No. 31 Vol.1 Thn. XVI April 2009
ISSN: 0854-8471
SIMULASI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI DENGAN METODA INDIRECT FIELD ORIENTED CONTROL Heru Dibyo Laksono Jurusan Teknik Elektro Univeristas Andalas Padang Sumatera Barat ABSTRACT Lebih dari 80 persen motor yang dipakai pada Industri menggunakan motor induksi. Motor induksi mempunyai kelebihan yaitu harganya yang murah tetapi pengendaliannya terbatas. Dengan metoda Field Oriented Control kinerja motor induksi dapat ditingkatkan seperti layaknya motor DC berpenguatan bebas. Field Oriented Control mampu mengendalikan arus fluks dan arus torka secara terpisah. Pengaturan secara vektor menghasilkan keluaran torka elektromagnetik, arus, tegangan dan kecepatan. yang dapat mencapai nilai referensi sistem pengaturan motor induksi tiga fasa. Pengendalian kecepatan dilakukan dengan mengendalikan fluks melalui arus stator, amplitudo dan fasa dari arus stator. Pengaturan kecepatan dengan metode Indirect Field Oriented Control tidak membutuhkan detektor fluks atau penghitung fluks, tetapi hanya membutuhkan penghitung slip. Faktor inilah yang menyebabkan metode ini lebih populer. Keywords : Motor Induksi, Metoda Field Oriented Control, Arus Fluks, Arus PENDAHULUAN Dewasa ini penggunaan motor-motor listrik sudah banyak digunakan dalam kehidupan. Baik untuk rumah tangga, industri, transportasi dan lainlain. Umumnya motor listrik yang digunakan terbagi dua jenis yaitu motor arus searah (motor DC) dan motor arus bolak-balik (motor AC). Pada mulanya untuk aplikasi pengaturan kecepatan, lebih banyak digunakan motor DC dibandingkan motor AC, karena pengaturan motor AC terutama motor induksi lebih sulit. Dengan berkembangnya ilmu elektronika daya, pengaturan motor induksi dapat teratasi. Disamping itu konstruksi motor induksi yang kuat, sederhana, murah, dan mudah dalam perawatan merupakan daya tarik tersendiri. Sehingga saat sekarang ini lebih dari 80% industri menggunakan motor induksi. Pengontrolan kecepatan motor induksi dapat dibagi menjadi dua bagian utama, yaitu skalar kontrol dan vektor kontrol. Skalar kontrol yang didasarkan pada linearisasi persamaan nonlinier motor induksi di titik operasi keadaan mantap (steady state) serta dapat diimplementasikan dalam suatu keadaan dimana amplitudo dan frekuensi tegangan stator diatur dalam suatu rangkaian terbuka (open loop) agar V/Hz konstan. Parameter untuk skalar kontrol yang berhubungan dengan keadaan mantap (steady state), adalah magnitudo dan frekuensi (kecepatan sudut) tegangan, arus dan fluks linkage space vektor yang dikontrol. Sehingga, sistem kontrol ini tidak bekerja selama keadaan transient. Pola seperti ini diterapkan juga pada sistem multivariabel pada motor induksi sehingga tidak bisa menunjukkan hubungan antara input dan output serta akan menimbulkan permasalahan pengontrolan output seperti torka dan fluks. Akibat adanya permasalahan diatas, maka dikembangkanlah suatu metode pengontrolan yang
TeknikA
