Pengaturan kecepatan motor induksi pada indirect vector control dengan beban yang berubah-ubah menggunakan Fuzzy PI Controller

Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3 fasa Untuk penggerak elektrik mobil listrik dengan Inverter Space Vector Pulse Width Modulation Menggunakan Fuzzy PI ControllerCalon Dosen Pembimbing:Dr. Ir Mochammad RameliIr. Rusdhianto Effendi A.K, MT Muhamad Yusuf 2211202004

RISET LABORATORIUM 2Overview10/15/20122Proposal Thesis2Latar Belakang (1)Pada sektor industri terdapat sekitar 75% total energi listrik yang diserap oleh motor-motor listrik dan dari 90% nya berupa motor-motor induksi.Salah satu jenis motor induksi adalah type squirrel cage (sangkar tupai), memiliki beberapa kelebihan bila dibandingkan motor DC.Perawatannya mudah, handal, harganya murah dan memiliki efisiensi yang tinggi, tetapi memerlukan teknik pengaturan yang agak rumit [1].

10/15/20123Proposal Thesis3Latar Belakang (2)Motor induksi banyak diaplikasikan dalam bidang HVAC (Heating, Ventilation and Air-Conditioning), Industrial drives (motion control, Robotic), Automotive (Electric Vehicle) dll. Secara konvensional motor induksi dioperasikan pada kecepatan yang konstan sesuai dengan frekuensi sumber tegangan motor induksi.Pengaturan variabel kecepatan pada motor induksi jauh lebih sulit dari pada motor DC, karena tidak ada hubungan yang linear antara arus motor dan torsi yang dihasilkan. 10/15/20124Proposal ThesisLatar Belakang (3)Secara umum pengaturan kecepatan pada motor induksi squirrel cage ada 2 (dua) pengaturan variabel tegangan terminal dan pengaturan variabel frekuensi[1].Suatu metode yang kemudian disebut sebagai vector control digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi pada rentang kecepatan yang besar serta presisi dan respon yang cepat.Banyak penelitian yang dilakukan oleh [3,4,5,7] untuk menyederhanakan struktur pengaturan motor induksi dengan menggunakan transformasi koordinat dan pemisahan (decoupling) elemen torsi dan flux yang dihasilkan oleh motor induksi

10/15/20125Proposal ThesisLatar Belakang (4)Biranchi et al [4] Melakukan penelitian tentang kecepatan motor induksi dengan indirect vector control menggunakan fuzzy logic controller, kemudian hasilnya dibandingkan dengan pengaturan menggunakan PI controller Kontroller yang digunakan Fuzzy logic controller memiliki time settling (0,35 detik) dan dengan PI Controller memiliki time settling (0,65 detik) Tidak memperhitungkan perubahan beban pada saat kondisi steady state atau beban diangggap konstan 10/15/20126Proposal ThesisBerkembang pula metode direct vector control yang telah dilakukan oleh Yuksel O dan Dede M [8] penelitiannya mengatur kecepatan motor induksi tanpa menggunakan sensor kecepatan, dengan melakukan estimasi kecepatan berdasarkan besarnya flux rotor dengan menggunakan artificial neural network Metode ini dapat mengatur kecepatan motor induksi dengan baikSensor flux yang diletakkan pada celah udara pada rangkaian stator ini akan mudah rusak dan tidak tahan terhadap panas yang dihasilkan oleh motor saat bekerjaLatar Belakang (5)10/15/20127Proposal ThesisR. Arulmozhiyal et al [5] menggunakan fuzzy logic controller untuk pengaturan kecepatan motor induksi menggunakan inverter tegangan type space vector pulse width modulation (SVPWM)Hasilnya dibandingkan dengan konvensional PI controller ternyata dengan menggunakan fuzzy PI controller dapat menjaga kecepatan motor dengan konstan walaupun diberikan beban yang berubah-ubah.

