PERANCANGAN ESTIMATOR TAHANAN ROTOR MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA PENGENDALIAN TANPA SENSOR KECEPATAN

PERANCANGAN ESTIMATOR TAHANAN ROTOR MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA PENGENDALIAN TANPA SENSOR KECEPATAN Akhmad Musafa1 1

Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Budi Luhur Jl. Ciledug Raya Petukangan Utara Jakarta Selatan 12260

E-mail : [email protected] Abstract— This paper proposed a new simple method for estimation the rotor resistance at vector control as compensation for increasing of rotor resistance in sensorless induction motor control which resulted by increasing of temperature after motor operate. Estimate done by compensation of error signal between magnetization current obtained by the flux model and magnetization current obtained by observer model using concept of IP controller. Model of motor made in stator reference frame with parameter stator current and rotor flux, controller is current vector control, and rotor speed estimation use full order observer. Simulation conducted for sensorless motor control with constant rotor resistance and sensorless motor control with increasing of rotor resistance for 100%, 150% and 200% variation. The simulation result, it can be seen that IP estimator by Kp 0.469 and Ki 0.331 can work better for compensation the rotor resistance increasing until 200%.

naiknya

temperatur

KeyWords—Compensation, Increasing of rotor resistance, IP estimator, Sensorless control.

memperbesar

S

uatu

sistem

memiliki

kendali

parameter

yang

ideal

yang

sama

dengan parameter motor. Dalam simulasi, pada umumnya model motor dibuat dengan asumsi parameter tahanan rotor adalah

konstan.

Namun

pada

kenyataannya, setelah motor beroperasi,

dapat

mengakibatkan tahanan rotor berubah yaitu naik bertambah besar, sehingga terjadi perbedaan nilai parameter tahanan rotor antara pengendali dan motor[1]. Dalam pengendalian motor induksi dengan menggunakan pengendali vektor, kenaikan parameter tahanan rotor yang disebabkan

meningkatnya

temperatur

dapat mengakibatkan beberapa kerugian seperti eksitasi kurang atau berlebih dan dapat merusak kondisi fluks dan torsi motor[2]. Selain itu, kenaikan tahanan rotor pada pengendalian motor induksi tanpa sensor kecepatan juga semakin kesalahan

kecepatan

estimasi yang dihasilkan oleh observer[3]. Kesalahan

I. PENDAHULUAN

motor

kecepatan

estimasi

akan

mempengaruhi kondisi posisi sinkron e yang

digunakan

pada

transformasi

sehingga akan mempengaruhi respon pengendalian secara keseluruhan. Untuk itu diperlukan kompensasi sehingga efek kenaikan tahanan rotor ini dapat dikurangi atau bahkan dihilangkan.

Perancangan Estimator Tahanan Rotor Motor Induksi Pada Pengendalian Tanpa Sensor Kecepatan

1

Dalam paper ini kompensasi kenaikan tahanan

rotor

dirancang

berdasarkan

         r  Kpeidsqreiqsdr Ki eidsqreiqsdr dt    

...(5)

perbedaan nilai arus magnetisasi yang diperoleh dari fluks model dan arus magnetisasi yang diperoleh dari model observer dengan menggunakan konsep

Persamaan

fluks

model

yang

digunakan pada paper ini mengacu pada [4] dan dinyatakan sebagai berikut:

pengendali IP. R d imr  r ids  imr  dt Lr

II. MODEL MOTOR INDUKSI FULL

* R iqs e  p r  r Lr imr

ORDER OBSERVER DAN FLUKS MODEL Pada pengendalian motor induksi tanpa

sensor

kecepatan,

kecepatan yang akan diumpan balikkan diestimasi informasi

dengan arus

...(7)

d  e  e dt

informasi

...(6)

Te  N p 1   Ls iqs imr

...(8) ...(9)

memanfaatkan

dan

fluks

motor

menggunakan model observer. Observer yang digunakan pada makalah ini adalah full order observer yang diletakkan pada sumbu dq dengan faktor gain G (g1, g2,

Masukan

fluks

model

adalah

kecepatan estimasi dari observer dengan keluaran berupa tegangan stator sumbu d (Vsd) dan sumbu q (Vsq) serta nilai estimasi posisi e.

g3, g4) yang mengacu pada [4] dan dinyatakan dengan persamaan keadaan

III. PERUBAHAN TAHANAN ROTOR

berikut:

MOTOR INDUKSI Model motor yang digunakan pada



  R 1 Lm  Lmr  d 1       ids  s  dr qre iqs vds  g1ids ids  g2iqs iqs ids dt Ls     (Ls) Tr  LsLrTr  LsLr 

