motor induksi tiga fasa dengan inverter svpwm sebagai alternatif pengganti motor dc pada

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013

ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-1

MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN INVERTER SVPWM SEBAGAI ALTERNATIF PENGGANTI MOTOR DC PADA PENGGERAK ELEKTRIK DENGAN BEBAN VARIABEL

Muhamad Yusuf 1), Mochamad Rameli2) , Joko Susilo 3)

Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri 2) , 3) Institut Teknologi Sepuluh Nopember,

1) Politeknik Cilacap Email: [email protected]); [email protected]); [email protected])

ABSTRAK

Hampir semua bidang industri menggunakan motor sebagai penggerak elektriknya. Motor DC adalah yang banyak digunakan karena mudah pengoperasiannya. Motor ini mempunyai harga dan perawatan yang relatif mahal bila dibandingkan dengan motor induksi. Oleh karena itu digunakan motor induksi tiga fasa sebagai pengganti motor DC pada penggerak elektrik. Motor induksi sangat handal, murah dan mudah dalam perawatannya, tetapi sulit untuk dikendalikan karena torsi dan fluk yang dihasilkan motor induksi saling berkaitan atau tidak bebas oleh karena itu motor ini termasuk plant nonlinier. Salah satu metode yang banyak digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi adalah pengaturan vektor. Agar motor induksi mudah untuk dikendalikan seperti motor DC penguat terpisah maka, motor induksi dimodelkan dalam referensi sumbu putar (model d-q). Pengaturan vektor yang digunakan adalah jenis switching space vector pulse width modulation (SVPWM), kemudian untuk mengatasi perubahan torsi beban agar tidak mempengaruhi kecepatan digunakan fuzzy PI kontroller. Sistem ini disimulasikan dengan memberikan torsi beban antara 5Nm sampai 20Nm dan menghasilkan error steady state rata-rata dibawah 4rpm atau sebesar 0,4 %. Kata kunci: Motor Induksi Tiga Fasa, penggerak elektrik, SVPWM, Fuzzy PI kontroller. PENDAHULUAN

Motor induksi salah satu jenis mesin listrik yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Motor jenis ini banyak diaplikasikan dalam bidang HVAC (Heating, Ventilation dan Air-Conditioning), Industrial drives (motion control, Robotic), Automotive (Electric Vehicle) dll. Motor jenis ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya konstruksinya sederhana dan kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya mudah. Pengaturan motor induksi lebih sulit bila dibandingkan dengan motor arus searah/DC, karena fluks dan torsi yang dihasilkan oleh motor induksi saling berkaitan atau tidak bebas. Salah satu metode yang digunakan adalah pengaturan vektor yaitu pemisahan (decoupling) variabel stator dan rotor agar motor tersebut seperti motor DC penguat terpisah. Biranchi dkk [4] mengatur kecepatan motor induksi menggunakan Fuzzy logic controller dan menghasilkan time settling (0,35 detik) kemudian dibandingkan dengan PI kontroller memiliki time settling (0,65 detik) tetapi diuji dengan beban konstan pada daerah steady state. Yuksel O dan Dede M [8] mengatur kecepatan motor induksi tanpa menggunakan sensor kecepatan yaitu dengan mengestimasi flux rotor dengan ANN, tetapi sensor flux mudah rusak karena panas saat motor bekerja. Kemudian Arulmozhiyal dkk [5] menggunakan Fuzzy PI dan inverter space vector pulse width modulation (SVPWM) dapat menjaga kecepatan motor secara konstan walaupun diberikan beban yang berubah - ubah disimulasikan dalam matlab.


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-2

Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan terdapat beberapa kelemahan dan kelebihan dari masing-masing penelitian yang telah dilakukan. Maka dapat dijadikan penelitian lanjutan terutama tentang aplikasi penggerak elektrik dengan kondisi beban berubah - ubah dengan switching SVPWM menggunakan fuzzy PI kontroller yang mempunyai error steady dibawah 0,4% atau 5 rpm disimulasikan dalam matlab dan diimplementasikan pada mikrokontroller ATmega 16.

