PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DIRECT TORQUE CONTROL PADA MOTOR INDUKSI

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DIRECT TORQUE CONTROL PADA MOTOR INDUKSI Zanu Rachmad Wahyudi – 2209105068 Jurusan Teknik Elektro – FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS, Surabaya – 60111 e-mail: [email protected]

Abstrak – Makalah ini membahas tentang implementasi metode DTC. Salah satu metode penyulutan inverter untuk pengaturan kecepatan motor induksi yang dikembangkan selain kontrol vektor yaitu metode Direct Torque Control (DTC). Teknik kontrol DTC memungkikan pengaturan fluks dan torsi secara langsung dan terpisah serta dapat dilakukan tanpa menggunakan sensor kecepatan. Rangkaian inverter 3 fasa pada DTC dikendalikan secara langsung dengan Pulse Width Modulation yang telah dimodifikasi. Pulse Width Modulation yang telah dimodifikasi akan diatur frekuensi dan duty cycle nya. Frekuensi diatur dari 10Hz sampai 60Hz sedangkan duty cycle diatur dari 0% sampai 100%. Dalam pengukuran inverter 3 fasa dengan beban motor didapatkan hubungan duty cycle, arus, dan torsi adalah berbanding lurus. Semakin besar duty cycle maka arus dan torsi akan semakin besar. Hubungan arus, frekuensi, dan torsi. Ketika frekuensi diturunkan maka arus akan naik begitu juga torsi pun akan terus naik sebanding dengan arus. Kata Kunci: Inverter 3 fasa, Direct Torque Control, Motor induksi 3 fasa

1. PENDAHULUAN Banyaknya industri yang memakai motor induksi dikarenakan harganya murah dan tangguh menjadikan motor induksi sangat populer. Namun dikarenakan karakteristik motor induksi yang sulit diatur sehingga memerlukan pengaturan kecepatan. Motor induksi umumnya dioperasikan untuk kecepatan tetap. Berdasarkan survei 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 induksi. Hal ini membuktikan bahwa pengaturan terhadap motor induksi sangat sulit. Salah satu parameter motor induksi adalah torsi motor. Untuk mengatasi hal tersebut telah dikembangkan suatu metode kontrol yaitu Direct Toque Control. DTC merupakan metode pengaturan penyulutan pada inverter. Inverter tiga fasa adalah konverter DC ke AC tiga fasa dengan frekuensi keluaran dapat diatur sehingga motor induksi dapat dikendalikan dengan fleksibel. Kecepatan pada motor induksi tiga fasa ini akan dikendalikan torsi dan fluks

nya secara langsung oleh mikrokontroler AVR. Mikrokontroler akan mengendalikan torsi dengan cara membangkitkan pulsa PWM dengan frekuensi tertentu dan penerima umpan balik dari motor induksi untuk disesuaikan dengan torsi yang diinginkan melalui sebuah penyulutan dengan frekuensi tertentu. Direct Torque Control adalah suatu metode kontrol yang dapat mengendalikan torsi dan fluks secara langsung. Selain itu DTC juga mempunyai struktur yang simpel dan respon yang dihasilkan juga optimal. Rangkaian inverter pada DTC dikendalikan secara langsung dengan Pulse Width Modulation. Keunggulan dari DTC adalah tidak adanya transformasi koordinat pada motor, dan tidak mempunyai blok diagram modulasi tegangan. Metode DTC bertujuan untuk mengendalikan secara langsung torsi dan fluks yang akan dibangkitkan oleh motor. DTC pertama dikenalkan oleh ilmuwan berkebangsaan Jepang (Takahashi, 1984) dan ilmuwan Jerman (Depenbrock, 1985). Blok diagram dari teknik kontrol DTC ditunjukkan oleh Gambar 1.1. [1]

Gambar 1.1 Blok diagram DTC pada motor induksi

Skema dari DTC lebih sederhana dibandingkan dengan kontrol vektor karena konfigurasi dasarnya hanya terdiri dari kontroller histeresis fluks dan torsi, fluks dan torsi estimator, switching table, dan inverter. Selisih antara fluks dan torsi acuan dengan fluks dan torsi hasil estimasi merupakan kesalahan fluks dan torsi yang menjadi masukan pada fluks dan torsi komparator. Pada tugas akhir ini akan dibuat implementasi langsung dari DTC. Akan dibuat suatu hardware DTC untuk dapat mengatur kecepatan motor induksi dengan cara

Proceeding Seminar Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS

1

mengubah frekuensi dan arus pada inverter. Pada hardware ini fluks dianggap konstan sehingga sebanding dengan torsi. Torsi motor yang dibangkitkan sebanding dengan arus pada inverter.

dengan sektor dari fluks stator. Adapun nilai sektor fluks stator didapat dari persamaan (2-1) dan lihat gambar 2.1 [1].

