perancangan sistem pengendalian kecepatan motor …eprints.umm.ac.id/40868/1/pendahuluan.pdf ·...

PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN KECEPATAN

MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN CASCADED H-BRIDGE

MULTILEVEL INVERTER MENGGUNAKAN OPTIMALISASI

KONTROL PID BERBASIS FLOWER POLLINATION

ALGORITHM

SKRIPSI

Sebagai Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana

Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Oleh :

Muhammad Lutfi Ardiansyah

201410130311069

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2018

vii

LEMBAR PERSEMBAHAN

Puji syukur kepada Allah Subhanahu Wa Ta’ala atas rahmat dan karunia-Nya

sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini. Penulis menyampaikan ucapan

terima kasih yang sebesar-besarnya kepada :

1. Kedua orang tua, dan adik saya yang telah memberikan doa serta dukungan.

2. Dekan Fakultas Teknik Bapak Dr. Ahmad Mubin, MT dan Keluarga (FT). Serta

para Pembantu Dekan Fakultas Teknik dan keluarga besar Universitas

Muhammadiyah Malang.

3. Ketua Jurusan Teknik Elektro Ibu Ir. Nur Alif Mardiyah, MT. dan Sekretaris

Jurusan Teknik Elektro Bapak Widianto, ST., MT. beserta seluruh stafnya.

4. Bapak Dr. Ir. Ermanu Azizul H., MT. dan Novendra S., ST., MT. yang telah

meluangkan waktu untuk membimbing penulis dalam menyelesaikan tugas akhir

ini.

5. Seluruh Civitas Akademika (Dosen, Asisten, dan Karyawan) Universitas

Muhammadiyah Malang yang telah membekali ilmu dan membantu penulis selama

proses studi.

6. Sahabat sahabat dari ELEKTRO 2014 terutama Elektro 2014 B yang berjuang

bersama dari semester pertama.

7. Dan yang terakhir, semuanya yang telah membantu penulis yang tidak bisa

disebutkan satu persatu.

Semoga Allah Subhanahu Wa Ta’ala memberikan rahmat dan hidayah-Nya atas

segala kebaikan dan semoga kita semua selalu dalam lindungan serta tuntunan-Nya.

viii

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji syukur atas kehadirat Allah Subhanahu Wa Ta’ala.

Atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga peneliti dapat menyelesaikan tugas

akhir yang berjudul :

“Peracangan Sistem Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa dengan

Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter Menggunakan Optimalisasi Kontrol PID

Berbasis Flower Pollination Algorithm”

Di dalam tulisan ini disajikan pokok-pokok pembahasan yang meliputi

pengendalian kecepatan motor induksi tiga fasa dengan cascaded h-bridge multilevel

inverter menggunakan optimalisasi kontrol PID Berbasis FPA saat terjadi perubahan

nilai beban yang diberikan serta mengentahui nilai harmonisa yang dihasilkan.

Pembuatan Proyek Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar

Sarjana Teknik (ST) di Universitas Muhammadiyah Malang. Selain itu penulis berharap

agar proyek akhir ini dapat menambah kepustakaan dan dapat memberikan manfaat bagi

semuanya.

Akhir kata semoga buku ini dapat bermanfaat di masa sekarang dan masa

mendatang. Sebagai manusia yang tidak luput dari kesalahan, maka penulis mohon maaf

apabila ada kekeliruan baik yang sengaja maupun yang tidak sengaja.

Malang, 25 Juli 2018

Penulis

ix

DAFTAR ISI

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

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

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

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

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

ABSTRACK ............................................................................................................... vi

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

KATA PENGANTAR ............................................................................................. viii

DAFTAR ISI ............................................................................................................. ix

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

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

BAB I

PENDAHULUAN ..................................................................................................... 1

1.1 Latar belakang .................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .............................................................................................. 3

1.3 Tujuan ................................................................................................................ 3

1.4 Batasan Masalah................................................................................................. 4

1.5 Manfaat Penelitian ............................................................................................. 4

1.6 Sistematika Penulisan......................................................................................... 5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................... 7