Makalah ini terbagi menjadi beberapa bagian sebagai berikut. Bagian 1 adalah Pendahuluan, pada bagian 2 Metodologi, pada bagian 3 membahas hasil dan Pembahasan, di akhir bagian 4 memberikan kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan.

METODE PENYELESAIAN Metode penyelesaian pada penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan yaitu 1. Pertama adalah melakukan pemisahan variabel stator dan rotor motor induksi meliputi

fluks, arus, tegangan dalam referensi putar (model d-q). 2. Kedua adalah merancang switching SVPWM dan inverter tiga fasa. 3. Ketiga adalah merancang kontroller fuzzy PI.

Pertama melakukan transformasi koordinat tiga fasa (koordinat abc) menjadi koordinat dua fasa (koordinat d-q) dengan mengikuti persamaan (1).

sincossincos

sincos..

32

21

32

32

21

32

32

21

0

c

b

a

q

d

fff

fff

(1)

Gambar 1 Rangkaian ekivalen d-q motor induksi 3 fasa [2]

Untuk mempermudah analisis motor induksi maka digunakan rangkaian ekivalen seperti pada Gambar 2.2. lebih dahulu ditinjau bahwa keadaan motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dimana stator merupakan rangkaian primer dan rotor sebagai rangkaian sekunder. Dari model rangkaian motor induksi pada Gambar 2 maka, Persamaan model matematis motor induksi tiga fasa jika dibuat dalam bentuk state space ditunjukkan pada persamaan (2). Kecepatan putaran motor induksi merupakan fungsi dari torsi elektromagnetik dan torsi beban. Adapun rumusan untuk mendapatkan kecepatan motor induksi ditunjukkan pada persamaan (3).


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-3

00

x

0000

0000

1x

1 22

2

qs

ds

s

r

r

r

qr

dr

qs

ds

srsrrssr

rrrrsr

srrsssrs

rrrrrs

qr

dr

qs

ds

VV

LMML

LMML

Diiii

LRLLMRMLMRMLLRMLLLRMLMRMLMRMLR

Diiii

dtd

(2)

Dimana, 2MLLD rs

Lerr TTBdtd

pJ . (3)

dimana, TL : torsi beban (N.m) Te : torsi elektromagnetik (N.m) B : konstanta gesek motor (kg.m2/s) J : momen inersia (kg.m2) p : jumlah pasang kutub (-) r : kecepatan angular rotor (rad/detik) Vqs,Vds : tegangan stator pada sumbu dq (Volt) Vqr, Vdr : tegangan rotor pada sumbu dq (Volt) iqs, ids : arus stator pada sumbu dq (Ampere) iqr, idr : arus rotor pada sumbu dq (Ampere)

qs, ds : fluks stator pada sumbu dq (Webber) qr, dr : fluks rotor pada sumbu dq (Webber) Rs : tahanan stator (ohm) Rr : tahanan rotor (ohm) Lls : induktansi diri stator (Henry) Llr : induktansi diri rotor (Henry) M/LM : induktansi mutual (Henry)

Kedua merancang switching SVPWM, switching ini bekerja berdasarkan vektor ruang dari tegangan dalam bidang -. Komponen - dicari dengan transformasi clarke.

Gambar 2 Skema dasar inverter tiga fasa

SVPWM mengacu pada urutan pensaklaran yang khusus dari enam transistor power pada inverter sehingga menghasilkan distorsi harmonik tegangan dan arus yang lebih efisien. Rangkaian inverter ditunjukkan pada Gambar 2.

Tabel 1 Nilai tegangan tiap vektor tegangan


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-4

S1 sampai S6 adalah 6 (enam) saklar-saklar power yang membentuk output, yang dikendalikan oleh perubahan pensaklaran a, a, b, b dan c, c. Ketika saklar atas ON, maka saklar bawah yang berhubungan adalah OFF. Oleh karena itu variabel switching akan menghasilkan delapan kemungkinan keadaan seperti yang terlihat pada Tabel 1. Dari delapan kemungkinan tersebut maka munculah delapan buah vektor tegangan yang terdiri dari V0 sampai dengan V7 kemudian dipetakan dalam bentuk hexagonal dengan beda sudut 60 derajat seperti terlihat pada Gambar 3. Hubungan antara perubahan switching [a, b, c]t dan tegangan vektor line ke line [Vab Vbc Vca]t ditunjukkan pada persamaan (4).