α = ∠ψ s = tan −1

ψ qs

ψ ds

(2-1)

2. TEORI PENUNJANG 2.1 Direct Torque Control (DTC) Direct Torque Control (DTC) merupakan suatu metode penyulutan inverter yang lebih mengarah pada pengaturan dengan torsi yang berubah – ubah sesuai kebutuhan beban pada motor khususnya motor induksi. Ada beberapa keunggulan bila menggunakan DTC dalam mengontrol torsi, yaitu performansi yang baik dan bisa dilakukan pengaturan motor tanpa menggunakan sensor kecepatan. Dasar pemikiran dan prinsip kerja metode Direct Torque Control (DTC) pertama kali dikembangkan oleh Takahasi dan Noguchi pada tahun 1986, dapat diformulasikan seperti berikut ini [1] : 1. Nilai dari fluks stator merupakan perubahan atau penambahan nilai tegangan emf stator. Oleh karena itu nilai magnitude dari fluks stator sangat bergantung dari tegangan statornya. 2. Nilai torsi elektromagnetik berbanding lurus dengan nilai sinus dari sudut antara vektor fluks stator dan fluks rotor. 3. Perubahan nilai fluks rotor sangatlah kecil jika dibandingkan fluks stator. Berdasarkan konsep dasar DTC diatas, nilai magnitude dari fluks stator dan torsi dapat dikontrol secara langsung dengan melakukan pemilihan vektor tegangan secara tepat, yaitu pemilihan state inverter secara berurutan dengan spesifikasi berikut : 1. Vektor tegangan bukan nol yang sudut fluks statornya tidak melebihi ±900 menyebabkan fluks naik. 2. Vektor tegangan bukan nol yang sudut fluks statornya melebihi ±900 menyebabkan fluks turun. 3. Vektor tegangan nol (V0 dan V7, Vektor tegangan saat short - circuit) tidak berpengaruh pada vektor fluks stator yang berarti motor berhenti bergeak. 4. Torsi dapat dikontrol dengan pemilihan state inverter yang tepat dimana fluks stator meningkat atau menurun. 2.1.1 Switching Table Sinyal masukan pada switching table didapat berdasarkan nilai dari fluks dan torsi histeresis, serta nilai dari sektor fluks stator yang dinyatakan dengan α. Algoritma DTC memilih vektor tegangan inverter untuk diterapkan pada motor induksi sebagai sumber tegangan. Adapun aturan pemilihan tegangan pada switching table seperti ditunjukkan pada table 2.1. Keluaran dari switching table mengatur perangkat switching yang aktif pada inverter. Gambar 2.2 menunjukkan hubungan antara vektor tegangan inverter


Gambar 2.1 Vektor tegangan inverter dan sektor fluks stator pada DTC konvensional dan DTC modifikasi Vektor tegangan aktif atau bernilai bukan nol terdiri dari 1 (100); 2 (110); 3 (010); 4 (011); 5 (001); 6 (101). Sedangkan vektor tegangan bernilai nol adadalah 0 (000); 7 (111). Tabel 2.1 Switching Table dari vektor tegangan inverter dψ

-1

1

dTe

α(1) sektor 1

α(2) sektor 2

α(3) sektor 3

α(4) sektor 4

α(1) sektor 5

α(1) sektor 6

-1

5

6

1

2

3

4

0

0

7

0

7

0

7

1

3

4

5

6

1

2

-1

6

1

2

3

4

5

0

7

0

7

0

7

0

1

2

3

4

5

6

1

2.2 Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi 3 fasa banyak digunakan dalam industri dan dalam penerapan komersial yang membutuhkan kesetimbangan beban dalam suatu sistem. Keuntungan motor induksi ini adalah kecepatannya yang konstan pada saat tidak berbeban, turun sedikit (beberapa persen) dari beban nol pada saat dioperasikan dalam keadaan beban nominal dan dapat melakukan start secara mandiri atau self-starting tanpa menggunakan kapasitor, belitan start, saklar sentrifugal atau peralatan untuk starting lainnya. Oleh karenanya, motor induksi ini banyak digunakan pada gerinda, mesin bubut, mesin bor, pompa, kompresor, ban berjalan (conveyor), peralatan percetakan, peralatan perkebunan, pendingin elektronik, dan alat mekanik lainnya. Tetapi motor induksi 3 fasa ini juga memiliki beberapa kerugian, seperti membutuhkan pengemudian elektronik untuk mengatur kecepatan, faktor daya tertinggal atau lagging yang rendah

2

untuk operasi beban kecil, dan arus mula atau strating current yang besar (5-7 kali arus beban penuh).

Biasanya diperoleh dua perubahan kecepatan sinkron dengan mengubah jumlah kutub dari 2 menjadi 4.

