Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic
Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic Hamzah Ahlul Fikri Jurusan Tehnik Elektro, FT, Unesa, email:
[email protected]
Subuh Isnur Haryudo Jurusan Tehnik Elektro, FT, Unesa, email:
[email protected]
Abstrak Penelitian ini dilatar belakangi oleh permasalahan pengoperasian motor induksi yang mengalami perubahan kecepatan apabila diberikan perubahan beban, karena pada prinsipnya motor induksi dioperasikan pada kecepatan yang konstan. Untuk mempertahankan kecepatan tetap konstan ketika beban berubah maka diperlukan suatu kontroler yang berupa sistem fuzzy. Tujuan dari penelitian ini ialah untuk menganalisa dan menguji efisiensi dari perancangan kontrol fuzzy logic dalam pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa dibandingkan dengan kontrol PI. Penelitian ini menggunakan metode penelitian eksperimen dengan membuat simulasi kontrol logika fuzzy dan kontrol PI dalam pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa. Kendali logika fuzzy disimulasikan dengan mengatur tegangan motor dan menggunakan inverter IGBT. Pembebanan pada motor dilakukan dengan cara bertahap dan fedback sistemnya adalah sinyal frekuensi dari alat ukur. Hasil akhir dilihat dari perbandingan antara motor induksi dengan pengendali fuzzy dan motor induksi dengan menggunakan kontrol PI. Perbandingan akhir menunjukkan hasil bahwa kontrol logika fuzzy dapat menangani kecepatan dengan rise time, settling time dan steady state error yang rendah dengan perubahan mendadak, sehingga dapat pengendali fuzzy memiliki kemampuan yang lebih baik dibandingkan dengan kontrol PI. Kata kunci : Motor Induksi, Logika Fuzzy
Abstract This research was motivated by the problem the induction motor that change speed when given load change, since in principle the induction motor is operated at a constant speed. To maintain the speed remains constant when the load changes, we need a controller in form of fuzzy system. The purpose of this study was to analyze and test efficiency of the design of fuzzy logic control in the setting of a three-phase induction motor speed compared with PI control. This research used experimental research to create a simulation of fuzzy logic control and the PI control in regulating the speed of three phase induction motor. Fuzzy logic control is simulated by adjusting the motor voltage and using IGBT inverter. Loading on the motor done by step and feedback system is frequency signal from the measuring instrument. The final result seen from a comparison between the induction motor with fuzzy controller and an induction motor using PI control. Comparison of the final results show that fuzzy logic control can handle the speed of the rise time, settling time and low steady state ability than the PI control. Keywords: Induction Motor, Fuzzy Logic
PENDAHULUAN Menurut Suhendra (2014) motor induksi merupakan motor arus bolak balik (AC) yang paling luas digunakan, terutama pada industri-industri. Prinsip kerja motor ini berdasarkan proses induksi yang terjadi pada bagian rotor, arus yang mengalir pada kumparan rotor merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan antara putaran rotor dengan medan putar stator, yang dihasilkan oleh kumparan stator. Menurut Anwar (2008) motor induksi pada umumnya berputar dengan kecepatan konstan, mendekati kecepatan sinkronya. Meskipun demikian pada penggunaan tertentu dikehendaki juga adanya pengaturan putaran karena apabila beban berubah maka kecepatan
9