cba

.101110

011

dc

ca

bc

ab

VVVV

(4)

Untuk mendapatkan nilai tegangan fasa terhadap sumbu netral [Van Vbn Vcn]t dapat digunakan persamaan (5).

cba

.211121112

3Vdc

VVV

cn

bn

an (5)

Adapun langkah-langkah dalam menyusun SVPWM sebagai berikut: 1. Membuat sumber tiga fasa yang bisa diatur baik frekuensi atau tegangannya oleh sinyal

kontrol. 2. Mengubah sinyal tiga fasa Vabc menjadi V, V dan mencari sudut fasa () 3. Menentukan lamanya waktu switching

T1, T2 dan T0 4. Memilih transistor (S1 sampai S6) yang aktif berdasarkan tabel 2.

Gambar 3 Dasar pensaklaran vektor dan sektor

Untuk membuat sumber tiga fasa dengan beda fasa 1200 dengan membuat fungsi sinus kemudian menggesernya dengan -2/3 dan 2/3. Untuk menentukan tegangan V, V dan sudut menggunakan transformasi Clarke yang ditunjukkan pada persamaan (6). Sedangkan untuk mencari tegangan Vref dan dapat ditentukan jika diketahui nilai V dan V yang ditunjukkan pada persamaan (7) dan (8).

cn

bn

an

VVV

VV

.

23

230

21

211

.32

22 VVV ref (7)


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-5

fttVV 2tan 1

(8)

Menentukan lamanya waktu switching T1, T2 dan T0 pada tiap sektornya ditunjukkan persamaan (9) yang mengacu pada Gambar 3.

sin.3

coscos.3

sin..3

1nn

VVT

Tdc

refZ (9.a)

3

)1(cos.sin3

)1(sin.cos..3

2 nn

VVT

Tdc

refZ

(9.b)

210 TTTT Z (9.c) dimana, n adalah urutan sektor (n = 1, 2, ... , 6)

Diagram blok secara keseluruhan switching SVPWM ditunjukkan pada Gambar 4. Sinyal keluaran fuzzy PI kontroller digunakan untuk mengatur frekuensi dan tegangan untuk membangkitkan sinyal sinus tiga fasa (Vabc).

Tabel 2 Lama waktu pensaklaran tiap sektor

Gambar 4 Diagram Simulink SVPWM

Ketiga merancang kontroller fuzzy PI diagram simulink fuzzy PI kontroller yang digunakan dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5 Diagram simulink fuzzy PI kontroller


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-6

Masukan dari fuzzy berupa error dan delta error yang didapat dari pengurangan antara sinyal setpoint dan sinyal umpan balik dari sensor kecepatan. Sedangkan untuk menentukan parameter Kp dan Ki dalam PI kontroller digunakan metode tunning manual melalui step by step design.

Dari percobaan didapatkan bahwa range sinyal error adalah antara -3 sampai 3. Sehingga derajat keanggotaan sinyal error dalam fuzzy ditunjukkan pada Gambar 6. Untuk mendapatkan nilai delta error dengan cara menambahkan unit delay pada sinyal error, maka didapat nilai delta error bervariasi dari -1 sampai 1. Derajat keanggotaan untuk sinyal delta error ditunjukkan pada Gambar 7. Derajat keanggotaan output ditentukan antara 0,5 sampai dengan 1 yang dibagi menjadi tujuh bagian. Derajat keanggotaan sinyal output ditunjukkan pada Gambar 8.