2.2.1 Prinsip Kerja Apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, timbulah medan putar dengan kecepatan

2.

ns =

120 f p

dimana : ns = kecepatan medan dari stator dalam rpm f = frekuensi listrik sistem dalam Hz p = jumlah kutub Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor Akibatnya pada kumparan rotor timbul dengan induksi (ggl) sebesar E2s = 4,44 f2 N2 (untuk fasa satu). E2s adalah tegangan induksi pada saat rotor berputar. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, ggl (E) akan menghasilkan arus (I). Adanya arus (I) didalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr). Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (S) dinyatakan n − nr S= s × 100% ns Bila nr = ns, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan jangkar rotor, dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Kopel motor akan ditimbulkan apabila nr lebih kecil dari ns. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut jugasebagai motor tak serempak atau asinkron. 2.2.2 Pengaturan Putaran Motor Induksi Motor induksi pada umumnya berputar dengan kecepatan konstan yang mendekati kecepatan sinkronnya. Pengaturan kecepatan motor induksi memerlukan biaya yang agak tinggi. Biasanya pengaturan ini dapat dilakukan dengan beberapa cara : 1.

Mengubah Frekuensi Jala-jala Pengaturan putaran motor induksi dapat dilakukan dengan mengubah harga frekuensi jala. Hanya untuk menjaga keseimbangan kerapatan fluks, pengubahan tegangan harus dilakukan bersamaan dengan pengubahan frekuensi. Cara pengaturan frekuensi dengan menggunakan solid state freuency converter. 3.

Mengatur Tegangan Jala-jala Dari persamaan kopel motor diatas dapat diketahui bahwa kopel sebanding dengan pangkat dua tegangan yang diberikan. Untuk karakteristik beban terlihat pada gambar dibawah. Kecepatan akan berubah dari n1 ke n2 untuk tegangan masuk setengah tegangan semula. T=

3

ω

2

V1

2

S a R2 ( a R2 ) + S 2 ( a 2 X 2 ) 2 2

2

4.

Pengaturan Tahanan Luar Tahanan luar motor induksi rotor belitan dapat diatur, dengan demikian akan dihasilkan karakteristik kopel kecepatan yang berbeda-beda seperti gambar dibawah. Putaran akan berubah dari n1 ke n2 ke n3 dengan bertambahnya tahanan luar yang dihubungkan ke rotor. 2.3 Inverter Inverter adalah suatu rangkaian elektronika yang berfungsi untuk merubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) dengan besar magnitude dan frekuensi tertentu. Inverter banyak sekali digunakan untuk berbagai macam keperluan industri, seperti : Drive kecepatan, Induction heating, Power supply pesawat udara, UPS pada computer. 2.3.1 Inverter 3 Fasa Inverter 3 fasa adalah inverter yang keluarannya berupa tegangan atau arus bolak-balik 3 fasa. Inverter 3 fasa dapat dibuat dengan menggunakan komponen transistor, thyristor, mosfet, IGBT dan lain-lain. Pada Tugas Akhir ini digunakan MOSFET dalam pembuatan inverter 3 fasa. Sebuah inverter 3 fasa komponennya bila terdiri dari 6 buah gerbang MOSFET lihat gambar 2.2.

Mengubah Jumlah Kutub Motor Karena n = 120 f1 s p

atau f 1 =

pns , perubahan 120

jumlah kutub (p) atau frekuensi (f) akan mempengaruhi putaran. Jumlah kutub dapat diubah dengan merencanakan kumparan stator sedemikian rupa sehingga dapat menerima tegangan masuk pada posisi kumparan yang berbeda-beda.


Gambar 2.2 Inverter 3 fasa

3

Inverter 3 fasa dibagi berdasarkan tipenya, yaitu : 1. Inverter tipe six step square wave 180° 2. Inverter tipe six step square wave 120°

Pada penyalaan gerbang MOSFET terdapat 3 mode yaitu :

Inverter tipe six step square wave 180° Tiap transistor akan menghantarkan 180°, 3 buah transistor dalam keadaan ‘ON’ setipa ½ siklus. Ketika transistor Q1 ‘ON’ maka terminal A akan terhubung dengan terminal positif tegangan input. Ketika transistor Q4 ‘ON’ maka terminal a akan terhubung dengan terminal negatif dari sumber tegangan bolak-balik. Jadi, ada 6 buah mode operasi untuk penyalaannya dalam 1 siklus dan dengan durasi tiap pengoperasiannya 60°. Bentuk gelombang output penyalaan transistor dengan six step square wave 180° terlihat pada Gambar 2.3 dibawah ini. Sedangkan beban biasanya terhubung delta / star sebagaimana tampak pada Gambar 2.4. Setiap siklus diperoleh tiga buah mode operasi dan pada Gambar 2.5 tampak rangkaian ekuivalen beban yang terhubung bintang (star). π