...(1)

simulasi

pengendalian

tanpa

sensor

kecepatan pada [4], [5], dan [6] adalah



 Lm  Lmr  d   Rs 1 1       iqs   qr dre iqs vqs g2ids ids g1iqs iqs iqs dt Ls     (Ls) Tr  LsLrTr  LsLr 

...(2)

(Rr) tetap. Pada kenyataannya, setelah

  d  Lm  1      dr  ids dr(e r)qrg3idsidsg4iqsiqs dt Tr Tr    

beroperasi sejalan dengan bertambahnya

...(3)

yaitu kenaikan nilai tahanan rotor akibat

L d 1     qr  m iqs qr(e r)drg4idsidsg3iqsiqs dt Tr Tr    

dari naiknya temperatur. Kenaikan nilai















...(4)

2

model motor dengan nilai tahanan rotor

Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010

waktu, Rr dapat mengalami perubahan

tahanan rotor akibat kenaikan temperatur dinyatakan dengan persamaan: Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

Rr  Rr 0 1   t  t 0   Rr 0 1  t 

yang diperoleh dari model observer

...(10)

sebanding dengan kenaikan tahanan rotor

dengan Rr adalah tahanan rotor aktual

pada motor. Fungsi karakteristik Fref adalah arus

(), Rr0 adalah tahanan rotor awal (),  adalah koefisien suhu Rr (0C-1), t0 temperatur awal Rr (0C) dan t temperatur

magnetisasi yang diperoleh dari fluks model, sehingga:

Fref  imr  

akhir Rr (0C). Sinyal kenaikan tahanan rotor pada simulasi ini dibuat dengan

Rr ids  imr dt Lr …(12)

asumsi keadaan awal tetap kemudian naik pada t=7detik dan kembali ke keadaan

Sedangkan fungsi karakteristik F adalah

tetap yang baru pada t=8detik, dengan

arus magnetisasi yang diperoleh dari

kemiringan (slope) dirumuskan:

model observer yang diperoleh dengan cara

Rr  Rr 0 Rr   t t det

Slope ( s ) 

melakukan

estimasi

variabel motor yaitu ids, iqs, vds, vqs, dan ...(11)

Rr adalah besar kenaikan tahanan rotor (), t adalah lama waktu kenaikan tahanan rotor (detik).

e dari persamaan pengendali vektor. Arus

magnetisasi

estimasi

fluks rotor estimasi dengan induktansi magnetisasi, yaitu: 

F  imr _ est 

TAHANAN ROTOR [3]

dan

diperoleh

melalui pembagian harga mutlak vektor

IV. PERANCANGAN ESTIMATOR

Pada

terhadap

[2],



 dr   qr 2

2

Lm …(13)

kompensasi

kenaikan tahanan rotor dapat dilakukan berdasarkan

persamaan

elektromgnetik.

Pada

paper

torsi ini,

pendeteksian efek kenaikan tahanan rotor dilakukan dengan cara melihat perbedaan nilai arus magnetisasi yang diperoleh dari fluks model dan arus magnetisasi yang diperoleh dari model observer sebagai sebuah fungsi karakteristik Fref dan F.

Selisih antara fungsi karakteristik pada persamaan (12) dan (13) merupakan fungsi kesalahan yang dapat digunakan untuk melakukan kompensasi kenaikan tahanan rotor. Fungsi kesalahan ini dapat dinyatakan sebagai:

et   Fref  F

…(14)

Penurunan nilai arus magnetisasi estimasi Perancangan Estimator Tahanan Rotor Motor Induksi Pada Pengendalian Tanpa Sensor Kecepatan

3

Kompensasi dilakukan

kenaikan dengan

tahanan

rotor

torsi beban sangat kecil sehingga dapat

IP

diabaikan (TL=0). Konstanta observer

menggunakan

estimator yang akan mengestimasi sinyal

yang

kenaikan

dengan Kp=8 dan Ki=650.

tahanan

menggunakan

rotor

Kobs=1.33,

Simulasi

(Integral & Proportional). Diagram blok

pengendalian

IP estimator seperti ditunjukkan pada

kenaikan Rr tanpa adanya estimator dan

Gambar 1.

pengendalian et 

+

pengendali

adalah

IP

Fref

konsep

dengan

digunakan

Ki s

-

+

Rr*

-

dilakukan motor

Rr

estimator.

