Pengembangan PI Controller sebagai Kendali Respon Cepat pada Motor Induksi 3 Fasa Berbasis Indirect Field Oriented Control (IFOC)
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
PENGEMBANGAN PI CONTROLLER SEBAGAI KENDALI RESPON
CEPAT PADA MOTOR INDUKSI 3 FASA BERBASIS INDIRECT FIELD
ORIENTED CONTROL (IFOC)
Rizana Fauzi1 , Dedid Cahya Happiyanto2, Indra Adji Sulistijono3
1
Teknik Mekanisasi Pengolahan, Politeknik Palu
Jl. Sinar Kemuning 1 No 1A Bumi Roviga Tondo, Palu, Sulawesi Tengah
2,3
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS)
Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Indonesia
Email: [email protected], [email protected],
Abstrak
Penelitian mengenai pengaturan kecepatan pada motor induksi 3 fasa semakin lama semakin
berkembang, dikarenakan penggunaan pada industri dan khususnya pada kendaraan hybrid semakin
banyak dikembangkan. Namun ada beberapa kelemahan motor induksiyang salah satunya adalah
karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang
bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan kecepatannya
secara konstan bila terjadi perubahan beban. Oleh karena itu untuk mendapatkan kecepatan yang
konstan dan performa sistem yang lebih baik terhadap perubahan beban dibutuhkan sebuah
pengontrol. Penelitian ini bertujuan untuk mengimplementasikan metode Indirect Field Oriented
Control (IFOC) dengan controller Proportional-Integral(PI) pada aplikasi kendali kecepatan motor
Induksi 3 phase dalam mengikuti kecepatan referensi dengan respon tercepat dan nilai osilasi
terkecil. Kendali Proportional-Integral(PI) yang digunakan merupakan sistem kendali klasik yang
mudah karena tidak perlu mencari model matematis dari sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki
respon sistem yang cukup stabil, dengan mengatur kombinasi yang terbaik dari konstanta
proportional (Kp) dan konstanta Integrator (Ki). Pada hasil implementasi, dapat dilihat bahwa
penggunaan IFOC dapat digunakan sebagai pendekatan dalam hal pengaturan kecepatan motor
induksi. Pendekatan yang dilakukan oleh IFOC hanya berfungsi untuk mengubah parameter nonlinier
(parameter motor ac) ke parameter linier (menyerupai motor dc), sehingga mudah untuk
dikendalikan, dan dengan penggunaan kendali PI dapat membantu respon output menjadi lebih baik
dengan waktu respon yang lebih singkat untuk mencapai nilai referensi.
Kata kunci:Proportional-Integral, IFOC, motor induksi
Pendahuluan
Aplikasi motor induksi 3 fasasemakin lama semakin berkembang, dikarenakan kehandalannya pada
penggunaan di industri dan khususnya pada kendaraan hybrid semakinbanyakdikembangkan.Namun ada beberapa
kelemahan motor induksiyang salah satunya adalahkarakteristik parameter yang tidak linier, terutamaresistansi rotor
yang memiliki nilai yang bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan
kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban. Dikarenakan hal tersebut, untuk mendapatkan kecepatan
yang konstan dan performa sistem yang lebih baik terhadap perubahan beban dibutuhkan sebuah pengendali.
Gambar1.Karakteristik motor induksi
E-99
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Pada gambar 1, dapat dilihat ilustrasi pada motor induksi pada saat kecepatan rotor mulai nol hingga
kecepatan maksimalnya, untuk bergerak dengan kecepatan rendah, arus yang dibutuhkan sangat tinggi hingga
mencapai tujuh kali arus kerjanya, sedangkan saat kecepatannya mulai tinggi, arus yang dibutuhkan berkurang
hingga arus kerja normalnya.