motor juga akan berubah. Secara konvensional motor induksi menggunakan kontrol PI. Oleh karena itu, untuk mempertahankan agar kecepatan tetap konstan maka tegangan dan frekuensi harus diatur. Agar didapatkan kinerja yang diharapkan dari motor induksi diperlukan suatu kontroler yang berupa sistem fuzzy. Dalam perencanaan suatu sistem dalam mengatur variable kontrol tersebut diperlukan adanya penggunaan sistem Fuzzy Logic Control (FLC). Menurut Dewi (2002) penggunaan sistem Fuzzy Logic Control (FLC) dalam kinerjanya sangatlah baik dengan tingkat respon yang cepat dalam mengatasi kinerja sistem kontrol yang mengalami perubahan beban. Penggunaan fuzzy logic control bertujuan untuk mengantisipasi atau memperbaiki kesalahan (error) yang terjadi pada sistem
Character, Volume 06 Nomor 1 Tahun 2017, 9 - 13
(plant) yang diakibatkan oleh adanya perubahan beban. Untuk melengkapi proses kontrol kecepatan motor induksi, digunakan sebuah inverter PWM. Hal ini bertujuan untuk memberikan frekuensi variable dengan konstanta tegangan dan frekuensi (V/F) dalam pengaturan kecepatan motor yang diberikan pada input motor. Thomas (1994) juga menjelaskan bahwa penggunaan inverter PWM sebagai supalai dayayang mengubah tegangan searah menjadi tegangan variabel bertujuan untuk memperoleh kecepatan yang sesuai dengan perubahan beban. Berdasarkan latar belakang masalah tersebut maka peneliti tertarik untuk melakukan penelitian dengan judul ”Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic.” Penggunaan kontroler Fuzzy diharapkan dapat mengatur kecepatan dengan baik pada saat tanpa beban dan berbeban. Pada penulisan skripsi ini, Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic diaplikasikan dalam bentuk simulasi. METODE Penelitian ini merupakan jenis penelitian kuantitatif dengan rancangan eksperimen. Penelitian ini menggunkan rancangan eksperimen karena bertujuan untuk menganalisa dan menguji efisiensi dari perancangan kontrol logika fuzzy dalam pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa. Sedangakan jenis penelitian kuantitatif digunakan dalam penelitian ini karena diharapkan hasil penelitian ini dapat menunjukkan dan menjelaskan hasil dari perancangan kontrol logika fuzzy dalam pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa. Pemodelan sistem yang digunakan yaitu Simulink MATLAB 2009A dengan teknik sampling. Masukan pada sistem adalah kecepatam dan torsi referensi pada motor induksi. Spesifikasi motor yang dipakai adalah sebagai berikut: Tabel 1. Spesifikasi motor induksi 1. Power 50 HP 2. Frequency 60 Hz 3. Voltage 460 V 4. Motor Speed 1760 Rpm 5. Pole pair 2 P 6. Inersia j 1.662 Kg.m2 Teknik pengumpulan data yang digunakan dalam penelitian ini aldalah dengan mempelajari sistem kerja dari pengaturan yang digunakan dalam perancangan kontrol logika fuzzy dalam pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa. Teknik analisis data yang digunakan pada penelitian ini yaitu dengan cara simulasi sistem yang menghasilkan data-data. Data-data tersebut berupa basis pengetahuan
yang diubah dalam bentuk tabel fungsional antara sinyal masukan (harga error) sebagai masukan dan sinyal kontrol untuk melihat respon sistem. Berdasarkan data tersebut dapat dibandingkan keunggulan dan kelemahan pada kedua sistem sehingga dapat diketahui pengendali mana yang paling baik. HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil Software yang digunakan untuk membuat simulasi dan pengujian respon pada penelitian ini yaitu software Matlab. Software Matlab dilengkapi dengan berbagai toolbox yang dapat memudahkan pemakai untuk melakukan perhitungan-perhitungan tertentu. Toolbox