Simulasi

kenaikan

induksi

motor

kenaikan

untuk

induksi

yang

dengan

dengan

menggunakan

dilakukan

untuk

rotor

100%

tahanan

(s=2.9/det), 150% (s=4.35/det) dan Kp

F

Gambar 1. Diagram blok IP estimator

200% (s=5.8/det) dari nilai awalnya, dengan koefisien temperatur tahanan

Dari Gambar 1 di atas, keluaran IP

rotor =10C-1.

estimtor adalah sinyal estimasi kenaikan

Hasil simulasi pengendalian dengan

tahanan rotor Rr* yang dapat dinyatakan

tahanan rotor tetap ditunjukkan pada

dengan persamaan :

Gambar 2. 4

R  Ki  et dt  Kp.F * r

3.5

Rr [ohm]

....(15)

Rr*  Ki  Fref  F dt  Kp.F

Rr - actual Rr - estimation

3

2.5

…(16) 2

1.5

0

5

V. SIMULASI DAN ANALISA HASIL

Time [sec]

10

2.5

15

Imr - actual Imr - RFOC

SIMULASI 2

digunakan adalah motor induksi rotor sangkar tiga fasa 220/380volt Y, 50 Hz dengan parameter motor (tanpa kenaikan Rr)

mengacu

pada

[5].

Konstanta

Imr [A]

Dalam simulasi, motor induksi yang 1.5

1

0.5

0

0

5

Time [sec]

10

15

pengendali arus (Td) yang digunakan adalah 1x10-3, dengan asumsi masukan 4


Fakultas Teknik Universitas Budi Luhur

200

160

140

140

120

120

100 80

80 60

40

40

20

20 0

5

Time [sec]

10

0

15

0.5

0

Time [sec]

10

15

10

15

0.4

0.3

0.3 error_Theta_e [rad]

0.2 0.1 0 -0.1

0.2 0.1 0 -0.1

-0.2

-0.2

-0.3

-0.3

-0.4

-0.4

-0.5

5

0.5

0.4

error_Theta_e [rad]

100

60

0

wr - actual wr - estimation

180

160

wr [rad/sec]

wr [rad/sec]

200


180

0

5

Time [sec]

10

-0.5

15

0

5

Time [sec]

Gambar 3. Hasil simulasi dengan kenaikan Rr 100%

Gambar 2. Hasil simulasi dengan Rr tetap Hasil simulasi pengendalian tanpa

11

estimator dengan kenaikan tahanan rotor 100% dan 200% ditunjukkan pada 3 dan

9

4.

7

8

Rr [ohm]

7

6 5 4


6


10

3 2

Rr [ohm]

5

1 0

4 3

0

5

Time [sec]

10

2.5

15


2 2

0

0

5

Time [sec]

10

15

1.5

1

2.5

Imr - actual Imr - RFOC 0.5

2

Imr [A]

Imr [A]

1

0

1.5

0

5

Time [sec]

10

15

1

0.5

0

0

5

Time [sec]

10

15


5

200

tunak qr adalah 0 Wb, sedangkan qr


180

estimasi sebesar 0.005 Wb. Kecepatan

160

wr [rad/sec]

140

rotor hasil estimasi mampu mengikuti

120 100

kecepatan rotor aktual dengan persen

80

kesalahan

60

sebesar

0.2436%,

dan

40

menghasilkan kecepatan dasar motor

20 0

0

5

Time [sec]

10

15

sebesar 121.75 rad/dt (1163 rpm).

0.5

Dari hasil simulasi untuk ketiga

0.4

error_Theta_e [rad]

0.3

variasi kenaikan tahanan rotor di atas

0.2 0.1

terlihat bahwa kenaikan tahanan rotor

0 -0.1

yang

-0.2

semakin

mempengaruhi

-0.3

besar

respon

semakin

pengendalian.

-0.4 -0.5

0

5

Time [sec]

10

Setiap kenaikan tahanan rotor sebesar

15

50% mengakibatkan dr aktual rata-rata

Gambar 4. Hasil simulasi dengan kenaikan Rr 200%

turun 0.002 Wb (0.4366%), dr estimasi

Dari hasil simulasi pengendalian motor induksi tanpa sensor kecepatan dengan Rr tetap, respon ids dan iqs mampu mengikuti masukan acuan. Persen kesalahan keadaan tunak estimasi ids adalah 1.9666% dan iqs sebesar 9.3386%. Pada kondisi awal imr terjadi lonjakan

rata-rata turun 0.0055 Wb (1.1905%), qr estimasi rata-rata naik 0.0015 Wb, imr aktual rata-rata turun 0.012A (0.5985%), dan persen kesalahan r estimasi rata-rata naik 0.9816%. Akibat pengaruh kenaikan tahanan rotor terhadap kecepatan rotor estimasi mengakibatkan besar kesalahan

sebesar 6.65% mencapai nilai 2.133 A

kondisi posisi sinkron e semakin besar.

pada t=1.1dt dan mencapai keadaan tunak

Perbandingan pengaruh kenaikan tahanan

pada t=5.5dt. Hal ini disebabkan model

rotor 100%, 150%, dan 200% seperti

motor yang digunakan dalam simulasi

ditunjukkan pada Tabel 1.

merepresentasikan keadaan sebenarnya.