Pada prinsipnya motor Induksi 3 phase bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk
menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jikapada motor Induksi 1 phase untuk menghasilkan beda phase diperlukan
penambahan komponen kapasitor, pada motor 3 phase perbedaan phase sudah didapat langsung dari sumber seperti
terlihat pada gambar arus 3 phase berikut ini:
Gambar2.Grafikarus 3 fasa
Persamaan untuk pemodelan motor induksi, adalah sebagai berikut:
vs = R s is + λs + j e λs
+� + (
0=
� =�
� =�
=3
+�
−
)�
(1)
(2)
(3)
(4)
+�
(5)
� �2
2 �
Jika dipergunakan pengamatan konvensional, diperkirakan fluks stator dihitung berdasarkan persamaan motor
menggunakan integrator murni sebagai berikut:
−
=
(6)
(7)
−
=
Diperkirakan fluks rotor dihitung dari perkiraan stator fluks sebagai berikut:
r
=−
=−
L s L r −L 2m
Lm
� � −�2
�
is +
+
(8)
Lr
Lm
s
(9)
�
�
Perkiraan Sudut untuk fluks rotors diperoleh sebagai berikut.
r
=
dθ r
dt
where θr = tan−1
r
(10)
r
Sehingga untuk mendapatkan kecepatan yang konstan dan peformansi motor yang lebih baik pada kecepatan rendah,
dibutuhkan suatu metode pengontrolan yang mampu mengatasi setiap perubahan parameter pada motor induksi.
Pada gambar di atas, arus 3 phase memiliki perbedaan phase 60 derajat antar phasenya. Dengan perbedaan ini, maka
penambahan kapasitor tidak diperlukan. Konstruksi motor induksi secara detail terdiri atas dua bagian, yaitu : bagian
stator dan bagian rotor. Stator adalah bagian motor yang diam, terdiri dari : badan motor, inti stator, belitan stator,
bearing dan terminal box. Bagian rotor adalah bagian motor yang berputar, terdiri atas rotor sangkar dan poros rotor.
Konstruksi motor induksi tidak memiliki komutator dan sikat arang.Ada dua jenis rotor pada motor induksi, yaitu
jenis rotor sangkar tupai (sequirrel-cage rotor) dan rotor belitan (wound-rotor). Kedua rotor ini mempunyai
konstruksi stator dan prinsip kerja yang sama.
E-100
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Metode
Indirect Field Oriented Control (IFOC)
Indirect Field Oriented Control (IFOC) adalah suatu metode pengaturan medan pada motor AC, di mana dari
sistem coupled diubah menjadi sistem decoupled. Dengan sistem ini arus penguatan dan arus beban motor dapat
dikontrol secara terpisah, dengan demikian torsi dan fluksi juga dapat diatur secara terpisah, seperti halnya motor
DC. Pada IFOC yang diatur adalah banyaknya fluks yang akan berdampak langsung dengan perubahan kecepatan
pada motor induksi. Pengukuran besarnya fluks tidak diukur secara langsung, melainkan dapat diperkirakan dengan
perubahan nilai dari kecepatan rotor motor yang dimonitor oleh sensor rotari. Kecepatan motor
diumpanbalikkankemudiandibandingkandengankecepatanreferensiolehsuatukomparator.
Gambar 5. diagram blok pengaturan kecepatan motor induksi dengan IFOC[1]
Fluks rotor dan torsi dapat dikontrol secara terpisah oleh arus stator direct-axis (ids) dan arus quadratur-axis
(iqs) secara berurutan. Besar arus quadratur-axis referensi (i*qs) dapat dihitung dengan torsi referensi Te*
menggunakan persamaan berikut,
∗
2
2
3
�
= ∗ ∗
�
∗
�
∗
(11)
�∗
dengan Lr adalah induktansi rotor, Lm adalah induktansi mutual, dan λr adalah fluks linkage rotor estimasi, yang
diperoleh dari persamaan berikut,
Dengan� =
�
� =
�
(12)
1+�
adalah konstanta waktu rotor.
Besarnya arus direct-axis stator referensi
∗
=
�∗
∗
adalah tergantung dari input fluks referensi �∗ yaitu,
�
(13)
Sudut flux rotor θe untuk transformasi koordinat diperoleh dari perhitungan antara kecepatan putaran rotor ωm dan
kecepatan slip ωsl, dengan persamaan,
� =
(14)
+
kecepatan slip diperoleh dari perhitungan arus stator referensi
=
�
�∗
∗
�
∗
∗
∗
dengan parameter motor,
(15)
Arus referensi ∗ dan ∗ dikonversi ke dalam arus sefasa referensi ∗ , ∗ , ∗ yang akan menjadi input regulator
arus. Kemudian regulator arus akan memproses arus fasa referensi menjadi sinyal pemicuan yang akan mengontrol
inverter.
