fae Motor induki adalah uatu motor aru bolak balik yang bekerja berdaarkan induki elektromagneti, di mana aru pada rotor beraal dari aru yang terinduki ebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar tator. Prinip kerja motor induki tiga fae berdaarkan induki elektromagneti. Jika kumparan tator diberi tegangan inuoida tiga fae maka aru akan mengalir dengan beda fae 0. Gari-gari gaya fluk tator terebut akan berputar memotong penghantar rotor ehingga pada penghantar terebut timbul gaya gerak litrik atau tegangan induki. 3 Space Vector PWM (SV_PWM) Space Vector PWM didapat dengan mentranformai tegangan ke ruang vektor dan hailnya dikeluarkan pada tegangan fae dengan cara merata-rata tiga vektor tate witching berurutan Van, Vbn, dan Vcn pada waktu interval dari ubiklu T = /f. Permaalahan yang ering terjadi pada motor induki AC tiga fae adalah ditori harmonik pada aru fae pada proe witching. Struktur kha dari motor induki AC tiga fae yang terhubung dengan Voltage Souce Inverter (VSI) 5 dapat diilutraikan pada Gambar. Gambar. Struktur Motor Induki AC Tiga Fae Terhubung dengan VSI 676 Widyariet, Vol. 4 No.3, Deember 0

3 Ketika dipetakan dalam kerangka dua dimeni, konfigurai Space Vector dalam bidang komplek yang bukan fae nol ada enam fae tegangan impul yang membentuk ebuah egi enam eperti terlihat pada Gambar. Hubungan antara Space Vector dan korepondeni witching tate dapat diuraikan pada model peramaan matematik. 4 atu dengan udut vektor (θ) dapat diilutraikan pada Gambar 3. Dari Gambar 3, dapat dihitung nilai V dan T ebagai periode ampling euai pada peramaan () ampai dengan peramaan (). 4 Dari hail peramaan terebut diperoleh Tabel durai waktu witching atau duty cycle untuk ektor,...6 yang dapat dinyatakan dalam Tabel. V T T Ta + V Tb + V0 T0 = V () Ta + Tb + T 0 = () V adalah vector refereni dan T merupakan periode ampling yang merupakan variabel untuk menentukan durai waktu witching maingmaing ektor. Tabel. Peramaan Waktu Switching Sektor, 6 PERANCANGAN Metode dan proedur perancangan rangkaian kontrol kecepatan motor induki AC tiga fae dilakukan dengan cara menentukan durai waktu witching untuk emua ektor, merancang rangkaian inverter ebagai penggerak motor induki, melakukan penalaan pengendali kecepatan untuk memperoleh fungi alih pengendali, dan kompenai penguatan kendali PI. Menentukan durai waktu witching Untuk menentukan durai witching T a, T b adalah dengan menentukan vektor refereni pada waktu T. Adapun bagian ia dari iklu T o = T T a T b adalah waktu witching untuk vektor nol V 0. Untuk menghitung vektor refereni pada ektor Gambar. Konfigurai Space Vector dalam Bidang Komplek Gambar 3. Repreentai Vektor pada Sektor Pertama 4 V Perancangan Rangkaina Pengendali... Slamet 677

4 Merancang Rangkaian Inverter Inverter merupakan uatu alat yang dapat mengubah inyal tegangan DC menjadi inyal AC atau tegangan inuoida dengan frekueni dan level tegangan yang dapat diatur. Oleh karena itu, alat ini biaa dipakai untuk menjalankan motor induki tiga fae dengan kecepatan yang dapat dikendalikan. Rangkaian inverter tiga fae yang digunakan pada penelitian ini terdiri ata enam buah komponen witching eperti ditunjukkan pada Gambar 4. Tranitor yang digunakan adalah jeni BJT yang memiliki waktu turn-on dan turn-off ekitar 0,3 μ ehingga cocok untuk diaplikaikan pada inverter frekueni tinggi. Pengaturan inyal PWM pada bai akan menghailkan pula-pula untuk fae R poitif dan pada bai akan menghailkan pula-pula untuk fae R negatif. Pengaturan inyal