Diagram blok pengendalian tanpa

Setelah t=5.5dt imr aktual motor mampu

sensor

mengikuti imr pengendali dengan persen

tahanan rotor seperti ditunjukkan pada

kesalahan sebesar 0.25%. Respon dr

Gambar 5. Simulasi pengendalian dengan

dr

IP estimator dilakukan untuk kenaikan

estimasi pengendali

mampu dengan

mengikuti persen

kesalahan

kecepatan

dengan

estimator

tahanan rotor 100%, 150%, dan 200%

estimasi sebesar 0.8734%. Nilai keadaan 6



dengan hasil ditunjukkan pada Gambar 6

2.5

dan 7.

Respon Keadaan Tunak

Rr Tetap

100%

Imr [A]

Tabel 1. Perbandingan respon pengendalian akibat kenaikan Rr Kenaikan Rr 150%

200%

 dr

Aktual

0.458

0.452

0.450

0.448

(Wb)

Estimasi

0.462

0.453

0.4475

0.442

1

0.5

Aktual

0

0

0

0

(Wb)

Estimasi

0.005

0.008

0.0095

0.011

Aktual

2.005

1.984

1.975

1.96

200

Estimasi

2

2

2

2

180

I mr (A)

r

% error

0.2436

1.8829

2.6927

0

5

3.8461 wr [rad/sec]

eid

PI

-

v d*

ud +

v

+

vcd

ids

10

15


eiq

uq PI

vcq

v



+ *

+

2

vq

vb

PWM

100 80

40

IM

vc

3

120

60

va

dq

DEKOPLING

20 0

-

0

5

iqs

FLUX MODEL

 r _ est

e

d imr dt

Fref

i

0.4

2

ic

0.3

Fref

+

et 

Rr*

IP Estimator

-

v ds , v qs 

 qr OBSERVER

F

F

error_Theta_e [rad]

e

0.5

ib

3

dq

ids

ia

i



iqs

Time [sec]

140

+

+

0

160

(rad/s)

iqs*

1.5

 qr

ids*


2

Time [sec]

10

15

10

15

0.2 0.1 0 -0.1 -0.2



 dr

-0.3

Gambar 5. Diagram blok pengendalian motor induksi tanpa sensor kecepatan dengan estimator tahanan rotor

-0.4 -0.5

0

5

Time [sec]

Gambar 6. Hasil pengendalian dengan IP estimator untuk kenaikan Rr100%

7


6

Berdasarkan hasil pengujian yang

Rr [ohm]

5

dilakukan, konstanta IP estimator terbaik

4 3

yang digunakan adalah Kp = 0.469 dan

2

Ki = 0.331, karena untuk nilai Kp dan Ki

1 0

yang lain dapat mengakibatkan respon 0

5

Time [sec]

10

15

pengendalian berosilasi dan cenderung menjadi tidak stabil.


7

pada

11


10

8

terjadi.

Rr [ohm]

7 6

tahanan

rotor

Hasil

kompensasi

kenaikan

tahanan rotor 150% terlihat mempunyai

5 4

ripple yang lebih besar dibandingkan

3 2

dengan

1 0

5

Time [sec]

10

2.5

Imr [A]

sehingga

estimasi mampu mengikuti kenaikan yang

9

0

motor

hasil

tahanan

15

kompensasi

rotor

100%,

kenaikan sedangkan

kompensasi kenaikan tahanan rotor 200%


2

mempunyai ripple lebih besar dari pada

1.5

kompensasi 100% dan 150%. Hal ini disebabkan oleh semakin besarnya nilai

1

tahanan rotor yang digunakan dalam

0.5

perhitungan. 0

0

5

Time [sec]

10

200

15

kompensasi

juga

mengakibatkan kesalahan yang terjadi pada posisi sinkron rotor e menjadi


180

Hasil

semakin

160

kecil.

Perbandingan

hasil

wr [rad/sec]

140

kompensasi

120 100

100%,

80 60

150%,

dan

tahanan 200%

rotor seperti

ditunjukkan pada Tabel 2 di bawah ini.