Gambar 6 Derajat keanggotaan sinyal error Gambar 7 Derajat keanggotaan delta error

0,5 0,55 0,65 0,75 1

1

0,5

NB NM NS Z PS PM PB

MF output (u)0,6 0,7 0,8 0,85 0,9 0,95

Gambar 8 Derajat keanggotaan output

Sedangkan untuk rule base yang akan digunakan ditunjukkan pada Tabel 3 dengan masukan berupa error (e) dan delta error (ce) yang terdiri dari 7 anggota dan memiliki keluaran sebanyak 49 anggota. Dimana: NB : Negative small PS : Positive small NB : Negative big PM : Positive medium NM : Negative medium PB : Positive big Z : Zero

Tabel 3 Rule base fuzzy logic controller

e/de NB NM NS Z PS PM PBNB NB NB NB NB NM NS ZNM NB NB NB NM NS Z PSNS NB NB NM NS Z PS PMZ NB NM NS Z PS PM PB

PS NM NS Z PS PM PB PBPM NS Z PS PM PB PB PBPB Z PS PM PB PB PB PB

Blok diagram sistem secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 9. Motor induksi yang digunakan adalah motor induksi jenis rotor sangkar tupai (squirrel-cage) hubungan bintang.

-3 -2 -1 0 1 2 3

1

0,5

NB NM NS Z PS PM PB

MF error (e)-1 -0,8 -0,4 0 1

1

0,5

NB NM NS Z PS PM PB

MF delta error (de)-0,6 -0,2 0,2 0,4 0,6 0,8


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-7

Gambar 9 Diagram blok sistem

Parameter motor induksi yang digunakan mempunyai parameter ditunjukkan pada Tabel 3. Tabel 3 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa

Nama Simbol Nilai Resistansi stator () Rs 0,435 Induktansi stator (H) Lls 0,002 Resistansi rotor () Rr 0,186 Induktansi rotor (H) Llr 0,002 Mutual induktansi (H) M 0,069 Momen Inersia (kgm2) J 0,089 Konstanta Gesek (kg.m2/s) B 0,005 Kutub P 4

HASIL DAN DISKUSI Karakteristik sistem dapat diketahui melaui proses pengujian yang dibagi menjadi beberapa bagian yaitu pengujian model motor induksi tiga fasa, pengujian mekanisme switching pada algoritma SVPWM, Pengujian simulasi sistem secara keseluruhan dan implementasi sistem.

Gambar 10 Kecepatan dengan torsi beban nol

Pengujian model motor induksi dilakukan dengan memberikan sinyal input dengan frekuensi 50Hz dan tegangan 300V, torsi beban (TL) yang diberikan nol. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10 bahwa kecepatan (r) mendekati 1500 rpm dengan slip mendekati nol bahwa kecepatan medan putar (Ns) mendekati kecepatan angular pada rotor (Nr).


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-8

Gambar 11 kecepatan dengan torsi beban 10,20,5 Nm Kecepatan akan menurun jika terdapat torsi beban pada motor induksi hal ini sesuai dengan persamaan (3). Pengaruh perubahan torsi beban (TL) terhadap kecepatan ditunjukkan pada Gambar 11.Terjadi penurunan kecepatan sebesar 400rpm pada saat diberikan torsi beban sebesar 20Nm. Hal ini sangat mempengaruhi kinerja dari sistem. Selanjutnya dengan penambahan kontroller PI pengujian dengan setpoint 1000rpm dan torsi beban yang bervariasi dari 10, 20 dan 5 Nm. Respon kecepatan terhadap torsi yang berubah ubah dapat ditunjukkan pada Gambar 12.

Gambar 12 Respon kecepatan PI kontroller dengan TL 10, 20 dan 5 Nm

Respon kecepatan pada daerah steady state dengan torsi beban yang berubah-ubah dapat dilihat pada Gambar 13.

Gambar 13 Respon kecepatan saat steady state dengan TL 10, 20 dan 5Nm dengan menggunakan PI kontroller

Dengan menambahkan fuzzy sehingga menjadi kontroller fuzzy PI dapat mereduksi error steady state yang ditunjukkan pada Gambar 14.


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-9

Gambar 14 Respon kecepatan saat steady state dengan TL 10, 20 dan 5Nm dengan menggunakan Fuzzy PI kontroller

Terlihat dimana dengan perubahan beban pada daerah steady state sistem mempunyai respon yang baik. Perangkat keras sistem ini dapat dilihat pada Gambar 15.