2.1 Motor Induksi .................................................................................................... 7

2.1.1 Prinsip Kerja Motor Induksi ......................................................................... 7

2.1.2 Model d-q Motor Induksi Tiga Fasa ............................................................. 8

x

2.2 Inverter .............................................................................................................. 11

2.2.1 Multilevel Inverter ........................................................................................ 11

2.2.2 Sine-Triangle Pulse Width Modulation (SPWM) ........................................ 12

2.3 In-Phase Disposition Pulse Width Modulation (IPD PWM) ............................ 14

2.4 Pengaturan Vektor ............................................................................................. 16

2.4.1 (a, b, c) menjadi (α, β) (Transformasi Clarke) ............................................. 17

2.4.1 (α, β) menjadi (d, q) (Transformasi Park) .................................................... 18

2.5 Kontroller Proportional Integral Derivative (PID) .......................................... 19

2.5 Flower Pollination Algorithm (FPA) ................................................................ 21

2.6.1 Karakteristik Flower Polliation Algorithm (FPA) ....................................... 22

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN ............................................................................. 26

3.1 Pemodelan Sistem ............................................................................................ 26

3.2 Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa ............................................................... 27

3.3 Pemodelan Cascade H-Bridge (CHB) Multilevel Inverter .............................. 28

3.4 Pemodelan In-Phase Disposition Pulse Width Modulation (IPD PWM) ........ 29

3.5 Pemodelan Vector Control ............................................................................... 33

3.5 Pemodelan Kontroller PID Berbasis FPA ........................................................ 36

3.5 Penalaan Parameter Kontroller PID Menggunakan FPA ................................. 37

BAB IV

ANALISA DATA DAN PENGUJIAN SISTEM ................................................... 41

4.1 Rangkaian Simulasi .......................................................................................... 41

4.2 Pengujian In-Phase Disposition PWM ............................................................ 42

4.3 Pengujian Multilevel Inverter ........................................................................... 44

4.3.1 Hasil Simulasi Saat Torsi 0 N.m .................................................................. 44

4.3.2 Hasil Simulasi Saat Torsi 20 N.m ................................................................ 48

xi


4.4 Pengujian 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Kontrol PID-FPA ........... 55

4.4.1 Hasil Simulasi Saat Torsi 0 N.m .................................................................. 55



4.4 Pembahasan Hasil Pengujian ........................................................................... 58

BAB V

PENUTUP ................................................................................................................. 61

5.1 Kesimpulan ...................................................................................................... 61

5.2 Saran ................................................................................................................. 62

DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................... 63

xii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jenis Motor Induksi................................................................................... 7

Gambar 2.2 Rangkaian Ekivalen d-q dinamik motor induksi (a) rangkaian d-axis,

(b) rangkaian q-axis .............................................................................. 9

Gambar 2.3 Gelombang SPWM Inverter Tiga Fasa .................................................. 13

Gambar 2.4 Pola Switching IPD Carrier-Based PWM (a) 2 sinyal segitiga dan

sinyal modulasi (b) S1ap (c) S2ap (d) S1an (e) S2an .............................. 15

Gambar 2.5 Simulasi dari skema carrier-based PWM menggunakan IPD (a) Sinyal

Modulasi dan gelombang fasa didalam sinyal pembawa (b) Tegangan

keluaran fasa “a” ................................................................................... 16

Gambar 2.6 Kerangka Acuan Tetap 3 Koordinat....................................................... 16

Gambar 2.7 (a, b, c) menjadi (α, β) (Transformasi Clarke) ....................................... 17

Gambar 2.8 (α, β) menjadi (d, q) (Transformasi Park) .............................................. 18

Gambar 2.9 Blok Diagram Kontroller PID ................................................................ 19

Gambar 2.10 Diagram Flowchart Optimasi FPA ...................................................... 25

Gambar 3.1 Sistem Blok Diagram Pengendalian Kecepatan Motor Induksi ............. 26

Gambar 3.2 Pemodelan Motor Induksi ...................................................................... 27

Gambar 3.3 Pemodelan 5-level CHB Multilevel Inverter .......................................... 29

Gambar 3.4 Rangkaian 5-Level CHB Multilevel Inverter ......................................... 29