Latar Belakang (6)10/15/20128Proposal ThesisMotor induksi juga digunakan dalam bidang otomotif sebagai salah satu alternatif pengganti mobil berbahan bakar minyak motor induksi sebagai penggeraknyaEra P. et al [3] melakukan penelitian pada inverter fuzzy logic controller sebagai penggerak mobil listrik dengan metode kontrol vektorPenelitian ini dilakukan untuk memperbaiki proses switching dari inverter dengan menggunakan fuzzy logic controller Hasilnya kemudian dibandingkan menggunakan dengan switching inverter konvensional Latar Belakang (7)10/15/20129Proposal ThesisDengan inverter konvensional memiliki waktu naik 0.01 detik dengan setling time 0.02 detik dengan kesalahan tunak sekitar 10 rpmDengan SVPWM Tanpa terjadi overshoot dengan waktu naik 0.002 detik, setling time 0.003 detik dan kesalahan tunak sekitar 2 rpmTidak dilakukan pengujian dengan beban yang berubah-ubah dan apakah bisa skema tersebut diterapkan pada kondisi regeratif braking/ pengereman pada motor induksi. Latar Belakang (8)10/15/201210Proposal ThesisPenelitian LanjutanDari beberapa referensi paper diatas diambil ide penelitian lanjutan tentang aplikasi penggerak elektrik pada mobil listrik dengan penambahan kondisi beban berubah-ubah yang disebabkan karena gaya gesek roda dengan jalan yang berubah-ubah sehingga kecepatan motor juga berubah-ubah dan pemanfaatan regenerative braking untuk pengereman mobil listrik dengan menggunakan kontroller fuzzy PI pada indirect vector control. 10/15/201211Proposal ThesisRumusan MasalahBagaimana merancang sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa yang diterapkan untuk penggerak elektrik mobil listrik pada kondisi beban yang berubah-ubah saat akselerasi yang diakibatkan gesekan roda dengan jalan yang berubah-ubah karena perubahan jenis jalan agar didapatkan kecepatan yang stabil 10/15/201212Proposal ThesisBatasan Masalah Parameter yang dihasilkan oleh dinamika mobil dianggap konstan. Gangguan hanya berasal dari perubahan beban pada motor.

10/15/201213Proposal ThesisTujuanMerancang sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa untuk penggerak mobil elektrik dengan inverter space vector pulse width modulation menggunakan fuzzy PI controller pada beban yang bervariasi dengan kesalahan tunak dibawah 5 (lima) rpm.10/15/201214Proposal ThesisKontribusi Merancang kontroller fuzzy PI controller untuk pengaturan variabel speed drive pada motor induksi untuk penggerak mobil elektrik dengan beban berubah-ubah pada saat akselerasi. 10/15/201215Proposal ThesisMetodologiIdentifikasi parameter-parameter motor induksi Melakukan transformasi koordinat pada model motor induksiPerancangan system dan controllerPengujian dan analisa performa skema kontroller yang diterapkan Menarik kesimpulan10/15/201216Proposal ThesisMotor Induksi Kumparan pada rotor tidak terhubung secara langsung dengan sumber, tetapi tegangan pada kumparan rotor diberikan melalui proses induksi, sehingga model dari motor induksi bisa menggunakan rangkaian ekivalen transformator dengan menggunakan referensi koordinat d-q Keunggulan dari model ini motor induksi tiga fasa memiliki sifat menyerupai motor DC Analisis tersebut meliputi tegangan stator dan tegangan rotor, fluks stator dan fluks rotor, serta torsi elektromagnetik dari motor induksi10/15/201217Proposal ThesisModel Motor Induksi

Gambar 2.2. Rangkaian ekivalen dq motor induksi 3 fasa10/15/201218Proposal ThesisParameter motor induksi dalam referensi d-q Parameter-parameter motor induksiVqs, Vds: tegangan stator pada sumbu dq (Volt)Vqr, Vdr: tegangan rotor pada sumbu dq (Volt)iqs, ids: arus stator pada sumbu dq (Ampere)iqr, idr: arus rotor pada sumbu dq (Ampere)qs, ds: fluks stator pada sumbu dq (Webber)qr, dr: fluks rotor pada sumbu dq (Webber)Rs: tahanan stator (Ohm)Rr: tahanan rotor (Ohm)Lls: induktansi diri stator (Henry)Llr: induktansi diri rotor (Henry)LM: induktansi mutual (Henry)