ωt

2π

ωt ωt ωt ωt ωt ωt ωt π

2π

ωt

Gambar 2.3 Bentuk gelombang penyalaan 180°

Gambar 2.4 Beban terhubung delta-star

Untuk mode 1: 0 ≤ ωt ≤ π/3 Zeq = Z + Z/2 = 3Z/2 I1 = Vs / Req = 2 Vs / 3Z Van = Vcn = I1 Z/2 = Vs/3 Vbn = -I1 Z = -2 Vs / 3 Untuk mode 2 : π/3 ≤ ωt ≤ 2π/3 Zeq = Z + Z/2 = 3Z/2 I2 = Vs / Req = 2 Vs / 3Z Vbn = Vcn = -I2 Z/2 = -Vs / 3 Van = I2 Z = 2 Vs / 3 Untuk mode 3 : 2π/3 ≤ ωt ≤ π Req = Z + Z/2 = 3Z/2 I3 = Vs / Req = 2 Vs / 3Z Van = Vbn = I3 Z/2 = Vs /3 Vcn = -I3 R = -2 Vs / 3 Untuk beban yang terhubung bintang, arus line Ia untuk beban RL besarnya adalah : ∞ 4Vs nπ Io = cos sin (nωt − θn ) ∑ 2 2 n=1,3,5,.. 6 3nπ R + (nωL ) Dimana : Io Vs R L n θn

= Arus output (Ampere) = Tegangan sumber (Volt) = Hambatan (ohm) = Beban induktif (Henry) = angka yang dituju = arc tan (nωL/R)

3. PERANCANGAN SISTEM Motor Motor induksi yang digunakan dalam perancangan ini adalah motor induksi tiga fasa mini hubungan bintang, Y . Dimana dari motor induksi ini dapat kita ketahui besar tegangan atau arus tiap fasanya. Berikut ini adalah parameter motor induksi tiga fasa yang digunakan dalam implementasi DTC ini : 1. Jenis motor ( m ) : 3 phasa 2. Putaran medan putar ( ωm (t)) : 1500 Rpm : 50 Hz 3. Frekwensi ( f ) 4. Jumlah alur ( G ) : 24 lobang ( alur ) 5. Diameter dalam stator (D1) : 48 mm = 4,8 cm 6. Diameter luar stator (D2) : 90 mm = 9 cm 7. Panjang stator (L) : 51 mm = 5,1 cm 8. Tebal gandar stator (Dy) : 21 mm = 2,1 cm 9. Lebar gigi terkecil (Wts1) : 4 mm = 0,4 cm : spiral / rata 10. Jenis gulungan 11. Arus (I) : 0,485 Ampere tiap

Phasa 12. Daya (P) Gambar 2.5 Rangkaian ekuivalen untuk beban Z terhubung bintang


: 177,20736 Watt (0,2407 PK)

4

3.1 Perancangan Hardware DTC Dalam perancangan hardware ini akan dibuat suatu inverter tiga fasa berserta rangkaian pendukung lainnya yang mampu mencatu tegangan tiga fasa untuk menggerakkan motor induksi mini. Gambar 3.1 menunjukkan rangkaian secara keseluruhan Inverter 3 Fasa. Gambar 3.3 Rangkaian driver inverter 3 fasa (IR2130)

Gambar 3.1 Rangkaian perencanaan inverter 3 fasa 3.1.1 Inverter 3 Fasa Inverter 3 Fasa adalah suatu rangkaian elektronika yang berfungsi untuk merubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC) 3 fasa dengan besar magnitude dan frekuensi tertentu. Terdapat beberapa aturan untuk penyulutan MOSFET salah satunya adalah antara MOSFET yang atas dengan MOSFET yang bawah tidak boleh samasama ON, ketika MOSFET atas menyala maka MOSFET bawah harus mati. Lihat Gambar 3.2 ketika gerbang MOSFET “a” ON maka gerbang MOSFET “d” harus OFF. Kemudian aturan yang lain adalah lama pensaklaran tidak boleh melebihi batas maksimal pensaklaran MOSFET. Jika MOSFET dinyalakan terlalu lama maka MOSFET tersebut akan rusak dan dapat mengakibatkan komponen yang lain ikut rusak juga.

3.1.3 Mikrokontroler ATmega32 Pada tugas akhir ini yang berjudul Perancangan Dan Implementasi DTC Pada Motor Induksi yang digunakan sebagai kontroler utama adalah komponen mikrokontroler Atmega32. Mikrokontroler Atmega32 digunakan untuk membuat sinyal penyulutan sesuai diagram vektor tegangan pada DTC dan membangkitkan PWM mikro dengan frekuensi tinggi. Berikut adalah skematik mikrokontroler Atmega32 lihat gambar 3.4.