Gambar 3.5 Pemodelan IPD PWM ............................................................................ 31

Gambar 3.6 Parameter Sinyal Segitiga 𝐴𝑚1 .............................................................. 31




Gambar 3.10 Pemodelan Vector Control ................................................................... 33

Gambar 3.11 Blok Rangkaian Transformasi Vector Control..................................... 33

xiii

Gambar 3.12 Rangkaian iqs* calculation .................................................................. 34

Gambar 3.13 Rangkaian id* calculation .................................................................... 34

Gambar 3.14 Rangkaian teta calculation ................................................................... 34

Gambar 3.15 Rangkaian ABC to dq conversion ........................................................ 35

Gambar 3.16 Rangkaian flux calculation ................................................................... 35

Gambar 3.17 Rangkaian dq to ABC conversion ........................................................ 36

Gambar 3.18 Pemodelan Kontroller PID-FPA .......................................................... 37

Gambar 3.19 Rangkaian Kontroller PID-FPA ........................................................... 37

Gambar 3.20 Parameter Kontroller PID-FPA ............................................................ 37

Gambar 3.21 Diagram Flowchart Optimasi Kontroller PID Berbasis FPA .............. 40

Gambar 4.1 Pemodelan Rangkaian Simulasi Pengendalian Kecepatan Motor

Induksi Tiga Fasa ............................................................................... 41

Gambar 4.2 Sinyal Segitiga IPD PWM 5-level CHB Multilevel Inverter pada Satu

Fasa dengan Torsi 0 N.m ...................................................................... 42

Gambar 4.3 Keluaran sinyal IPD PWM 5-level CHB Multilevel Inverter pada Satu

Fasa dengan Torsi 0 N.m ...................................................................... 42


Fasa dengan Torsi 20 N.m .................................................................... 43







Gambar 4.8 Tegangan Fasa ke Fasa Inverter Konvensional dengan Torsi 0 N.m ..... 45

Gambar 4.9 Tegangan Fasa ke Fasa 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi

0 N.m .................................................................................................... 45

Gambar 4.10 Arus Iabc Inverter Konvensional dengan Torsi 0 N.m ........................ 46

Gambar 4.11 Arus Iabc 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 0 N.m......... 46

xiv

Gambar 4.12 Ripple Harmonisa Arus Iabc Inverter Konvensional dengan Torsi 0

N.m ..................................................................................................... 47

Gambar 4.13 Ripple Harmonisa Arus Iabc 5-level CHB Multilevel Inverter dengan

Torsi 0 N.m ........................................................................................... 47

Gambar 4.14 THD Inverter Konvensional dengan Torsi 0 N.m................................ 47

Gambar 4.15 THD 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 0 N.m ................. 48

Gambar 4.16 Tegangan Fasa ke Fasa Inverter Konvensional dengan Torsi 20 N.m. 48


20 N.m ................................................................................................ 49

Gambar 4.18 Arus Iabc Inverter Konvensional dengan Torsi 20 N.m ...................... 49

Gambar 4.19 Arus Iabc 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 20 N.m....... 49


N.m ....................................................................................................... 50


Torsi 20 N.m ......................................................................................... 50

Gambar 4.22 THD Inverter Konvensional dengan Torsi 20 N.m.............................. 51

Gambar 4.23 THD 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 20 N.m ............... 51

Gambar 4.24 Tegangan Fasa ke Fasa Inverter Konvensional dengan Torsi 50 N.m. 52


50 N.m ................................................................................................ 52

Gambar 4.26 Arus Iabc Inverter Konvensional dengan Torsi 50 N.m ...................... 52

Gambar 4.27 Arus Iabc 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 50 N.m....... 53


N.m ....................................................................................................... 53


Torsi 50 N.m ......................................................................................... 54

Gambar 4.29 THD Inverter Konvensional dengan Torsi 50 N.m.............................. 54

Gambar 4.30 THD 5-level CHB Multilevel Inverter dengan Torsi 50 N.m ............... 54

Gambar 4.31 Kecepatan Motor Induksi saat Torsi 0 N.m ......................................... 55

xv

Gambar 4.32 Electromagnetic Torque saat Torsi 0 N.m ........................................... 56