Transformasi Clarke
Transformasi Clarke atau yang juga sering disebut sebagai transformasi αβ merupakan transformasi sistem
tiga fasa (a,b,c) menjadi sistem dua fasa (α,β) yang stasioner. Jika dianggap arus a, b, dan c bernilai sesuai dengan
fungsi sinusoidal dan memiliki perbedaan fasa sebesar 120o satu sama lainnya, maka arus tiga fasa tersebut dapat
diubah kedalam dua fasa yang diam, yaitu sumbu α-β, atau sumbu α sebagai nilai real-nya, dan sumbu β sebagai
nilai imajinernya (kerangka referensi stator). Transformasi clarke dapat dilihat pada Gambar 1. berikut:
E-101
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
(a)
Arus
(b)
Gambar 6. a.Transformasi clarke, b.Transformasi park
pada Gambar 8a. diatas bila dinyatakan sebagai fungsi dari komponen tiga fasa adalah sebagai berikut:
240
120
0
(16)
+
+
=
dan dengan menggunakan identitas Euler
vector
ISSN 1412-9612
= cos
(
)+
(
)maka komponen
dan
dari
(dengan superscript s mengimplikasikan kerangka referensi stasioner/stator) dapat dinyatakan sebagai:
(17)
=
+
sehingga persamaan dalam bentuk matriks untuk mengubah komponen tiga fasa menjadi dua fasa, adalah sebagai
berikut:
1
1
(18)
−
2 1 −2
2
=
1
1
3
3 −
3
0
2
2
dengankonstanta
2
3
yang menunjukkansistempowerinvariant.
Transformasi Park merupakan transformasi sistem dua fasa stasioner, α dan β, menjadi sistem dua fasa yang
berputar, direct (d) dan quadrature (q) atau seringkali disebut transformasi dq. Dari gambar 8b di atas, hubungan
antara vector pada kerangka referensi stasioner dan vector pada kerangka referensi yang bergerak adalah:
−�
(19)
=
persamaan di atas dapat dijabarkan menjadi:
=
=
+
cos −� +
Atau bila persamaan di atas dinyatakan dalam matriks, maka:
�
�
=
− �
�
(−�
(20)
(21)
Transformasi Clarke di dalam field oriented control motor induksi digunakan untuk mentransformasikan arus
stator tiga fasa (ia, ib, danic) pada bidang stasioner (stationary reference frame) kearus stator orthogonal dua fasa
(iαdaniβ) pada bidang ortogonal (orthogonal reference frame). Sedangkan Transformasi Park digunakan untuk
mentransformasikan arus stator (iαdaniβ) kearus stator dua fasa (idsdaniqs) pada bidang putar (rotating reference
frame).
Kendali Proporsional-Integral(P-I)
Sistem kontrol PI terdiri dari dua buah cara pengaturan yaitu control P (Proportional) dan I (Integral),
dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam perancangan sistem kontrol PI yang perlu
dilakukan adalah mengatur parameter P dan I agar tanggapan sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu
sebagaimana yang diinginkan.
Kendali Proporsional
Kontrol P jika G (s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jikau = G(s) • emaka u = Kp • e dengan Kp adalah
Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja
kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini.
Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki
respon transien khususnya rise time dan settling time.
E-102
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
(a)
(b)
Gambar 7. a.Kendali P, b.Kendali I
Kendali Integratif
Jika G (s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u (t) = [integrale (t) dT] Ki dengan Ki adalah
konstanta Integral, dan dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai u = Kd. [deltae / deltat] Jika e(T)
mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error.
Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus
menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang
tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem.