Gambar 3.4 Skematik mikrokontroler Atmega32 Mikrokontroler juga digunakan untuk membaca masukan tegangan yaitu pada ADC mikro. Data tegangan pada ADC akan digunakan untuk mengatur frekuensi dan duty cycle. Untuk mengatur frekuensi digunakan ADC (0) sedangkan untuk mengatur duty cycle pada ADC (1). Untuk lebih jelasnya lihat tabel 3.1 yang menunjukkan perancangan penggunaan port pada mikro. Gambar 3.2 Konfigurasi rangkaian inverter 3.1.2 Driver Inverter 3 Fasa (IR2130) Adanya arus bocor dari MOSFET akan merusak rangkaian mikro sehingga diperlukan suatu driver yang dapat mengatasi terjadinya arus bocor yang berasal dari penyulutan MOSFET yang bekerja pada tegangan besar. Pada perancangan alat ditugas akhir ini digunakan IR2130 sebagai driver inverter 3 fasa. Diver ini mampu bekerja pada penyulutan nano seconds (ns) dan menjamin rangkaian penyulutan yang memberi masukan pada driver ini terhindar dari arus bocor yang ditimbulkan oleh rangkaian inverter. Berikut adalah typical connection driver IR21310 lihat gambar 3.3.


Tabel 3.1 Perencanaan penggunaan port Nama Port I/O Keterangan ADC (frekuensi) Port A Input Bit 0 ADC (duty cycle) Port A Input Bit 1 Timer Port C Output Bit 2 Enable Port C Output Bit 3 Penyulutan R Port C Output Bit 4 Penyulutan S Port C Output Bit 5 Penyulutan T Port C Output Bit 6 PWM (4000Hz) Port D Output Bit 5 LCD 16 karakter Port B Output -

5

3.2 Pengaturan Kecepatan Tanpa Sensor Kecepatan Untuk mendapatkan kecepatan motor induksi biasanya memerlukan sensor kecepatan. Pada perancangan sistem ini akan dibuat suatu sistem yang dapat mengatur kecepatan motor induksi. Misalnya kecepatan motor induksi yang diinginkan seperti pada gambar 3.5. Gambar 3.7 Eksperimen untuk mencari nilai

KTm

Untuk dapat mengatur kecepatan pada motor induksi diperlukan pengaturan frekuensi pada penyulutan inverter 3 fasa. Frekuensi sumber yang dibutuhkan untuk menghasilkan kecepatan motor adalah :

ω mp = Gambar 3.5 Respon kecepatan yang diinginkan Sehingga kecepatan motor induksi yang diinginkan dapat ditulis sebagai berikut :

ω m (t ) = ω ss (1 − e

1 − t

τ

1 ωm (t ) 60

Sehingga didapatkan hubungan kecepatan motor dengan torsi yang diperlukan lihat gambar 3.6. ωm (t ) = ωss (1 − e

1 − t

τ

ωm )

1 60

ωm *

d dt

α

τm JT

Gambar 3.6 Hubungan kecepatan motor dengan torsi yang diperlukan Pada perancangan yang akan dibuat torsi yang akan dibangkitkan adalah sebagai fungsi arus medan. Dalam bentuk linier dapat dinyatakan sebagai berikut :

τ m = KTm * I a

Sehingga didapatkan I a = Dimana

= Kecepatan medan putar = Frekuensi sumber = Jumlah kutub pada motor

ωm = (1 − s) * ωmp =

Percepatan adalah perubahan akselerasi kecepatan terhadap waktu. Percepatan terjadi akibat gaya putar dari motor ataupun dari beban. ௗఠ ߙൌ sedangkan τ = α*Jm ௗ௧ Dimana, τ = torsi Jm = momen inersia motor

ωss

Dimana, ωmp fs n

Pada spesifikasi motor kecepatan medan putar adalah 1500rpm namun pada motor pasti terjadi slip sehingga kecepatan motor berkurang menurut besarnya slip. Slip yang diijinkan adalah antara 5% sampai 8%. Jika slip yang diinginkan adalah 5%, maka

) ,dalam rpm

Untuk mendapatkan kecepatan dalam rps adalah

ωm * (t ) =

60 f s n

1 *τ m K Tm

KTm diukur melalui eksperimen pada motor

induksi, lihat gambar 3.7.


nω m 60(1 − s ) nω m fs = 60(1 − 0.05)

(1 − s)60 f s n

fs =

Untuk mendapatkan arus yang diinginkan diperlukan pengaturan duty cycle. Karena arus yang diukur dengan sensor arus yaitu trafo arus (Ia0) pada tugas akhir ini, sedangkan arus yang dibutuhkan adalah pada inverter (Iar). Dapat dibuat kontroler PI yang menghubungkan arus dengan persentase duty cycle. Hubungan antara arus, kontroler PI dan persentase duty cycle yang harus diberikan dapat dilihat pada gambar 3.8.