Gambar 4.33 Kecepatan Motor Induksi saat Torsi 20 N.m ....................................... 56

Gambar 4.34 Electromagnetic Torque saat Torsi 20 N.m ......................................... 57

Gambar 4.35 Kecepatan Motor Induksi saat Torsi 50 N.m ....................................... 57

Gambar 4.36 Electromagnetic Torque saat Torsi 50 N.m ......................................... 58

Gambar 4.37 Indeks Performansi SSTE PID-FPA .................................................... 60

xvi

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Respon Kontrol PID Terhadap Perubahan Parameter................................ 20

Tabel 3.1 Parameter Motor Induksi tiga Fasa ............................................................ 27

Tabel 3.1 Parameter Inisialisasi FPA ......................................................................... 39

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Multilevel Inverter .................................................. 58

Tabel 4.2 Data Hasil Pengujian kontrol PID-FPA ..................................................... 59

63

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kumolo D., Sugiyantoro B., dan E. Firmansyah, “Pengaruh Inverter Sebagai

Alat Pengendali Frekuensi Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi Tiga Fasa

Sangkar Tupai”, Jurnal Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi,

vol. 1 no. 2, pp. 68-71, Jul. 2014.

[2] Arifansyah M. N., “Analisis Dan Simulasi Cascaded Multilevel Inverter

Sebagai Sumber Motor Induksi”, J. UMM, pp. 1–8, 2016.

[3] Buja G. S. dan Kazmierkowski M. P., “Direct torque control of PWM

inverter-fed AC motors”, IEEE Trans. Ind. Electron, vol. 51, no. 4, pp. 744–

757, Aug. 2004.

[4] Hafandi, Nurhadi, dan Hakim E. A., “Desain dan Simulasi Cascaded H-bridge

Multilevel Inverter Sebagai Kontrol Motor Induksi Tiga Fasa Berbasis

Variable Speed Drive”, KINETIK, vol. 1, no. 1, Mei. 2016.

[5] Suhartono, “Optimasi Parameter Kontroler PID Berbasis Algoritma Particle

Swarm Optimization untuk Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga

Fase”, Surabaya, 2012.

[6] Yang S. X., “Flower Pollination Algorithm for Global Optimization”,

Computer Science, 7445, pp. 240-249, Dec. 2012.

[7] Puangdownreong D., dkk, “Application of Flower Pollination Algorithm to

Parameter Identification of DC Motor Model”, International Electrical

Engineering Congress, Thailand, Marc. 2017.

[8] Sakti F. P., Sarjiya, dan Hadi S. P., “Optimal Power Flow Using Flower

Pollination Algorithm- A Case Study of 500 kV Java-Bali Power System”,

IJITEE, vol. 1 no. 2, Jun. 2017.

[9] Widiastuti A. N., Mahardiko S., dan Hadi S. P., “Optimisasi PID pada Sistem

Mesin Tunggal Terpasang STATCOM dengan Algoritme Flower

Pollination”, JNTETI, vol. 5, no. 1, Feb. 2016.

[10] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, PT Gramedia

Pustaka Utama, Jakarta, Ch. 7, 2000.

[11] Kati O., “Pengendali Sliding Mode Control (SMC) Motor Induksi 3 Phasa

Dengan Metode Direct Torque Control (DTC) Menggunakan Algoritma

64

Genetika,” ELECTRICIAN - Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro, vol. 5,

no. 3, pp. 167-187, Sep. 2011.

[12] Panda, Y., “Analysis of Cascaded Multilevel Inverter Induction Motor

Drives”, National Institute of Technology Rourkela, India, 2011.

[13] Amir, M., Firdaus, A. I., “Studi Analisis Pengaruh Harmonisa Akibat

Penggunaan Variable Speed Drive Pada Motor Induksi Tiga Fasa”, Program

Studi Teknik Elektro-ISTN, vol. xix, no. 2, Oct. 2017.

perancangan sistem pengendalian kecepatan motor …eprints.umm.ac.id/40868/1/pendahuluan.pdf ·...

Documents