Desain Sistem
Gambar8. Blok DesainSistem
Pada bagan di atas, dapat kita lihat bahwa arus stator direct-axis ∗ yang digunakan untuk penguatan flux
dibuat konstan yang kemudian dijadikan parameter untuk IFOC dan pembanding konstan pada slip. Kecepatan putar
rotor aktual secara kontinu dibaca oleh sensor kecepatan yang kemudian dibandingkan dengan kecepatan rotor
referensi. Nilai selisih antara kecepatan rotor aktual dan referensi kemudian dijadikan sebagai nilai error yang akan
diolah oleh kendali PI yang keluarannya berupa nilai arus quadratur-axis ∗ . Arus stator direct-axis ∗ dan nilai
arus quadratur-axis ∗ dengan metode IFOC ditransformasi menjadi arus sefasastasioner referensi ∗ , ∗ , ∗
yang diolah oleh PWM inverter menjadi arus 3 phase untuk menggerakkan motor induksi 3 phase.
Table1. parameter of induction motor
No.
Parameter
value
1.
Nominal power
3730 VA
2.
Voltage line-line
460 V
3.
Frequency
60 Hz
4.
Rotor resistance
0.816 ohm
5.
Mutual inductance
69.31e-3 H
Gambar 9. Blok proses IFOC
E-103
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Gambar 10. Kendali motor induksi yang hanya menggunakan IFOC
Gambar 11. Kendali kecepatan dengan Kendali PI
Gambar 12. IFOC dengan menggunakan kendali kecepatan PI pada motor induksi
Hasil dan Pembahasan
(a)
(b)
Gambar 13. a.Kecepatan rotor motor iduksi dengan referensi = 250 rpm, b.Kecepatan rotor motor iduksi dengan
referensi = 350 rpm
E-104
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Pada grafik gambar 13a, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 0,9s dengan nilai overshoot yang cukup besar dan osilasi yang banyak.Pada grafik
gambar 13b, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi membutuhkan
waktu sekitar 1,7s. Nilai overshoot yang cukup besar dan adanya osilasi saat mencapai referensi.
Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm, tanpa PI speed controller
Gambar 14. Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm
Pada grafik gambar 15, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 2,7s. Nilai overshoot yang cukup besar dan osilasi saat mencapai referensi.
Gambar 15. a.Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 250 rpm), b.Kecepatan rotor motor induksi dengan
referensi = 350 rpm)
Pada grafik gambar 16a, dapat kita lihat tidak terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai
referensi membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Overshoot tidak terjadi dan osilasi sangat kecil saat mencapai
referensi.Pada grafik gambar 16b, dapat kita lihat tidak terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai
nilai referensi membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Overshoot tidak ada dan nilai osilasi saat mencapai referensi
sangat kecil.
Gambar 16. Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm
Pada grafik di atas, dapat dilihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Nilai overshoottidak ada dannilai osilasi sangat kecil terjadi setelah kecepatan
motor mendekati referensi.
Analisa Hasil
pada grafik hasil simulasi dapat dilihat bahwa :
1. Penggunaan IFOC dapat digunakan sebagai pendekatan dalam hal pengaturan kecepatan motor induksi.
Dalam hal ini pendekatan yang dilakukan oleh IFOC hanya berfungsi untuk mengubah parameter nonlinier
(parameter motor ac) ke parameter linier (menyerupai motor dc), sehingga jika parameter motor induksi yang
tadinya non linier dapat diubah menjadi parameter linier, maka kecepatan motor induksi itu sendiri ikan lebih
mudah untuk dikendalikan sesuai dengan referensi yang diinginkan. Pada simulasi dapat dilihat bahwa saat
starting motor hingga mendekati referensi membutuhkan waktu yang cukup lama (0-2,7s) yang mengakibatkan
E-105
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
terjadinya osilasi saat akan mencapai nilai referensi. Saat kecepatan rerefensi 250 rpm, kecepatan aktual
sedikit melebihi nilai referensi dengan overshot yang cukup banyak.