Iar

% DutyCycle

Ia0 Gambar 3.8 Hubungan antara arus, kontroler PI dan persentase duty cycle k % DutyCycle ( k ) = Kp .e ( k ) + Ki.Σ i= 1 e (i )

% DutyCycle (k − 1) = Kp.e( k − 1) + Ki.Σ ik=−11e(i ) % DutyCycle ( k ) − % DutyCycle ( k − 1) =

Kp.e( k ) − Kp.e( k − 1) + Ki.e( k )

6

Jadi didapatkan,

% DutyCycle ( k ) = % DutyCycle ( k − 1) + ( Kp + Ki )e( k ) − Kp.e(k − 1) Dengan demikian pengaturan kecepatan tanpa sensor kecepatan (dengan DTC) adalah sebagai berikut, lihat gambar 3.9. n 60 (1 − s )

ωss

1 − t τ

ωm (t ) = ω ss (1 − e )

ωm

1 60

ωm *

d dt

α

τm JT

1 KTm

fs

Iar

3.3.2 Perancangan PWM Dengan Frekuensi Tinggi PWM berfrekuensi tinggi akan digunakan untuk membuat PWM modifikasi. PWM modifikasi merupakan perkalian antara sinyal berfrekuensi 10Hz-60Hz (sinyal penyulutan) dengan PWM berfrekuensi tinggi (4000Hz). PWM modifikasi digunakan untuk mengatur tegangan pada inverter. Pada mikrokontroler terdapat fungsi khusus untuk membangkitkan sinyal PWM dan dapat diatur duty cyclenya. Duty cycle adalah perbandingan antara waktu gelombang high dibandingkan dengan gelombang high ditambah gelombang waktu low. D=

% DutyCycle

Ia 0

Gambar 3.9 Blok diagram pengaturan kecepatan tanpa sensor kecepatan (DTC) 3.3 Perancangan Software DTC Dalam perancangan software ini akan dibuat suatu program DTC dengan mengunakan bahasa C yang mana akan dimasukkan ke mikrokontroler. Program DTC yang akan dibuat meliputi penentuan sudut fluks, penyulutan berdasarkan switching table DTC dan PWM dengan frekuensi tinggi. 3.3.1 Perancangan Sudut Fluks DTC Dalam penentuan sudut fluks pada DTC dibagi menjadi dua yaitu DTC konvensional dan DTC modifikasi. Perbedaan antara DTC konvensional dengan DTC modifikasi terletak pada sudut awal dan sudut maksimum. Pada DTC konvensional sudut awal dimulai dari -300 dengan sudut maksimum 2700 . Sedangkan pada DTC modifikasi sudut awal dimulai dari 00 dengan sudut maksimum 1800 lihat gambar 3.14. Namun range pada masing-masing sektor memiliki sudut sebesar 600 . Sehingga didapatkan suatu algoritma program yang dapat membuat suatu penyulutan dengan perbedaan sudut sebesar 600 tiap 1 siklus gelombang. Dikarenakan penyulutan pada mikro hanya berupa high (1) dan low (0) sehingga didapatkan bahwa satu gelombang dengan sudut 360o adalah satu kali high dan satu kali low. Untuk mendapatkan sudut 60o dapat disimpulkan bahwa awal mulai penyulutan kedua 1/6 lebih lambat dari penyulutan pertama. Begitu pun pada penyulutan ketiga 1/6 lebih lambat dari penyulutan kedua lihat gambar 3.10.

TON x100% TON + TOFF

Keterangan : D : Duty Cycle TON : Sinyal keluaran dalam posisi high (1) TOFF : Sinyal keluaran dalam posisi low (0) 4. HASIL IMPLEMENTASI DAN ANALISIS Pengujiaan ini dilakukan untuk mengetahui apakah kinerja sistem benar-benar sesuai dengan apa yang diharapkan. Peralatan yang dipakai untuk pengukuran dan pengujiaan : 1. Multimeter digital 2. Power supply 3. Kabel penghubung 4. Osciloscope 4.1 Pengujian Mikrokontroler Mikrokontroler digunakan sebagai pembangkit sinyal penyulutan pada inverter 3 fasa. Pengujian pada mikro meliputi ADC, sinyal penyulutan frekuensi 10Hz-60Hz dengan beda sudut 60o, PWM dengan frekuensi 4000Hz yang dapat diatur duty cycle nya, dan sinyal PWM modifikasi. Dalam mikrokontroler terdapat rangkaian ADC (analog to digital converter) yang digunakan untuk membaca input tegangan pada perancangan sistem. Tabel 4.1 dan tabel 4.2 adalah tabel pembacaan ADC.