tersebut dilengkapi dengan berbagai macam fungsi pendukung yang sering digunakan untuk menganalisa suatu sistem kontrol. Penalaran parameter proses kerja motor induksi dilakukan dengan cara mencoba-coba sehingga menghasilkan nilai parameter yang optimal, sedangkan penalaran parameter unit pengendali fuzzy terutama gain error dan gain perubahan error dilakukan secara kuantitatif. Penalaran secara kuantitatif dilakukan dengan cara mempelajari perkiraan respon yang dihasilkan oleh sistem motor induksi yang meliputi settling time, rise time dan steady state error. Respon dinamik ditentukan oleh beberapa parameter yaitu waktu naik (rise time), waktu tetap (settling time), max overshoot dan error keadaan lunak (steady state). Keadaan ideal yang diinginkan dalam sistem pengaturan terjadi apabila rise time dan settling time semakin cepat serta overshoot dan error steady state yang kecil. Berikut merupakan pemodelan sistem motor induksi tanpa menggunakan fuzzy:
Gambar 1. Model Pengendali sebelum menggunakan fuzzy Gambar 1 merupakan pemodelan pengendali sebelum menggunakan fuzzy dan masih konvensional menggunakan control PI, pada penelitian ini akan membandingkan bagaimana perbandingan antara motor induksi tiga fasa menggunakan kontrol PI dengan motor
Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic
induksi tiga fasa menggunakan fuzzy, sehingga didapatkan hasil pengukuran penilaian berupa keluaran torsi acuan, rise time, settling time, dan stedystate error. Pemodelan pengendali menggunakan fuzzy pada penelitian ini adalah sebagai berikut:
sistem terhadap pemberian beban dan pelepasan beban dengan berbagai variasi kondisi yang meliputi: 1. Variasi bentuk membership function 2. Variasi jumlah label membership function Simulasi dilakukan dengan menggunakan Simulink dan dilakukan sesuai dengan kondisi-kondisi sebagai berikut: 1. Simulasi dan Analisa Uji Respon Input variasi beban Torsi. 2. Simulasi dan Analisa Uji Respon Input variasi Torsi Step. 3. Analisa perbandingan antara motor induksi menggunakan pengendali PI dengan Pengendali Logika Fuzzy. Berdasarkan simulasi yang telah dilakukan sesuai dengan rancangan penelitian yang telah ditetapkan maka didapatkan grafik-grafik respon sistem terhadap waktu sebagai berikut:
Gambar 2. Model Pengendali dengan Logika Fuzzy Pemodelan simulasi pada penelitian ini dirancang dengan menggabungkan model pengendali dengan PI dan model pengendali dengan logika fuzzy. Penggabungan tersebut bertujuan untuk mempermudah peneliti dalam membandingkan kerja antara motor induksi yang menggunakan PI dengan motor induksi yang menggunakan logika fuzzy melalui analisa sinyal respon yang ada pada scope. Berikut adalah sirkuit gabungan pengendali motor induksi:
1. Simulasi dan Analisa Uji Respon Input dengan Torsi Beban 0 N.m
Gambar 4. Grafik Respon Kecepatan Motor Induksi untuk Beban 0 N.m Pada gambar 4. grafik berwarna biru memperlihatkan motor induksi yang menggunakan kendali PI. Motor mulai berputar dengan torsi beban nol dan kecepatan masukan 120 rad/s. Terjadi overshoot sekitar 0,4 %, waktu naik Tr 0,54 detik, waktu tetap Ts 0,016 detik dan steadystate error 0,0. Pada arus dan torsi terjadi kondisi maksimum pada saat start dan menurun setelah 0,7 detik. Sedangkan grafik berwarna hijau memperlihatkan pengendali motor menggunakan FLC. Motor mulai berputar dengan torsi beban nol dan kecepatan masukan 120 rad/s. Terjadi tanpa overshoot 0.0%, waktu naik Tr 0,17 detik, waktu tetap Ts 0,008 detik dan steadystate error 0,0. terjadi kondisi maksimum pada saat start dan menurun setelah 0,5 detik.