2. Penggunaan kendali PI dapat membantu respon output menjadi lebih baik dengan waktu respon yang sangat
singkat (
ISSN 1412-9612
PENGEMBANGAN PI CONTROLLER SEBAGAI KENDALI RESPON
CEPAT PADA MOTOR INDUKSI 3 FASA BERBASIS INDIRECT FIELD
ORIENTED CONTROL (IFOC)
Rizana Fauzi1 , Dedid Cahya Happiyanto2, Indra Adji Sulistijono3
1
Teknik Mekanisasi Pengolahan, Politeknik Palu
Jl. Sinar Kemuning 1 No 1A Bumi Roviga Tondo, Palu, Sulawesi Tengah
2,3
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya (PENS)
Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111 Indonesia
Email: [email protected], [email protected],
Abstrak
Penelitian mengenai pengaturan kecepatan pada motor induksi 3 fasa semakin lama semakin
berkembang, dikarenakan penggunaan pada industri dan khususnya pada kendaraan hybrid semakin
banyak dikembangkan. Namun ada beberapa kelemahan motor induksiyang salah satunya adalah
karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang
bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan kecepatannya
secara konstan bila terjadi perubahan beban. Oleh karena itu untuk mendapatkan kecepatan yang
konstan dan performa sistem yang lebih baik terhadap perubahan beban dibutuhkan sebuah
pengontrol. Penelitian ini bertujuan untuk mengimplementasikan metode Indirect Field Oriented
Control (IFOC) dengan controller Proportional-Integral(PI) pada aplikasi kendali kecepatan motor
Induksi 3 phase dalam mengikuti kecepatan referensi dengan respon tercepat dan nilai osilasi
terkecil. Kendali Proportional-Integral(PI) yang digunakan merupakan sistem kendali klasik yang
mudah karena tidak perlu mencari model matematis dari sistem, tetapi tetap efektif karena memiliki
respon sistem yang cukup stabil, dengan mengatur kombinasi yang terbaik dari konstanta
proportional (Kp) dan konstanta Integrator (Ki). Pada hasil implementasi, dapat dilihat bahwa
penggunaan IFOC dapat digunakan sebagai pendekatan dalam hal pengaturan kecepatan motor
induksi. Pendekatan yang dilakukan oleh IFOC hanya berfungsi untuk mengubah parameter nonlinier
(parameter motor ac) ke parameter linier (menyerupai motor dc), sehingga mudah untuk
dikendalikan, dan dengan penggunaan kendali PI dapat membantu respon output menjadi lebih baik
dengan waktu respon yang lebih singkat untuk mencapai nilai referensi.
Kata kunci:Proportional-Integral, IFOC, motor induksi
Pendahuluan
Aplikasi motor induksi 3 fasasemakin lama semakin berkembang, dikarenakan kehandalannya pada
penggunaan di industri dan khususnya pada kendaraan hybrid semakinbanyakdikembangkan.Namun ada beberapa
kelemahan motor induksiyang salah satunya adalahkarakteristik parameter yang tidak linier, terutamaresistansi rotor
yang memiliki nilai yang bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan
kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban. Dikarenakan hal tersebut, untuk mendapatkan kecepatan
yang konstan dan performa sistem yang lebih baik terhadap perubahan beban dibutuhkan sebuah pengendali.
Gambar1.Karakteristik motor induksi
E-99
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Pada gambar 1, dapat dilihat ilustrasi pada motor induksi pada saat kecepatan rotor mulai nol hingga
kecepatan maksimalnya, untuk bergerak dengan kecepatan rendah, arus yang dibutuhkan sangat tinggi hingga
mencapai tujuh kali arus kerjanya, sedangkan saat kecepatannya mulai tinggi, arus yang dibutuhkan berkurang
hingga arus kerja normalnya.
Pada prinsipnya motor Induksi 3 phase bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk
menimbulkan gaya putar pada rotornya. Jikapada motor Induksi 1 phase untuk menghasilkan beda phase diperlukan
penambahan komponen kapasitor, pada motor 3 phase perbedaan phase sudah didapat langsung dari sumber seperti
terlihat pada gambar arus 3 phase berikut ini:
Gambar2.Grafikarus 3 fasa
Persamaan untuk pemodelan motor induksi, adalah sebagai berikut:
vs = R s is + λs + j e λs
+� + (
0=
� =�
� =�
=3
+�
−
)�
(1)
(2)
(3)
(4)
+�
(5)
� �2
2 �
Jika dipergunakan pengamatan konvensional, diperkirakan fluks stator dihitung berdasarkan persamaan motor
menggunakan integrator murni sebagai berikut:
−
=
(6)
(7)
−
=
Diperkirakan fluks rotor dihitung dari perkiraan stator fluks sebagai berikut:
r
=−
=−
L s L r −L 2m
Lm
� � −�2
�
is +
+
(8)
Lr
Lm
s
(9)
�
�
Perkiraan Sudut untuk fluks rotors diperoleh sebagai berikut.
r
=
dθ r
dt
where θr = tan−1
r
(10)
r
Sehingga untuk mendapatkan kecepatan yang konstan dan peformansi motor yang lebih baik pada kecepatan rendah,
dibutuhkan suatu metode pengontrolan yang mampu mengatasi setiap perubahan parameter pada motor induksi.