Frekuensi 10Hz 20Hz 30Hz 40Hz 50Hz 60Hz

Tabel 4.1 Data frekuensi pada ADC (0) Bit ADC Tegangan Tegangan (desimal) (1) (2) 0,30 volt 0,32 volt 132 0,46 volt 0,46 volt 62 0,57 volt 0,57 volt 43 0,76 volt 0,76 volt 32 1,15 volt 1,18 volt 26 2,36 volt 2,36 volt 22

Gambar 3.10 Penyulutan dengan beda sudut 60o


7

Duty Cycle (%) 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Tabel 4.2 Data duty cycle pada ADC (1) Bit ADC Tegangan Tegangan (desimal) (1) (2) 0 volt 0 volt 0 0,53 volt 0,51 volt 26 0,99 volt 1,00 volt 51 1,50 volt 1,49 volt 77 1,97 volt 1,96 volt 102 2,46 volt 2,46 volt 128 2,96 volt 2,95 volt 153 3,46 volt 3,45 volt 179 3,95 volt 3,93 volt 204 4,42 volt 4,39 volt 220 4.85 volt 4.86 volt 255

Untuk mendapatkan keluaran sinus yang frekuensinya bervariasi digunakan sebuah penyulutan dengan frekuensi mulai dari 10Hz sampai 60Hz lihat gambar 4.1 dan gambar 4.2. Gambar-gambar tersebut didapat dengan menggunakan oscilocope pada volt/div 2V dan pada time/div 50ms.

Gambar 4.1 Sinyal penyulutan pada frekuensi 10Hz

. Gambar 4.3 Sinyal PWM pada duty cycle 0% Gambar 4.3 adalah gambar sinyal PWM pada duty cycle 0% dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan gelombang yang high hampir tidak ada (0%).

Gambar 4.4 Sinyal PWM pada duty cycle 75% Gambar 4.4 adalah gambar sinyal PWM pada duty cycle 25% dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan gelombang yang high 75%. Dikarenakan dalam perancangan tugas akhir ini, inverter dapat diatur keluaran frekuensi dan arusnya sehingga dibutuhkan PWM modifikasi. Pada gambar 4.12 sampai gambar 4.16 adalah gambar PWM modifikasi pada frekuensi 60Hz dengan diatur duty cycle nya. Digunakan oscilocope sebagai alat ukur pada volt/div 2V dan pada time/div 1ms.

Pada gambar 4.1 dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan periode 100 ms.

. Gambar 4.5 Sinyal PWM modifikasi pada duty cycle 25%

Gambar 4.2 Sinyal penyulutan pada frekuensi 60Hz Pada gambar 4.2 dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan periode 16,66 ms. Mikrokontroler juga mampu membuat PWM dengan frekuensi tinggi. Dalam perancangan sistem dibuat PWM dengan frekuensi 4000Hz namun duty cycle nya dapat diatur. Pada gambar 4.3 dan gambar 4.4 adalah gambar pengujian sinyal PWM mikro dengan frekuensi 4000Hz yang dapat diatur duty cycle nya dengan menggunakan oscilocope pada volt/div 2V dan pada time/div 100us.


Gambar 4.5 adalah gambar sinyal PWM modifikasi yang merupakan perkalian antara sinyal penyulutan pada frekuensi 60 Hz dengan sinyal PWM dengan frekuensi 4000 Hz. Sinyal modifikasi tersebut diatur duty cycle-nya pada keadaan 25%. Dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan gelombang yang high 25%.

Gambar 4.6 Sinyal PWM modifikasi pada duty cycle 100%

8

Gambar 4.6 adalah gambar sinyal PWM modifikasi yang merupakan perkalian antara sinyal penyulutan pada frekuensi 60 Hz dengan sinyal PWM dengan frekuensi 4000 Hz. Sinyal modifikasi tersebut diatur duty cycle-nya pada keadaan 100%. Dapat dilihat bahwa sinyal mempunyai amplitudo 4,2 volt dan gelombang yang high 100% (tidak ada gelombang low). 4.2 Pengujian Sistem Secara Keseluruhan Pada pengujian secara keseluruhan ini motor induksi akan dihubungkan seri dengan motor DC yang digunakan untuk mendapatkan nilai kecepatan dan juga dapat memberikan torsi beban pada motor induksi. Untuk mendapatkan nilai kecepatan pada motor induksi harus mengkonversi tegangan yang keluar dari motor DC dimana spesifikasi motor DC 30 V/rpm. Pada gambar 4.7 menunjukkan gambar secara keseluruhan.