Gambar 3. Sirkuit Gabungan Pengendali Motor Induksi Pengujian sistem pada penelitian ini dilakukan dengan melihat respon sistem terhadap fungsi waktu selama selang waktu tertentu. Peneliti mengamati respon
11
Character, Volume 06 Nomor 1 Tahun 2017, 9 - 13
2. Simulasi dan Analisa Uji Respon Input dengan Torsi Beban 50 N.m
Gambar 5 Grafik respon kecepatan motor induksi untuk beban 50 N.m Pada gambar 5 grafik berwarna biru memperlihatkan motor induksi tanpa pengendali. Motor mulai berputar dengan torsi beban 50 dan kecepatan masukan 120 rad/s. Terjadi overshoot sekitar 0,4 %, waktu naik Tr 0,6588 detik, waktu tetap Ts 0,019 detik dan terjadi steadystate error 0,83%. Pada arus dan torsi terjadi kondisi maksimum pada saat start dan menurun setelah 0,9 detik. Pada gambar 5 grafik yang berwarna hijau memperlihatkan pengendali motor menggunakan FLC. Motor mulai berputar dengan torsi beban 50 dan kecepatan masukan 120 rad/s. Terjadi overshoot sekitar 0,0 %, waktu naik Tr 0,17 detik, waktu tetap Ts 0,009 detik dan terjadi steadystate error 0,0 %. Pada arus dan torsi terjadi kondisi maksimum pada saat start dan menurun setelah 0,6 detik.
Pada Gambar 5. grafik berwarna biru memperlihatkan pengendali motor tanpa menggunakan kontrol. Terjadi perubahan kecepatan, torsi, arus dan tegangan terjadi pada step time 1,8 detik dengan perubahan beban 0 menjadi 100. Penurunan kecepatan rotor terjadi pada saat t = 1,8 detik hal ini disebabkan oleh perubahan beban secara mendadak setelah itu kembali pada kecepatan referensi. Terjadi undershoot sekitar 0,2%, waktu naik Tr 0,54 detik, waktu tetap Ts 0,012 detik dan steadystate error 3.3%. Sedangkan grafik berwarna hijau memperlihatkan pengendali motor menggunakan FLC. Terjadi perubahan kecepatan, torsi, arus dan tegangan terjadi pada step time 1,8 detik dengan perubahan beban 0 menjadi 100. Penurunan kecepatan rotor terjadi pada saat t =1,8 detik hal ini disebabkan oleh perubahan beban secara mendadak setelah itu kembali pada kecepatan referensi. Terjadi tanpa undershoot sekitar 0,0%, waktu naik Tr 0,19 detik, waktu tetap Ts 0,009 detik dan steadystate error 0,83%. Pembahasan Berdasarkan hasil percobaan dan perhitungan yang telah dilakukan maka didapat data-data keluaran sebagai berikut: Tabel 2. Hasil Percobaaan Pengendali PI Menggunakan Perhitungan. Beban
3. Simulasi dan Analisa Uji Respon Input dengan Torsi Step Input step memiliki parameter sebagai berikut: a. Step time 1.8 b. Initial value 0 c. Final value 100 d. Sample time 0
Gambar 5. Grafik Respon Kecepatan Motor Induksi untuk Beban Torsi Step
0 25 50 75 100 Step
Torsi
Os/Us
Ess
Tr
Ts
(N.m)
%
%
(dt)
(dt)
Speed in rad/s
64,53 66,03 66,96 70,53 85,22 123,3
0,4 0,4 0,4 0,3 0,3 0,3
0,0 0,0 0,8 2,5 3,3 3.3
0,5 0,5 0,6 0,6 0,6 0,6
0,016 0,016 0,019 0,019 0,023 0,012
120 120 120 120 120 120
Speed out Rad/s 120 120 119 117 116 116
Tabel 2. merupakan data yang didapat pada saat 3 detik yang dimabil dari display kecepatan dan torsi. Nilai torsi yang ditampilkan fluktuatif (tidak tetap) dan kecepatan referensi selalu tetap yaitu 120 rad/s. Tabel tersebut menjelaskan bahwa dengan perubahan beban dari 0, 25, 50, 75, dan 100 menyebabkan torsi meningkat, waktu naik (rise time) Tr meningkat, waktu tetap (settling time) Ts meningkat dan steadystate error sebesar 3.3%. Untuk masukan beban step menyebabkan terjadinya undershoot dan torsi menjadi naik karena perubahan beban secara mendadak dari nol menjadi 100 N.m
Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontrol Fuzzy Logic
Tabel 3. Hasil Percobaan Pengendali FLC Menggunakan Perhitungan. Beban
0 25 50 75 100 Step
Torsi
Os/Us
Ess
Tr
Ts (dt)
Speed in rad/s
Speed out Rad/s
(N.m)
%
%
(dt)
20,6 29,08 83,18 100,9 121,6 121,6
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,83
0,17 0,17 0,17 0,18 0,18 0,19
0,008 0,009 0,009 0,009 0,009 0,009
120 120 120 120 120 120
120 120 120 120 120 119
respon yang lebih cepat sehingga mempercepat proses stedystate, dan error steadystate lebih kecil dibandingkan pengendali PI. Saran Saran yang dapat diberikan berdasarkan kesimpulan adalah terdapat sebuah kelemahan dari kontroler logika fuzzy yang dikembangkan pada penelitian ini, dalam menentukan aturan dasar fuzzy (rule base) dan parameter sistem masih menggunakan metode coba-coba (heuristic), sehingga bila terjadi perubahan kondisi sistem maka rule base harus disesuaikan kembali. Untuk mengatasi kelemahan ini perlu adanya pengembangan metode control lain yang bersifat adaptif terhadap penentuan aturan dasarnya.