Pada gambar di atas, arus 3 phase memiliki perbedaan phase 60 derajat antar phasenya. Dengan perbedaan ini, maka
penambahan kapasitor tidak diperlukan. Konstruksi motor induksi secara detail terdiri atas dua bagian, yaitu : bagian
stator dan bagian rotor. Stator adalah bagian motor yang diam, terdiri dari : badan motor, inti stator, belitan stator,
bearing dan terminal box. Bagian rotor adalah bagian motor yang berputar, terdiri atas rotor sangkar dan poros rotor.
Konstruksi motor induksi tidak memiliki komutator dan sikat arang.Ada dua jenis rotor pada motor induksi, yaitu
jenis rotor sangkar tupai (sequirrel-cage rotor) dan rotor belitan (wound-rotor). Kedua rotor ini mempunyai
konstruksi stator dan prinsip kerja yang sama.
E-100
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Metode
Indirect Field Oriented Control (IFOC)
Indirect Field Oriented Control (IFOC) adalah suatu metode pengaturan medan pada motor AC, di mana dari
sistem coupled diubah menjadi sistem decoupled. Dengan sistem ini arus penguatan dan arus beban motor dapat
dikontrol secara terpisah, dengan demikian torsi dan fluksi juga dapat diatur secara terpisah, seperti halnya motor
DC. Pada IFOC yang diatur adalah banyaknya fluks yang akan berdampak langsung dengan perubahan kecepatan
pada motor induksi. Pengukuran besarnya fluks tidak diukur secara langsung, melainkan dapat diperkirakan dengan
perubahan nilai dari kecepatan rotor motor yang dimonitor oleh sensor rotari. Kecepatan motor
diumpanbalikkankemudiandibandingkandengankecepatanreferensiolehsuatukomparator.
Gambar 5. diagram blok pengaturan kecepatan motor induksi dengan IFOC[1]
Fluks rotor dan torsi dapat dikontrol secara terpisah oleh arus stator direct-axis (ids) dan arus quadratur-axis
(iqs) secara berurutan. Besar arus quadratur-axis referensi (i*qs) dapat dihitung dengan torsi referensi Te*
menggunakan persamaan berikut,
∗
2
2
3
�
= ∗ ∗
�
∗
�
∗
(11)
�∗
dengan Lr adalah induktansi rotor, Lm adalah induktansi mutual, dan λr adalah fluks linkage rotor estimasi, yang
diperoleh dari persamaan berikut,
Dengan� =
�
� =
�
(12)
1+�
adalah konstanta waktu rotor.
Besarnya arus direct-axis stator referensi
∗
=
�∗
∗
adalah tergantung dari input fluks referensi �∗ yaitu,
�
(13)
Sudut flux rotor θe untuk transformasi koordinat diperoleh dari perhitungan antara kecepatan putaran rotor ωm dan
kecepatan slip ωsl, dengan persamaan,
� =
(14)
+
kecepatan slip diperoleh dari perhitungan arus stator referensi
=
�
�∗
∗
�
∗
∗
∗
dengan parameter motor,
(15)
Arus referensi ∗ dan ∗ dikonversi ke dalam arus sefasa referensi ∗ , ∗ , ∗ yang akan menjadi input regulator
arus. Kemudian regulator arus akan memproses arus fasa referensi menjadi sinyal pemicuan yang akan mengontrol
inverter.