Gambar 4.7 Pengukuran secara keseluruhan Dengan demikian didapatkan pengukuran dengan mengubah frekuensi, duty cycle dan torsi beban. Lihat tabel 4.3 yang merupakan hasil pengukuran secara keseluruhan. Dikarenakan motor induksi yang digunakan adalah motor induksi mini sehingga tidak mampu menahan beben motor DC (belum diberi pembebanan) sehingga didapatkan batas minimal motor pada frekuensi 40 Hz. Simbol ↑ menunjukkan bahwa pengukuran naik terus kemudian tidak stabil, sedangkan simbol ↓ menunjukkan bahwa pengukuran turun terus kemudian motor berhenti. Tabel 4.3 Data pengukuran kecepatan dan torsi beban

Frekuensi

Duty Cycle

Torsi Beban

60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 60 Hz

100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 %

0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0N 0,25 N

Tegangan Trafo Arus 4,73 V 3,23 V 2,01 V 1,11 V 6,41 V 3,71 V 2,11 V 1,03 V 4,85 V

Kecepatan 1410 rpm 1383 rpm 1317 rpm 1177 rpm 970 rpm 930 rpm 901 rpm 853 rpm 1373 rpm


60 Hz 60 Hz 60 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 60 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz 40 Hz

75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 % 100 % 75 % 50 % 25 %

0,25 N 0,25 N 0,25 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,5 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 0,75 N 1N 1N 1N 1N 1N 1N 1N 1N

3,46 V 2,32 V ↑ 6,36 V 4,10 V 2,26 V ↑ 5,26 V 3,54 V 2,24 V ↑ 6,81 V 4,38 V 2,25 V ↑ 4,95 V 4,63 V ↑ ↑ 6,88 V ↑ ↑ ↑ 5,65 V 4,63 V ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑

1320 rpm 1223 rpm ↓ 936 rpm 923 rpm 916 rpm ↓ 1359 rpm 1335 rpm 1216 rpm ↓ 938 rpm 909 rpm 893 rpm ↓ 1323 rpm 1247 rpm ↓ ↓ 850 rpm ↓ ↓ ↓ 1293 rpm 1027 rpm ↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓

5. KESIMPULAN Penyulutan pada mikro untuk menghasilkan tegangan AC pada inverter harus sesuai diagram hexagon vektor tegangan DTC dengan perbedaan sudut fluks 60o. Vektor tegangan yang digunakan harus berurutan mulai dari vektor1 sampai vektor6 untuk vektor0 dan vektor7 tidak dipakai. Pada pengukuran inverter 3 fasa tanpa beban diperlukan sumber tegangan DC sebesar 200 volt dengan penyulutan mikro sebesar 60Hz pada duty cycle 100%. Untuk mendapatkan daya keluaran maksimal pada Three Phase Inverter bisa didapat dari pemilihan komponen switching yang tepat, dalam hal ini adalah tipe transistor. Dalam pengukuran inverter 3 fasa dengan beban motor didapatkan hubungan duty cycle, arus, dan torsi adalah berbanding lurus. Semakin besar duty cycle maka arus dan torsi akan semakin besar. Hubungan arus, frekuensi, dan torsi. Ketika frekuensi diturunkan maka arus akan naik begitu juga torsi pun akan terus naik sebanding dengan arus.

9

DAFTAR PUSTAKA [1] Panji Kurniawan, ”Perancangan Dan Simulasi Metode Direct Torque Control (DTC) Untuk Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa”, Tugas Akhir ELEKTRO-ITS 2010. [2] Dimas Pungky Pradana, ”Rancang Bangun Rangkaian Full Bridge Converter Dan Three Phase Inverter Sebagai Penggerak Mobil Listrik Berbasis Mikrokontroller ”, Proyek Akhir PENS-ITS 2010. [3] Wiranata Surya, Maya Sholihati MS, ”Desain Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Mini Berdaya ≤ ź pk”, Tugas Akhir D3 ELEKTRO-ITS 2009. [4] Andrianto, Heri. 2008. “Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16, Menggunakan Bahasa C (CodeVision AVR)”. Informatika : Bandung. [5] Bejo, Agus. 2007. “C & AVR, Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATMEGA8535”. Graha Ilmu : Yogyakarta. [6] Muhammad H. Rashid Ph.D, “Power Electronics”, Fellow IEE Professor of Electrical Engineering Purdue University. DAFTAR RIWAYAT HIDUP

Zanu Rachmad Wahyudi dilahirkan di kota Sidoarjo Jawa Timur pada tanggal 26 Januari 1987. Bertempat tinggal di krian Jl.HM.Mawardi no 70,Sidoarjo dan Pantai Mentari Blok N5 Kenjeran,Surabaya. Hobi penulis adalah Sepakbola, Bilyard, Volly, Browsing internet, dan coba-coba membuat hardware. Penulis dapat dihubungi melalui email [email protected]


10

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DIRECT TORQUE CONTROL PADA MOTOR INDUKSI

Recommend Documents