PWM pada bai 3 akan menghailkan pula-pula untuk fae S poitif dan pada bai 4 akan menghailkan pula-pula untuk fae S negatif. Pengaturan inyal PWM pada bai 5 akan menghailkan pula-pula untuk fae T poitif dan pada bai 6 akan menghailkan pula-pula untuk fae T negatif. Dari Gambar 4, tegangan umber adalah 0 Vac dari tegangan jala-jala 0 Vac yang diturunkan menggunakan trafo tep down. Untuk mengetahui tegangan antarfae, dilakukan perhitungan manual dengan mengikuti peramaan (3) 8 didapat tegangan yang mendekati nilai aktualnya. MV I V AB _ rm = dc (3) di mana V AB _ rm M I = tegangan antarfae (line to line Voltage) = indek modulai Melakukan Penalaan Pengendali Kecepatan Penalaan atau tuning adalah proedur untuk menyetel parameter kontroler berumpan balik untuk mendapatkan repon lup tertutup yang ditentukan. Dalam penalaan pengendali kecepatan ini menggunakan pengendali Proportional Integral yang merupakan dua unit kendali, yaitu Proportional dan Integral. Sifat pengendali Proportional yang elalu meninggalkan offet dapat ditutupi oleh kelebihan Integral, edangkan ifat pengendali Integral yang lambat dapat ditutupi oleh pengendali Proportional ehingga pengendalian Proportional Integral diharapkan akan mampu menghailkan repon yang lebih cepat dari pengendalian Integral ekaligu mampu menghilangkan offet yang ditinggalkan pengendalian Proportional. 9 Untuk menentukan nilai K p dan K i dilakukan pengujian menggunakan inyal unit tep dengan cara kontroller dietting manual, kemudian menganalii perubahan tep pada inyal keluaran dan terakhir mencatat repon inyal keluaran tranmitter Δ. Adapun untuk acuan dalam menentukan nilai K p dan K i digunakan Tuning Chart for PI Feedback Controller (T. Marlyn) eperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, edangkan untuk menentukan dead time dan time contant ebagai acuannya Gambar 4. Rangkaian Inverter Tranitor BJT Tiga Fae 678 Widyariet, Vol. 4 No.3, Deember 0

5 menggunakan Gambar 6. Blok pengendali kecepatan menerima maukan yang berupa kealahan kecepatan putar rotor, yaitu kecepatan putar acuan dikurang kecepatan putar aktual yang diumpanbalikkan langung dari enor kecepatan. Adapun pengendali PI dirumukan dengan peramaan (4). t = p + Iò0 ( ) () () U t K e t K e t dt Gambar 5. Repon Step Lup Terbuka (4) (T. Marlyn) di mana U(t) = maukan kendali e(t) = inyal pembangkit kealahan untuk mencari fungi alih kendali PI, dilakukan tranformai Laplace didapat peramaan (5). ( ) () U E = K + p K I (5) HASIL DAN PEMBAHASAN Gambar 7 merupakan hail pengujian inyal PWM dengan frekueni 50 Hz, Amplitudo 90%, dan frekueni Carrier 490 Hz dengan beban lampu 5 watt, di mana V AB adalah tegangan antarfae inverter. Hail aktual pengukuran tegangan antarfae inverter adalah 66 Vac. Adapun V dc adalah tegangan umber yang beraal dari rectifier. Tegangan umber yang digunakan adalah 0 Vac dari tegangan jala-jala 0 Vac yang diturunkan menggunakan trafo tep down. Jika dilakukan perhitungan manual dengan mengikuti peramaan (3), 8 akan didapat nilai tegangan yang mendekati nilai aktualnya ebear 70 volt. Dari Gambar 7 terlihat bahwa dengan menggunakan ampel rate 00 KHz, maka frequency witching atau frequency carier udah euai dengan frekueni pada jala-jala litrik ebear 40 m. Untuk frekueni refereni yang beraal dari jala-jala litrik dengan mengalikan jumlah periode dibagi waktu elama periode terebut tepat diperoleh frekueni ebear 50 Hz. 0 Pada Gambar 8 ditampilkan grafik kecepatan motor dengan frekueni maukan ecara bertahap dari frekueni 0 Hz ampai 5 Hz. Dari hail θ θ Fraction dead time Fraction dead time θ + τ θ + τ Gambar 6. Diagram Tuning PI untuk Mencari Nilai Kc dan Ki (T. Marlyn) Gambar 7. Sinyal Pule Width Modulation_V AB Perancangan Rangkaina Pengendali... Slamet 679