Transformasi Clarke
Transformasi Clarke atau yang juga sering disebut sebagai transformasi αβ merupakan transformasi sistem
tiga fasa (a,b,c) menjadi sistem dua fasa (α,β) yang stasioner. Jika dianggap arus a, b, dan c bernilai sesuai dengan
fungsi sinusoidal dan memiliki perbedaan fasa sebesar 120o satu sama lainnya, maka arus tiga fasa tersebut dapat
diubah kedalam dua fasa yang diam, yaitu sumbu α-β, atau sumbu α sebagai nilai real-nya, dan sumbu β sebagai
nilai imajinernya (kerangka referensi stator). Transformasi clarke dapat dilihat pada Gambar 1. berikut:
E-101
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
(a)
Arus
(b)
Gambar 6. a.Transformasi clarke, b.Transformasi park
pada Gambar 8a. diatas bila dinyatakan sebagai fungsi dari komponen tiga fasa adalah sebagai berikut:
240
120
0
(16)
+
+
=
dan dengan menggunakan identitas Euler
vector
ISSN 1412-9612
= cos
(
)+
(
)maka komponen
dan
dari
(dengan superscript s mengimplikasikan kerangka referensi stasioner/stator) dapat dinyatakan sebagai:
(17)
=
+
sehingga persamaan dalam bentuk matriks untuk mengubah komponen tiga fasa menjadi dua fasa, adalah sebagai
berikut:
1
1
(18)
−
2 1 −2
2
=
1
1
3
3 −
3
0
2
2
dengankonstanta
2
3
yang menunjukkansistempowerinvariant.
Transformasi Park merupakan transformasi sistem dua fasa stasioner, α dan β, menjadi sistem dua fasa yang
berputar, direct (d) dan quadrature (q) atau seringkali disebut transformasi dq. Dari gambar 8b di atas, hubungan
antara vector pada kerangka referensi stasioner dan vector pada kerangka referensi yang bergerak adalah:
−�
(19)
=
persamaan di atas dapat dijabarkan menjadi:
=
=
+
cos −� +
Atau bila persamaan di atas dinyatakan dalam matriks, maka:
�
�
=
− �
�
(−�
(20)
(21)
Transformasi Clarke di dalam field oriented control motor induksi digunakan untuk mentransformasikan arus
stator tiga fasa (ia, ib, danic) pada bidang stasioner (stationary reference frame) kearus stator orthogonal dua fasa
(iαdaniβ) pada bidang ortogonal (orthogonal reference frame). Sedangkan Transformasi Park digunakan untuk
mentransformasikan arus stator (iαdaniβ) kearus stator dua fasa (idsdaniqs) pada bidang putar (rotating reference
frame).
Kendali Proporsional-Integral(P-I)
Sistem kontrol PI terdiri dari dua buah cara pengaturan yaitu control P (Proportional) dan I (Integral),
dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam perancangan sistem kontrol PI yang perlu
dilakukan adalah mengatur parameter P dan I agar tanggapan sinyal keluaran system terhadap masukan tertentu
sebagaimana yang diinginkan.
Kendali Proporsional
Kontrol P jika G (s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jikau = G(s) • emaka u = Kp • e dengan Kp adalah
Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat) saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja
kontroler. Penggunaan kontrol P memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini.
Walaupun demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu untuk memperbaiki
respon transien khususnya rise time dan settling time.
E-102
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
(a)
(b)
Gambar 7. a.Kendali P, b.Kendali I
Kendali Integratif
Jika G (s) adalah kontrol I maka u dapat dinyatakan sebagai u (t) = [integrale (t) dT] Ki dengan Ki adalah
konstanta Integral, dan dari persamaan di atas, G(s) dapat dinyatakan sebagai u = Kd. [deltae / deltat] Jika e(T)
mendekati konstan (bukan nol) maka u(t) akan menjadi sangat besar sehingga diharapkan dapat memperbaiki error.
Jika e(T) mendekati nol maka efek kontrol I ini semakin kecil. Kontrol I dapat memperbaiki sekaligus
menghilangkan respon steady-state, namun pemilihan Ki yang tidak tepat dapat menyebabkan respon transien yang
tinggi sehingga dapat menyebabkan ketidakstabilan sistem.