Gambar 15 Perangkat keras implementasi secara keseluruhan

Bentuk sinyal keluaran yang dgunakan sebagai pemicu gate inverter seperti pada Gambar 16. Terlihat bahwa sinyal ini mempunyai amplitudo sebesar 15V dan frekuensi sebesar 50Hz merupakan sinyal pembentuk fasa A yang sudah termodulasi. Dimana pada saat periode positif sinyal mendapat modulasi dengan sinyal PWM dan pada saat periode negatif sinyal tidak mendapat modulasi dengan sinyal PWM.

Gambar 16 Sinyal Modulasi PWM dengan fasa A

Bentuk sinyal dengan beban pada fasa A terhadap netral ditunjukkan pada Gambar 17 terlihat bahwa bentuk sinyal mendekati bentuk sinus yang terdiri dari empat tingkatan / level. Bentuk gelombang ini sesuai dengan tabel 2.1 dimana ada 4 (empat) buah tegangan yang berbeda pada tiap sektornya yaitu 2/3, 1/3, -1/3, dan -2/3 dari VDC hal ini terbentuk karena pola pensklaran yang mengikuti pada Tabel 1.


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-10

Gambar 17 Sinyal keluaran fasa A terhadap netral

KESIMPULAN

Dari penelitian yang sudah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu Kontroller fuzzy PI dalam simulasi dapat mereduksi error steady state dengan dibawah 0,3% pada beban 20Nm. Respon kecepatan motor induksi linear terhadap perubahan frekuensi input dan memiliki error steady state 36rpm atau 2,21 % dalam implementasi. Pola pensklaran pada SVPWM menghasilkan empat level tegangan. Penelitian selanjutnya bisa ditingkatkan dengan menggunakan multilevel SVPWM, sehingga sinyal yang dihasilkan mempunyai banyak level yang hampir mendekati bentuk sinyal sinus

DAFTAR PUSTAKA

[1] Gopal K. Dubey (1989), Power Semiconductor Controlled Drives , Prentice-Hall International

[2] Boldea ion, Nasar S.A, (1999) Electric Drives, CRC Press LLC

[3] Purwanto Era, Ashary M, (2008) Pengembangan inverter fuzzy logic kontrol untuk pengendalian motor induksi sebagai penggerak mobil listrik dengan metoda vektor kontrol Teknik Elektro, FTI ITS, Makara Teknologi.

[4] Biranchi Narayan Kar, K.B. Mohanty, (2011) Indirect vector control of Induction Motor Using Fuzzy logic controller Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, IEEE

[5] R. Arulmozhiyal, K. Baskaran (2009) Space Vector Pulse Width Modulation Based Speed Control of Induction Motor using Fuzzy PI Controller, IEEE International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 1, No. 1, April 2009

[6] Jaroslav Lepka, Petr Stekl (2005), 3-Phase AC Induction Motor vector control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device, Freescale Semiconductor

[7] Paladugu Anitha, H Badrul. Chowdhury (2007), Sensorless control of inverter-fed induction motor drives, Electrical & Computer Engineering Department, University of Missouri-Rolla, Electric Power Sistems Research 77 Hal 619629

[8] Yuksel Oguz, Mehmet Dede (2010), Speed estimation of vector controlled squirrel cage asynchronous motor with artificial neural networks, Department of Electrical Education, Faculty of Technical Education, Afyon Kocatepe University, Afyonkarahisar, Turkey, Energy Conversion and Management 52 Hal 675686.


ISBN : 978-602-97491-7-5 A-7-11

[10] Atmel corporation (2003), 8 bit AVR microkontroller with 8kbyte in system programmable flash ATmega, Orchard Parkway, USA

[11] Kumar V. K, Michael P. A, John P Joseph (2010), Simulation And Comparison Of Spwm And Svpwm Control For Three Phase Inverter School of Electrical Science, Karunya University, India, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Vol 5 No.7

[12] Rini S. W (2011), Desain and Implementation of Internal controller PI Direct Torque Control as Induction Motor Driver , Final Project of Electrical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya.

[13] Pratama Ikhwan W (2011), Simulation and design of direct torque control space vector modulation (DTC SVM) with pi control for three phase induction motor as electric vehicle wheel drives Final Project of Electrical Engineering, Sepuluh Nopember Institute of Technology, Surabaya.

motor induksi tiga fasa dengan inverter svpwm sebagai alternatif pengganti motor dc pada

Documents