6 pengukuran kecepatan motor terhadap frekueni dan tegangan maukan mempunyai hubungan berbanding luru dengan kecepatan motor. Tegangan minimal yang mampu menggerakkan motor AC 3 fae ebear 0,4 volt dari et point yang beraal dari poteniometer dengan kecepatan minimal untuk tart awal putar motor ebear 4 rpm pada frekueni 0 Hz. Kecepatan makimal terjadi pada tegangan dan frekueni makimal ekitar 4,3 volt dan 5 Hz. Dari hail pengujian terlihat bahwa kecepatan putar motor belum ebanding atau bergerak ecara linear dengan adanya perubahan data maukan berupa variabel frekueni dan tegangan. Penyebab ketidaklinearan terebut karena adanya faktor konveri putaran motor ke bentuk data digital yang berubah akibat ketidakeimbangan kopel tachogenerator yang berfungi ebagai enor dalam membaca kecepatan putar motor induki ecara real time ytem. Data frekueni maukan menghailkan konveri yang lebih baik dari data analog tegangan Pada Gambar 9 ditampilkan grafik kalang terbuka item kendali kecepatan motor induki AC tiga fae dengan item lup terbuka atau tanpa pengendali untuk menentukan bearan PI yaitu K p dan K i. Plant yang digunakan dalam penelitian ini adalah ebuah motor induki AC tiga fae yang dilengkapi dengan enor kecepatan. Kedua komponen terebut digunakan untuk mencari tanggapan kalang terbuka dari motor induki AC tiga fae tanpa beban. Pengujian plant ini dilakukan dengan menggerakkan motor induki AC tiga fae dengan membuat program untuk mengirimkan data PWM dan menghitung kecepatan motor AC yang dihailkan ampai nilai PWM makimal. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui hubungan antara kecepatan motor dengan frekueni maukan yang berfungi ebagai et point dalam pengaturan kecepatan motor. Pengambilan data repon terbuka bertujuan untuk identifikai plant dan mengetahui perilaku item tanpa pengontrol eperti grafik hail pengujian yang ditunjukkan pada Gambar 9. Repon item yang ditunjukkan pada Gambar 9. merupakan hail dari uji kalang terbuka di mana keluaran item belum mampu mengikuti nilai et point. Untuk membuat item kendali bekerja euai dengan nilai maukannya maka dicari parameter pengendali PI, di mana diperoleh parameter proce value ebear,6 volt dan manipulated value ebear volt ehingga bearnya penguatan Proportional ebear,3 dan penguatan Integral ebear 0,8. Untuk menentukan fungi alih pengendali PI maka digunakan peramaan (4) dan ebagai acuannya digunakan peramaan 5 ementara nilai K c dan K i digunakan diagram berdaarkan tuning Pengendali PI yang didapat dari perpotongan titik temu antara bearan K c K p terhadap fraction dead time dan bearan K i, didapat dari perpotongan titik temu antara bearan terhadap fraction dead time. Gambar 0 merupakan hail pengujian item terkendali PI untuk et point bermanuver dari 480 rpm ke.080 rpm menunjukkan bahwa kinerja kecepatan motor induki AC tiga fae pada et point kecepatan 480 rpm repon item dalam kondii tabil dan ketika dilakukan manuver 4.5 Grafik kalang terbuka motor induki 3 faa Kecepatan(rpm)) % 8% Gambar 8. Grafik Kecepatan Motor dengan Frekueni Maukan waktu(detik) Gambar 9. Grafik Kalang Terbuka Motor Induki 3 Fae 680 Widyariet, Vol. 4 No.3, Deember 0