10/15/201219Proposal ThesisInverter Space Vector Pulse Width ModulationPrinsip Inverter adalah mengubah (Listrik AC) menjadi DC dan kemudian dijadikan AC lagi dengan frekuensi yang dikehendakiInverter memiliki 3 (tiga) bagian utama yaitu:Konverter adalah bagian yang merubah Listrik AC ke DCFilder DC adalah penghalus ripel AC pada output DCInverter adalah untuk menghasilkan listrik AC dari DC dengan pengubahan parameter yang diinginkan

10/15/201220Proposal ThesisSkema dasar inverter SVPWM 3 fasaR. Arulmozhiyal et al [5] dalam penelitiannya menggunakan inverter SVPWM dengan diagram dasar inverter sebagai berikut.

Gambar 2.3 Tipe inverter sumber tegangan 3 fasa10/15/201221Proposal Thesis21Diagram vektor dan tabel switching inverter

NamaABCVAnVBnVCnV0000000V11002VDC/3-VDC/3-VDC/3V2110VDC/3VDC/3-2VDC/3V3010-VDC/32VDC/3-VDC/3V4011-2VDC/3VDC/3VDC/3V5001-VDC/3-VDC/32VDC/3V6101VDC/3-2VDC/3VDC/3V7111000Tabel 2.1 Hasil dari inverter switching stateGambar 2.5 Pengaturan tegangan penyalaan pada inverter

10/15/201222Proposal ThesisIndirect Vector ControlDengan metode pengaturan vector diharapkan karakterisik motor induksi dapat diubah seperti karakteristik motor DC penguat terpisah

Gambar 2.6 Karakteristik torsi terhadap kecepatan pada beberapa motor listrik10/15/201223Proposal ThesisTransformasi koordinatEra P et al [3] menggunakan transformasi Park untuk mentransformasi tegangan tiga fase ke koordinat d-q menggunakan persamaan berikut.

formasi abc ke (Transformasi Clarke):

10/15/201224Proposal ThesisFuzzy Logic ControllerFuzzy logic control adalah salah kontroler yang memiliki keunggulan tersendiri dalam menghadapi sistem nonlinier yang kompleks dan memiliki ketidakpastian yang sulit dimodelkan. Skema dasar Fuzzy Logic controller adalah sebagai berikut.

10/15/201225Proposal ThesisBiranchi Narayan et al [4] dalam penelitiannya menggunakan skema Fuzzy PI controller untuk pengaturan kecepatan motor induksi dengan beban yang bervariasi

10/15/201226Proposal ThesisPerancangan Sistem Diagram Block Sistem

10/15/201227Proposal ThesisBlock Diagram Controller

10/15/201228Proposal ThesisBagian-bagian pengaturan vektorForward dan inverse Clarke transformationmengkonversi sumber dengan referensi tiga fasa (a,b,c) menjadi sumber dengan referensi dua fasa sistem koordinat (,)

Dimana k=2/3 adalah konstanta transformasi

10/15/201229Proposal ThesisForward and inverse park TransformationTransformasi Park adalah transformasi dari sistem koordinat stationer (,) ke dalam sistem koordinat putar (d-q).

10/15/2012Proposal Thesis30

Rotor flux calculationuntuk mengetahui kecepatan rotor, arus dan tegangan stator, Karena rotor tidak mendapat sumber secara langsung, tetapi dengan diinduksi oleh stator

10/15/2012Proposal Thesis31

Decoupling Circuituntuk memisahkan komponen isd (flux rotor) dan isq (torque) agar perubahan salah satu dari parameter ini tidak mempengaruhi parameter yang lain

10/15/2012Proposal Thesis32

Dengan cara seperti ini pengaturan ini model nonlinear motor dapat diubah menjadi persamaan linear sehingga dapat dikendalikan dengan pengaturan linear seperti PI dan PID

Space Vector Pulse Width ModulationProsedur desain svpwmMenentukan V, V, Vref dan besar sudut Menentukan rentang waktu T1, T2 dan T0Menentukan lama waktu pensaklaran dari tiap transistor