Desain Sistem
Gambar8. Blok DesainSistem
Pada bagan di atas, dapat kita lihat bahwa arus stator direct-axis ∗ yang digunakan untuk penguatan flux
dibuat konstan yang kemudian dijadikan parameter untuk IFOC dan pembanding konstan pada slip. Kecepatan putar
rotor aktual secara kontinu dibaca oleh sensor kecepatan yang kemudian dibandingkan dengan kecepatan rotor
referensi. Nilai selisih antara kecepatan rotor aktual dan referensi kemudian dijadikan sebagai nilai error yang akan
diolah oleh kendali PI yang keluarannya berupa nilai arus quadratur-axis ∗ . Arus stator direct-axis ∗ dan nilai
arus quadratur-axis ∗ dengan metode IFOC ditransformasi menjadi arus sefasastasioner referensi ∗ , ∗ , ∗
yang diolah oleh PWM inverter menjadi arus 3 phase untuk menggerakkan motor induksi 3 phase.
Table1. parameter of induction motor
No.
Parameter
value
1.
Nominal power
3730 VA
2.
Voltage line-line
460 V
3.
Frequency
60 Hz
4.
Rotor resistance
0.816 ohm
5.
Mutual inductance
69.31e-3 H
Gambar 9. Blok proses IFOC
E-103
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Gambar 10. Kendali motor induksi yang hanya menggunakan IFOC
Gambar 11. Kendali kecepatan dengan Kendali PI
Gambar 12. IFOC dengan menggunakan kendali kecepatan PI pada motor induksi
Hasil dan Pembahasan
(a)
(b)
Gambar 13. a.Kecepatan rotor motor iduksi dengan referensi = 250 rpm, b.Kecepatan rotor motor iduksi dengan
referensi = 350 rpm
E-104
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
Pada grafik gambar 13a, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 0,9s dengan nilai overshoot yang cukup besar dan osilasi yang banyak.Pada grafik
gambar 13b, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi membutuhkan
waktu sekitar 1,7s. Nilai overshoot yang cukup besar dan adanya osilasi saat mencapai referensi.
Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm, tanpa PI speed controller
Gambar 14. Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm
Pada grafik gambar 15, dapat kita lihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 2,7s. Nilai overshoot yang cukup besar dan osilasi saat mencapai referensi.
Gambar 15. a.Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 250 rpm), b.Kecepatan rotor motor induksi dengan
referensi = 350 rpm)
Pada grafik gambar 16a, dapat kita lihat tidak terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai
referensi membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Overshoot tidak terjadi dan osilasi sangat kecil saat mencapai
referensi.Pada grafik gambar 16b, dapat kita lihat tidak terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai
nilai referensi membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Overshoot tidak ada dan nilai osilasi saat mencapai referensi
sangat kecil.
Gambar 16. Kecepatan rotor motor induksi dengan referensi = 450 rpm
Pada grafik di atas, dapat dilihat terjadi osilasi saat start, waktu dari start hingga mencapai nilai referensi
membutuhkan waktu sekitar 0,005s. Nilai overshoottidak ada dannilai osilasi sangat kecil terjadi setelah kecepatan
motor mendekati referensi.
Analisa Hasil
pada grafik hasil simulasi dapat dilihat bahwa :
1. Penggunaan IFOC dapat digunakan sebagai pendekatan dalam hal pengaturan kecepatan motor induksi.
Dalam hal ini pendekatan yang dilakukan oleh IFOC hanya berfungsi untuk mengubah parameter nonlinier
(parameter motor ac) ke parameter linier (menyerupai motor dc), sehingga jika parameter motor induksi yang
tadinya non linier dapat diubah menjadi parameter linier, maka kecepatan motor induksi itu sendiri ikan lebih
mudah untuk dikendalikan sesuai dengan referensi yang diinginkan. Pada simulasi dapat dilihat bahwa saat
starting motor hingga mendekati referensi membutuhkan waktu yang cukup lama (0-2,7s) yang mengakibatkan
E-105
Simposium Nasional RAPI XIII - 2014 FT UMS
ISSN 1412-9612
terjadinya osilasi saat akan mencapai nilai referensi. Saat kecepatan rerefensi 250 rpm, kecepatan aktual
sedikit melebihi nilai referensi dengan overshot yang cukup banyak.
2. Penggunaan kendali PI dapat membantu respon output menjadi lebih baik dengan waktu respon yang sangat
singkat (