disebut vektor kontrol. Vektor kontrol ini didasarkan pada keadaan peralihan (transient). Oleh sebab itu metode pengontrolan ini tidak hanya bisa mengontrol magnitudo dan frekuensi (kecepatan sudut), tetapi juga mengontrol posisi sesaat, tegangan, arus dan fluks space vektor, sehingga metode pengontrolan ini bisa bekerja pada keadaan mantap (steady state) dan keadaan peralihan (transient). Dengan metode vektor kontrol ini, kinerja motor induksi dapat ditingkatkan seperti motor DC berpenguatan bebas. Metode vektor kontrol ini akan menghasilkan kontrol performansi tinggi pada motor induksi untuk torka, kecepatan dan posisi yang ingin dicapai. Selain itu vektor kontrol juga memungkinkan pengontrolan yang cepat untuk magnitude fluks rotor dan torka-arus yang dihasilkan. Selain itu keuntungan menggunakan vektor kontrol pada motor induksi adalah kemungkinan operasi motor pada kecepatan di atas kecepatan dasar (pada daerah pelemahan medan ). Adapun tujuan penelitian ini, untuk melakukan studi performansi pengaturan motor induksi melalui vektor kontrol khususnya metode Indirect Field Oriented Control menggunakan Simulink/Matlab dengan menganalisa keluaran (output) yang dihasilkan oleh simulasi Indirect Field Oriented Control. Terdapat beberapa metode yang dapat digunakan untuk vektor kontrol seperti Field Oriented Control, Feedback Linearization, Direct Torque Control dan Passivity Based Control. Metode yang populer saat ini adalah Field Oriented Control dengan metode Flux-Feedforward Vector Control (Indirect Field Oriented Control). Hal ini dikarenakan pada tipe Indirect Field Oriented Control, tidak dibutuhkan detektor fluks atau penghitung fluks. Evaluasi vektor kontrol pada motor induksi bisa dilakukan dengan
71
No. 31 Vol.1 Thn. XVI April 2009 dua cara. Pertama dilaboratorium dengan menggunakan mesin yang real dan menyediakan vector controller dan sebuah Current-Regulated Pulse Width Modulation (CRPWM) inverter. Keuntungan cara ini adalah faktor natural sudah termasuk dalam percobaan misalnya noise yang dihasilkan dan karakteristik sensor. Kekurangan cara ini adalah sulit untuk mengobservasi dan mengganti parameter elektrik mesin ketika sedang bekerja[3]. Selain itu ukuran, tipe, dan daya motor yang ada juga merupakan suatu batasan. Selain itu biaya yang mahal dan keterbatasan alat yang ada di laboratorium juga merupakan kendala untuk dilakukan pengujian dengan cara ini. Cara kedua adalah dengan simulasi menggunakan software komputer. Keunggulan cara ini adalah semua besaran dapat diobservasi dan parameter dapat diubah untuk mengamati efeknya dan memperbaiki kesalahan estimasi. Dengan cara ini kekurangan yang terdapat pada cara pertama dapat ditutupi, tetapi kelemahan cara ini adalah adanya pengabaianpengabaian terhadap kondisi tertentu.
ISSN: 0854-8471 b.
Kontroller Torka Sinyal kesalahan yang merupakan selisih kecepatan referensi dan kecepatan aktual diumpankan ke kontroller untuk diproses. Kontroller digunakan untuk memperkecil nilai kesalahan yang terjadi sehingga kecepatan actual mendekati kecepatan referensi. Kontroller yang digunakan adalah proporsional integral (PI). Blok Kontroller Torka ditunjukkan Gambar 2 berikut :
Gambar 2 Blok Kontroller Torka c. Field Oriented Control Blok Field Oriented Control adalah blok dimana *
terjadi peritungan i ds ,
i qs* dan ߩ. Blok Field
Oriented Control ditunjukkan Gambar 3.