7 dengan et point.080 rpm repon item mengalami teady tate error ebear 5% dari et point acuannya. Hal ini dikarenakan manuver kecepatan motor dilakukan melebihi kecepatan nominal motor yaitu 900 rpm. Kinerja item dengan perubahan nilai et point dari 480 rpm kemudian dinaikkan menjadi.080 rpm repon item mencapai keadaan tunak atau tabil lebih cepat dicapai dengan menggunakan metode kurva reaki dengan maukan unit tep. Untuk manuver et point dari.00 rpm yang diturunkan menjadi nilai et point 480 rpm waktu yang diperlukan untuk mencapai kondii tunak atau tabil adalah detik, edangkan waktu turun untuk mencapai kondii tunak atau tabil pada kecepatan rendah waktu yang diperlukan angat cepat ekitar 0.5 detik. KESIMPULAN Berdaarkan hail perancangan, realiai, pengujian dan analii terhadap item pengendalian kecepatan motor induki AC tiga fae menggunakan metode pace vector dan pengendali Tegangan(Volt) Tegangan(Volt) waktu(detik) Grafik unjuk kerja item dengan manuver etpoint Repon item Setpoint Repon item Setpoint waktu(detik) Gambar 0. Grafik Kecepatan motor induki dengan manufer et point dari 480 ke.080 rpm dan.00 ke 480 rpm PI, dapat diimpulkan bahwa repon kecepatan motor dapat elalu mengikuti perubahan et point bermanufer dari 480 rpm dinaikkan.080 rpm dalam waktu ekitar detik dan manufer et point dari.00 rpm yang diturunkan menjadi nilai et point 480 rpm memerlukan waktu menuju kondii teady tate ekitar 0,5 detik. Manuver et point kecepatan motor yang melebihi kecepatan nominal motor 900 rpm, repon kecepatan motor memiliki kealahan tunak atau teady tate error ekitar 5%. Dengan demikian, perubahan kecepatan motor dapat dikendalikan untuk mencapai kondii tabil, jika manuver et point di bawah peifikai kinerja kecepatan nominal motor AC tiga fae yang digunakan yaitu ebear 900 rpm. UCAPAN TERIMA KASIH Penuli mengucapkan terima kaih kepada Prof. Dr. Mano Ginting, M.Sc. ata bimbingan dan arannya dalam penulian karya tuli ilmiah (KTI) ini dan pembimbing penelitian, Dr.Ir. Feri Yuivar, M.Eng. erta taf Laboratorium Kendali Univerita Indoneia. DAFTAR PUSTAKA Kraue, Paul C Analyi of Electrical Machinery. McGraw-Hill, Inc. Bin Wu High-Power Converter and AC Drive. IEEE Pre. Hoboken, New Jerey: John Wiley & Son, Inc. 3 Zuhal Daar Tenaga Litrik dan Elektronika Daya. Jakarta: PT Gramedia Putaka Utama. 4 Atmel AVR AC Induction Motor Control Uing the Contant V/f Principle and a Spacevector Pule Width Modulation Algorithm, Paper 7546A AVR /05, Atmel Corporation. 5 K. Zhou, D. Wang, February. 00. Relation between pace-vector modulation and three-phae carrier-baed Pule Width Modulation. IEEE Tranaction on Indutrial Electronic, 49 () Akin Acar Implementation Of A Vector Controlled Induction Motor Drive. A Thei Submitted, The Middle Eat Technical Univerity. 7 Remu Teodorecu Space Vector Modulation Applied to Modular Multilevel Converter. Department of Electrical Engineering,Texa A&M Univerity. Perancangan Rangkaina Pengendali... Slamet 68

8 8 Zaenal Salam The Deign and Development of a High performance Bi-directional Inverter Photovoltaic Application. Proyek penyelidikan IRPA, Univeriti Teknologi Malayia. 9 Tianchai Sukri, October 5, 007. T-DOF PI Controller Deign for a peed Control of Induction Motor. International Journal of Mathematical. 0 Mohd Wazir Bin Mutafa Static And Dynamic Impact Of Three To Six-Phae Converion Of Selected Tranmiion Line In An Electric Energy Sytem. Reearch vote no:7464, Univeriti Teknologi Malayia. PUSTAKA PENDUKUNG Krihnan, R., 00, Electric Motor Drive Modeling, Analyi, and Control, Prentice Hall, Inc. 68 Widyariet, Vol. 4 No.3, Deember 0