Tabel 3.1 Rumus lama waktu pensaklaran untuk tiap sektor

10/15/201233Proposal ThesisFuzzy PI controller R. Arulmozhiyal et al [5] menggunakan skema Fuzzy PI controller sebagai berikut.10/15/201234Proposal Thesis

Regeneratif BrakingProses ini digunakan untuk mereduksi kecepatan motor induksi pada proses pengeremen dan menyimpan energi regeneratif pada capasitor 10/15/2012Proposal Thesis35

Algoritma Perancangan10/15/2012Proposal Thesis36

Jadwal PengerjaanNoAktivitasBulanIIIIIIIVVVI1Mempelajari teori vector control dan 2Mempelajari Matlab/Simulink3Memodelkan motor induksi4Perancangan sistem5Simulasi kontroler pada suspensi6Analisa dan Kesimpulan7Penulisan buku10/15/2012Proposal Thesis37Tabel 4.1 Alokasi Waktu Pengerjaan Thesis.Referensi Gopal K. Dubey (1989), Power Semiconductor Controlled Drives , Prentice-Hall International Boldea ion, Nasar S.A, (1999) Electric Drives, CRC Press LLC Purwanto Era, Ashary M, (2008) Pengembangan inverter fuzzy logic control untuk pengendalian motor induksi sebagai penggerak mobil listrik dengan metoda vector kontrol Teknik Elektro, FTI ITS, Makara Teknologi.Biranchi Narayan Kar, K.B. Mohanty, (2011) Indirect Vector Control of Induction Motor Using Fuzzy Logic Controller Department of Electrical Engineering, National Institute of Technology, Rourkela, IEEER. Arulmozhiyal, K. Baskaran (2009) Space Vector Pulse Width Modulation Based Speed Control of Induction Motor using Fuzzy PI Controller, IEEE International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 1, No. 1, April 2009 Jaroslav Lepka, Petr Stekl (2005), 3-Phase AC Induction Motor Vector Control Using a 56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device, Freescale SemiconductorPaladugu Anitha, H Badrul. Chowdhury (2007), Sensorless control of inverter-fed induction motor drives, Electrical & Computer Engineering Department, University of Missouri-Rolla, Electric Power Systems Research 77 Hal 619629Yuksel Oguz, Mehmet Dede (2010), Speed estimation of vector controlled squirrel cage asynchronous motor with artificial neural networks, Department of Electrical Education, Faculty of Technical Education, Afyon Kocatepe University, Afyonkarahisar, Turkey, Energy Conversion and Management 52 Hal 675686.Kaoru Inoue, Kenji Ogata, Toshiji Kato (2008), An Eficient Induction Motor Drive Method with a Regenerative Power Storage System Driven by an Optimal Torque Department of Electrical Engineering, Doshisha University, Kyotanabe, Kyoto 610-0321, JAPAN

10/15/201238Proposal Thesistext

Text

Text

Rs

VDC2

VDC2

0

Motor Induksi 3 fasa

Z

Z

Z

N

c

b

a

a

b

c

A

B

C

Inverter

IM 3 f

Beban

VDC

Mikrkontroller

Pengkondisian Sinyal

Sensor Kecepatan

-

+

Driver

Setpoint Kecepatan

Pengkondisian sinyal I to V

a

Sensor Arus

b

c

Inverter

Forward Clarke Transformation

isa

Forward Park Transformation

IM 3 f

PI Controller /Torque Control

PI Conttroller / flux control

Fuzzy Logic Controller

Decoupling

ia

ib

ic

iqs

ids

Invers Park Transformation

Space Vector Pulse width Modulation

Vsa

Vsb

-

+

-

+

+

-

Vqs

Vds

Pwm a

Pwm b

Pwm c

Beban

Sensor Kecepatan

Setpoint Torque

Setpoint Speed

VDC

Rotor flux calculation

isb

Rotor position

yRd

Mulai

Penentuan Parameter motor induksi

Pemisahan komponen flux dan torsi

Perancangan SVPWM

Perancangan PI kontroller Flux dan torsi

Kontroller memuaskan?

Perancangan Kontroller kecepatan (fuzzy logic controller)

Kontroller memuaskan?

Berikan variasi beban

Performansi Memuaskan?

Selesai

1

1

Y

T

Y

T

Y

T