METODE Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah: o Memodelkan persamaan-persamaan motor induksi dalam sumbu koordinat abc kemudian mentransformasikannya ke persamaan kerangka acuan bebas qd0 dan kerangka acuan stationer. o Merancang blok diagram simulasi berdasarkan persamaan-persamaan kerangka acuan stationer qd0 yang telah diturunkan dengan Simulink/Matlab. o Merepresentasikan grafik karakteristik pengaturan kecepatan motor induksi dengan Indirect Field Oriented Control yang dihasilkan oleh Simulink/Matlab dan membandingkannya dengan grafik yang dihasilkan oleh skalar control. o Menganalisa performansi pengaturan kecepatan motor induksi dengan Indirect Field Oriented Control. Secara garis besar di dalam simulasi ini terdapat tiga komponen, yaitu input, proses dan output. Setiap blok tersusun dari beberapa sub blok. Tiap blok akan dijelaskan sebagai berikut : Kecepatan Referensi Pengaturan kecepatan motor induksi dilakukan dengan memberikan kecepatan referensi yang dapat dirubah-rubah sesuai dengan keinginan. Blok kecepatan referensi ditunjukkan Gambar 1. berikut :
1
Mux
(4/(3*P))*u[1]*xr/(xm*u[2])
Tem* Mux
iqs^e Mux
2
du/dt
lambdadre
Derivative
1
(rpr*wb/xr)*(u[1]/u[2]) we-wr
Mux Mux2
(xr*u[2]+rpr*wb*u[1])/(rpr*xm)
Mux3
ids^e
w2
1 s
cos(u[1])
3
Fcn
cos_rho
theta2
sin(u[1])
4
Fcn1
sin_rho
rho
a.
Gambar 1 Blok Kecepatan Referensi
TeknikA
2 ids^e*
3 thetar
iqs^e*
Gambar 3 Blok Field Oriented Control d. Transformasi qde ke abcs Arus command yang dihasilkan oleh blok Field Oriented Control memakai kerangka acuan sinkron, sementara untuk blok inverter dibutuhkan arus command dalam kerangka acuan stasioner. Blok ini mengubah arus qd (kerangka acuan sinkron) ke arus
72
No. 31 Vol.1 Thn. XVI April 2009
ISSN: 0854-8471
abc (kerangka acuan stasioner). Blok transformasi qde ke abcs ditunjukkan oleh Gambar 4 berikut : 1 iqs^e*
u[1]
1
ias
ias*
u[1]*u[3] + u[2]*u[4] 2 ids^e*
iqs^s
Mux
Mux
-(u[1] + sqrt(3)*u[2])/2
2
ibs
ibs*
3 cos_rho
-u[1]*u[4] + u[2]*u[3]
4
ids^s
sin_rho
Mux2
f. Transformasi abcs ke qd0s Tegangan input untuk motor induksi dinyatakan dalam bentuk koordinat qd0s. Maka dibutuhkan blok tranformasi dari koordinat abcs menjadi koordinat qd0s. Blok tansformasi ke sumbu qd0s ditunjukkan oleh Gambar 6 berikut :
-(u[1] -sqrt(3)*u[2])/2
3
1
(2/3)*(u[1] - (u[2]+u[3])/2)
ics
ics*
vag
Fcn
1 vqs
Mux
Sum3 2
Mux
(u[3]-u[2])/sqrt(3)
2
vbg
vds Fcn1
3
(u[1]+u[2]+u[3])/3
vcg
3
4 ias+ibs+ics
Mux
Fcn2
50*Zb*wb
1 s
1/Csg
v0s vsg
Sum2
Integrator
Gambar 4 Blok Transformasi qde ke abcs e. Inverter Blok inverter adalah penyedia tegangan input untuk motor induksi. Blok inverter ditunjukkan oleh Gambar 5 berikut : 1
Gambar 6 Blok Transformasi abcs ke qd0s
ias -K-
1 vag
Z
ia
g. Motor Induksi Persamaan matematis motor induksi dimodelkan dalam sebuah blok yang ditunjukkan oleh Gambar 7 berikut :
2 ias*
3 ibs -Kib
2 vbg
Z1
4 ibs* 5 ics
-Kic
3 vcg
Z3
6 ics*
1
ias vag
ias 2
1 vag
ias*
ias* 3
ibs
ibs 4
vbg ibs*
2 vbg
Gambar 7 Blok Motor Induksi
ibs* 5
ics
ics vcg
6
ics*
h.