Data pada Tabel 3. merupakan data yang didapat pada saat 3 detik yang dimabil dari display kecepatan dan torsi. Nilai torsi yang ditampilkan fluktuatif dan kecepatan referensi selalu tetap yaitu 120 rad/s. Tabel Pengendali FLC menjelaskan bahwa dengan perubahan beban dari 0, 25, 50, 75, dan 100 menyebabkan torsi meningkat, waktu naik (rise time) Tr meningkat, waktu tetap (settling time) Ts meningkat dan steadystate error 0,0%, dan tidak ada overshoot. Untuk masukan beban step menyebabkan torsi menjadi naik karena perubahan bebena secara mendadak dari 0 menjadi 100 N.m dan tidak ada undershoot. Perbandingan antara pengendali PI dan fuzzy saat memulai berputar menunjukkan fuzzy mempunyai kemampuan yang lebih baik dari pada pengendali pi dan memiliki waktu respon yang lebih cepat. Perbandingan antara pengendali PI dan fuzzy saat perubahan beban step menunjukkan kecepatan motor mengikuti referensinya dengan tidak ada steadystate error dan respon yang cepat menggunakan pengendali logika fuzzy juga memberikan respon yang lebih baik untuk overshoot, undershoot dan steadystate error.
DAFTAR PUSTAKA Anwar. 2008. Pengaturan kecepatan motor induksi Tiga Fasa Menggunakan Logika. Skripsi. Jakarta: Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Dewi, Sri Kusuma. 2002. Analisis dan Desain Sistem Fuzzy. Yogyakarta: Graha Ilmu. Suhendra, Doni. 2014. Perancangan Alat Pengontrolan Frekuensi Dalam Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa Menggunakan Kontrol Pid. Skripsi. Bengkulu: Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Bengkulu. Thomas, F. Lowery. 1994. Application Consideration for PWM Inverter-Fed Low-Voltage Induction Motor. IEE Transaction on Industry Application.
PENUTUP Simpulan Berdasarkan simulasi pengendalian kecepatan pada motor induksi dengan menggunakan logika fuzzy yang telah dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan yaitu bahwa motor induksi yang digunakan adalah motor induksi tiga fasa 4 kutub dengan spesifikasi 50 HP, 460V, 60 Hz dan 1760 rpm. Simulasi pengendali fuzzy dengan beban bervariasi dan masukan kecepatan 120 rad/sec yang selalu tetap yang menghasilkan keluaran dengan waktu simulasi selama 3 detik dan kondisi perubahan step terjadi pada t=1.8. Keluaran yang dihasilkan adalah tanpa overshoot, rise time 0,19 detik, settling time 0,009, dan stedystate error 0,003 %. Perbandingan antara motor induksi tiga fasa tanpa menggunakan kontrol fuzzy saat motor mulai berputar, simulasi pengendali fuzzy mempunyai kemampuan yang lebih baik dari pada pengendali PI dan memiliki waktu
13