40

Tabel 2. Perbandingan respon hasil pengendalian dengan adanya IP estimator

20 0

kenaikan

0

5

Time [sec]

10

15

0.5 0.4

error_Theta_e [rad]

0.3 0.2 0.1 0 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 -0.5

0

5

Time [sec]

10

VI. KESIMPULAN

15

Gambar 7. Hasil pengendalian dengan IP estimator untuk kenaikan Rr 200%

Dari hasil simulasi dan analisa dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai

Dari

hasil

simulasi

dengan

IP

berikut:

estimator untuk ketiga variasi kenaikan

1. Semakin besar kenaikan tahanan rotor,

tahanan rotor di atas terlihat bahwa secara

maka kesalahan keadaan tunak arus

keseluruhan

magnetisasi

estimator

mampu

mengkompensasi kenaikan tahanan rotor 8 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010

rotor

aktual

terhadap


acuan

dan

kesalahan

estimasi

merupakan nilai yang sudah tepat

kecepatan rotor juga semakin besar,

karena

sehingga

terjadinya

dengan baik untuk mengkompensasi

kesalahan nilai e yang semakin besar

kenaikan tahanan rotor sampai 200%

pula.

pada aplikasi sistem pengendalian

menyebabkan

2. Setiap kenaikan tahanan rotor sebesar

terbukti

mampu

bekerja

kecepatan.

50% mengakibatkan dr aktual turun REFERENSI

0.4366%, dr estimasi turun 1.1905%, qr estimasi naik 0.0015 Wb, imr

[1]

Motor Robust Adaptive Control”,

aktual turun 0.5985%, dan persen

Proceedings

kesalahan r estimasi naik 0.9816%.

control

dapat dilakukan dengan melakukan kesalahan

arus

[2]

[3]

6. Konstanta Kp sebesar 0.469 dan Ki

Draou,

Induction

Motor

Kubota,

K.

Matsue,

“Speed

of Induction Motor with Rotor Resistance Adaptation”, in Conf.

0.005 Wb, dan persen kesalahan

rotor sampai dengan 200%.

A.

Sensorless Field Oriented Control

Wb, fluks rotor sumbu q estimasi

mengkompensasi kenaikan tahanan

Miloud,

13, NO. 2, 2005.

fluks rotor sumbu d estimasi 0.462

mampu bekerja dengan baik untuk

Automation–

Drive”, Turk J Elec Engin, VOL .

100%, 150% dan 200% menghasilkan

sebesar 0.469 dan Ki sebesar 0.331

Y.

Controlled

4. Kompensasi kenaikan tahanan rotor

5. Kompensator IP dengan konstanta Kp

and

on

Estimator of an Indirect Vektor

pengendali IP.

kecepatan estimasi 0.2041%.

conference

Logic Based Rotor Resistance

dari model observer dengan konsep

fluks rotor sumbu d aktual 0.458 Wb,

10th

“Performance Analysis of a Fuzzy

dari fluks model dan arus magnetisasi

imr aktual keadaan tunak 2.005 A,

the

MED2002, Lisbon Portugal, 2002.

hasil

perbandingan antara arus magnetisasi

of

Mediterranean

3. Kompensasi kenaikan tahanan rotor

kompensasi

H. Ouadi, F. Giri, “Induction

Rec. Of 1993, IEEE. [4]

Ridwan Gunawan, ”Pengendalian Motor Induksi Tanpa Sensor Kecepatan

Dengan

Orientasi

Fluks Rotor Pada Performansi Kecepatan di

luar

Kecepatan

Nominal”, Disertasi, Universitas Indonesia, 2006.

sebesar 0.331 pada kompensator IP Perancangan Estimator Tahanan Rotor Motor Induksi Pada Pengendalian Tanpa Sensor Kecepatan

9

[5]

F.

Yusivar

and

S.

Wakao,

“Minimum Requirement of Motor Vector Control Modelling and Simulation Utilizing C-Mex Sfunction

in

MATLAB/SIMULINK”, IEEE. [6]

Fery, “Pengendali Vektor Arus dan

Perbaikan

Kesalahan

Estimasi Pada Motor Induksi Tanpa

Sensor

Skripsi,

Universitas

Kecepatan”, Indonesia,

2004.

10 Arsitron Vol. 1 No. 1 Juni 2010


PERANCANGAN ESTIMATOR TAHANAN ROTOR MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA PENGENDALIAN TANPA SENSOR KECEPATAN

Recommend Documents