3 vcg
ics* Inverter
Gambar 5 Blok Inverter
TeknikA
Transformasi qd0s ke abc Untuk mendapatkan hasil dalam koordinat abc, maka persamaan motor induksi dalam koordinat qd0s ditransformasikan kembali ke koordinat abcs. Blok transformasi ke sumbu abc ditunjukkan Gambar 8 berikut :
73
No. 31 1 Vol.1 Thn n. XVI Apriil 2009 1 iqs
2
Mux
ids
3 i0s
Mux
ISSN: 0854-88471
u[1] + u[3]
1
Fcn
ias
-(u[1]+sqrt(3)*u[2])/2 +u[3]
2
Fcn1
ibs
-(u[1]-sqrt(3)*u[2])/2 + u[3]
3
Fcn2
ics
G Gambar 10 Kecepatan Aktuual Indirect Fieeld Oriented Contrrol Untuk Keceepatan Referennsi O Konstan
Ga ambar 8 Blok Transformasi qd0s ke abc HASIL L DAN PEMBAHASAN Dalaam simulasi pengaturan kecepatan k mootor induksi dengan mettoda Indirect Field Orientted Controll yang diamati adalah : 1. Keecepatan aktuall motor terhadaap waktu 2. Teg gangan stator terhadap t waktu u 3. Aru us stator terhaddap waktu 4. Fluuks terhadap waktu w 5. Torrka elektromaggnetik terhadapp waktu Dalaam simulasi ini, motor induksi yaang digunakkan adalah mootor induksi rootor sangkar tiiga fasa, 4 kutub, 60 Hz dengan d parameeter : daya mootor 50 HP,, tegangan 4660 Volt, keceppatan 1705 rppm, resistan nsi stator 0.08870 Ω, reaktaansi bocor staator 0.3020 Ω, reaktan nsi magnetisaasi 13.0800 Ω, reaktan nsi bocor roto or 0.3020 Ω, reasistansi rootor 0.2280 Ω, dan momeen inersia 1.66 620 N-m. Mootor induksi rotor sangkarr dengan freku uensi nominal 60 Hz ini akan dibebani oleh sebuah pompa p dan dibberi perlakuuan dengan keccepatan referennsi yang konsttan dan keecepatan refereensi yang berrvariasi. Adappun hasil yaang diperoleh sebagai beriku ut : Gelombbang Untuk Keecepatan Referrensi Konstan
G Gambar 9 Keceepatan Referennsi Konstan
Gambar 11 T Tegangan Statoor Indirect Fielld Oriented Contrrol Untuk Keceepatan Referennsi O Konstan
Gambar 12 Aruus Stator Indireect Field Oriennted G C Control Untukk Kecepatan Reeferensi Konstaan
Gambar 13 Torkka Elektromagn netik Indirect Field F O Oriented Contrrol Untuk Keceepatan Referennsi Konstan
Gelo ombang Outp put Indirect Field Oriented Controll Untuk Kecepatan Referensii Konstan
kA Teknik
74
No. 31 1 Vol.1 Thn n. XVI Apriil 2009
ISSN: 0854-88471 Gelo ombang Outpuut Indirect Fielld Oriented Coontrol Untuuk Kecepatan R Referensi Bervvariasi
Gamb bar 14. Magnituudo Fluks Rotoor Indirect Fieeld Oriented Control Untuk Kecepaatan Referensi Konstan Gambar G 18 K Kecepatan Aktuual Indirect Fieeld O Oriented Contrrol untuk Keceepatan Referennsi Bervariasi
mbar 15 Flukks qr Indirect Field F Oriented Gam Conntrol Untuk Keecepatan Referrensi Konstan Gambar 19 T Tegangan Statoor Indirect Fielld Oriented Contrrol untuk Keceepatan Referennsi O Bervariasi
Gambar 16 Flukss dr Indirect Field F Oriented Conntrol Untuk Keecepatan Referrensi Konstan Gelombbang Untuk Keecepatan Referrensi Bervariasii Ga ambar 20 Aruus Stator Indireect Field Oriennted Control C untuk K Kecepatan Refferensi Bervariaasi
Gaambar 17 Keceepatan Referennsi Bervariasi
kA Teknik
75
No. 31 1 Vol.1 Thn n. XVI Apriil 2009
Gamb bar 21 Torka Elektromagnetik E k Indirect Field Oriiented Control untuk Kecepattan Referensi Bervariasi B
ISSN: 0854-88471
Gambar G 24 Flluks dr Indirecct Field Orientted Control C untuk K Kecepatan Refferensi Bervariaasi D hasil simuulasi, didapatkaan data-data seebagai Dari berik kut :
Gamb bar 22 Magnitu udo Fluks Rotoor Indirect Fieeld Oriiented Control untuk Kecepattan Referensi Bervariasi B
Tab bel 1 Hasil Sim mulasi dengan Kecepatan K Refeerensi Konstan Param meter IFOC ω referennsi (rpm) 188.550 ω aktuaal (rpm) 184.550 Va (V Volt) 190.110 Va makss (Volt) 298.330 Torka T Elektrom magnetik (N-m)) 189.110 Torka Bebban (N-m) -189.00 Ia (Am mpere) 85.880 Ia mak(A Ampere) 95.880 Fluks Rootor (wb) 259.330 Tab bel 2 Hasil Sim mulasi dengan Kecepatan K Refeerensi Bervariasi Param meter IFOC C ω referenssi (rpm) 94.255 ω aktual (rpm) 93.044 Va (V V) 48.622 Toorka Elektromaagnetik (N-m) 48.211 Torka Bebaan (N-m) -48.21 Ia (Amp mpere) 11.333 Fluks Rottor (wb) 259.20
Gam mbar 23 Flukss qr Indirect Field F Oriented Conntrol untuk Keccepatan Referensi Bervariasi
kA Teknik
P Pada Indirect F Field Oriented Control, inputt yang digu unakan adalah ttorka referensii dan fluks refeerensi. Simuulasi metoda Indirect Fieldd Oriented Coontrol berd dasarkan asum msi bahwa motor m disuplai oleh tegan ngan tiga fasa. Sebuah kontrooller arus diguunakan untu uk menentukann arus stator, karena k suatu innverter digu unakan sebagaai sumber tegaangan pada metode m ini. Walaupun pada simulaasi ini kompponen n simulaasi ini switching inverterr diabaikan, namun telah h memberikan gambaran tenttang metode Inndirect Fieldd Oriented Conntrol. a. Respon R Keadaaan Mantap (Steeady State) R Respon keadaaan mantap (steady state) pada Indirrect Field Oriiented Controll dan skalar kkontrol dapaat dilihat ddengan memb berikan keceepatan referrensi yang konnstan setelah peengasutan 0.5 detik. d
76
No. 31 Vol.1 Thn. XVI April 2009
ISSN: 0854-8471
Pada simulasi untuk keadaan mantap (steady state) motor diberi kecepatan referensi yang sama dengan kecepatan mekanik dasar motor ߱ yaitu 188.50 rad/s. Dari simulasi didapatkan kecepatan aktual 184.50 rad/s, torka elektromagnetik 189.10 Nm, dan fluks rotor 259.30 wb dengan torka beban sebesar -189.00 N-m.. Dari data yang diperoleh, terlihat bahwa torka elektromagnetik yang dihasilkan oleh metode Indirect Field Oriented Control sangat mendekati torka yang dibutuhkan oleh beban. Kecepatan yang dihasilkan oleh Indirect Field Oriented Control telah mendekati nilai kecepatan referensi. Dari gambar gelombang output kecepatan aktual, torka dan fluks, terlihat bahwa respon keadaan mantap (steady state) untuk metode Indirect Field Oriented Control lebih mulus. Hal ini disebabkan oleh kontrol yang terpisah antara torka dan fluks sehingga torka dan fluks yang dihasilkan akan lebih optimal. Pengaruh kontroller arus terlihat pada arus stator yang relatif stabil sehingga tegangan input untuk motor induksi yang digunakan juga lebih stabil. b. Respon Keadaan Peralihan (Transient) Respon keadaan peralihan (transient) pada metode Indirect Field Oriented Control dapat dilihat dengan memberikan kecepatan referensi yang bervariasi. Pada simulasi kali ini kecepatan referensi yang digunakan adalah [0 wbm/2 wbm/2 -wbm/2 wbm/2 0] yang diberikan pada waktu [0 0.25 0.5 1.0 1.25 1.5]. Dari simulasi untuk Indirect Field Oriented Control didapatkan kecepatan aktual 94.25 rad/s, torka elektromagnetik 48.21 N-m, dan fluks rotor 259.20 wb dengan torka beban sebesar -48.21 Nm. Pada keadaan peralihan (transient) ini torka elektromagnetik yang dihasilkan Indirect Field Oriented Control juga optimum. Jika diperhatikan fluks rotor yang dihasilkan dan dibandingkan dengan keadaan mantap (steady state) didapatkan bahwa fluks yang dihasilkan oleh Indirect Field Oriented Control pada keadaan peralihan (transient) sangat mendekati besarnya fluks yang dihasilkan oleh Indirect Field Oriented Control pada keadaan mantap (steady state). Dari gambar gelombang output terlihat bahwa metode Indirect Field Oriented Control responnya lebih cepat Sehingga kecepatan aktual, torka, dan fluks yang dihasilkan juga lebih mulus. Hal ini karena adanya pengontrolan posisi sesaat pada metode Indirect Field Oriented Control. Pengontrolan posisi ini akan memberikan efek *
positif terhadap i ds yang mengontrol fluks dan yang mengontrol torka.
TeknikA
i qs*
SIMPULAN Dari simulasi pengontrolan kecepatan motor induksi dengan Indirect Field Oriented Control ini dapat disimpulkan : 1. Pada simulasi motor induksi dengan metode pengaturan kecepatan Indirect Field Oriented Control keadaan mantap (steady state) dihasilkan kecepatan aktual 184.50 rad/s, torka elektromagnetik 189.10 N-m, dan fluks rotor 259.30 wb. 2. Pada simulasi motor induksi dengan metode pengaturan kecepatan Indirect Field Oriented Control keadaan peralihan (transient) kecepatan aktual 94.25 rad/s, torka elektromagnetik 48.21 N-m, dan fluks rotor 259.20 wb. 3. Metode Indirect Field Oriented Control baik digunakan untuk pengontrolan motor induksi karena responnya yang sangat bagus, sehingga menghasilkan torka dan fluks yang optimum. 4. Penggunaan simulasi sangat membantu memahami perilaku motor induksi karena pada kenyataannya sistem motor induksi multivariabel, tidak linier dan bervariasi terhadap waktu. DAFTAR RUJUKAN [1] Chapman, Stephen J, 1991, Electric Machinery Fundamentals 3rd edition. New York : McGrawHill. [2] Kazmierskowski, Marian P, R. Krishnan and Freede Blaajerg, 2002, Control In Power Electronics, Selected Problem. USA : Academic Press. [3] Ogaswara, Satoshi, H. Akagi, and A. Nabae, 1988, The Generalized Theory of Indirect Vector Control for AC Machines. IEEE Transactions on Industry Applications, Vol 24 No 3 May/Juni 1988, 470-478. [4] Sen, P.C, 1997, Principle of Electric Machines and Power Electronics 2nd edition. USA : John Wiley & Sons. [5] Wade, S, M. W. Dunnigan, and B. W. Williams, 1997, Modeling and simulation of Induction Machine Vector Control with Rotor Resistance Identification. IEEE Transactions on Power Electronic, Vol 12 No 3 May 1997,495-506. [6] Y.S, Herawati, 2005, Mengendalikan Motor Induksi Dengan Elektromagnetik secara Vektor. Seminar Nasional Teknik Ketenagalistrikan Semarang 24-25 November 2005 ,E-11—E-15
77
