PERANCANGAN RANGKAIAN KONTROL KECEPATAN MOTOR

Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
PERANCANGAN RANGKAIAN KONTROL KECEPATAN MOTOR INDUKSI AC
TIGA PHASA MENGGUNAKAN METODE SPACE VECTOR DAN KENDALI V/f
KONSTAN BERBASIS MICROCONTROLLER AVR TIPE ATMEGA16
1
Slamet, 2Feri Yusivar
1
2
Penulis, Mahasiswa S-2 Teknik Elektro – UI, Depok, [email protected]
Dosen Pembimbing, Staff Pengajar pada Jurusan Teknik Elektro – UI, [email protected]
Depok 16424, Indonesia
ABSTRAK
Dalam tesis ini diuraikan tentang perancangan rangkaian kontrol kecepatan motor
induksi AC tiga fasa menggunakan algoritma space vector dan pengendali PI dengan metode
v/f konstan berbasis microcontroller AVR tipe Atmega16.Dalam penelitian ini dicoba aplikasi
metode V/f konstan untuk optimasi parameter-parameter dalam pengendali PI (Proportional
integral) untuk mengatur kecepatan motor induksi AC tiga fasa tanpa beban. Dalam
percobaan, digunakan sensor kecepatan dari motor dc 12 volt yang difungsikan sebagai
generator yang dihubungkan kerangkaian op-amp. Keluaran tegangan Op-Amp dihubungkan
ke ADC microcontroller sebagai sinyal feedback dari kecepatan aktual motor AC tiga fasa.
Sebagai pengendali PI digunakan microcontroller ATMega16 untuk mencari watak kalang
terbuka motor induksi ac tiga fasa. Kemudian secara empiris dicari fungsi alih motor tersebut.
Setelah didapatkan kemudian ditentukan spesifikasi kinerja sistem kendali PI pada motor AC
tiga fasa untuk menentukan besaran Kp, Ki, θ, dan τ untuk kemudian diaplikasikan ke sistem
tersebut. Pengujian dilakukan untuk setpoint bermanufer dari 480 rpm ke 1080 rpm,
kemudian dari 1200 rpm ke 480 rpm. Berdasarkan hasil penelitian menunjukkan bahwa
sistem kendali PI untuk kecepatan motor AC tiga fasa dapat dikendalikan untuk mencapai
kondisi stabil, jika manuver set point di bawah spesifikasi kinerja kecepatan nominal motor
AC tiga phasa yaitu 900 rpm.
Kata Kunci : Space Vector, microcontroller, V/f konstan, PI(Proportional Integral)
1. PENDAHULUAN
Motor AC memiliki keunggulan
dalam hal kesederhanaan dan murahnya
biaya perawatan sehingga jenis motor ini
banyak dipakai di lingkungan industri
maupun rumah tangga. Pengendalian
kecepatan putaran motor AC dapat
dilakukan dengan beberapa cara diantaranya
dengan kendali tegangan dan frekuensi
yang dikenal dengan kendali V/f konstan.
Keuntungan dari metode kendali V/f
konstan adalah memiliki struktur kendali
yang sederhana, mudah dan cepat
diprogram serta dapat dioperasikan dengan
metode kendali loop terbuka tanpa
pengendali
kecepatan
atau
dengan
pengendali kecepatan, sehingga secara
ekonomis lebih murah.
Metode untuk mengkodekan sinyal
analog menjadi durasi lebar pulsa dengan
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)
logika high dan low tersebut adalah Space
Vector
PWM.
Dalam
perancangan
rangkaian kontrol kecepatan diharapkan
dapat mengatur kecepatan motor induksi
AC tiga fasa dengan putaran yang lebih
halus (smooth) dan diharapkan kecepatan
motor dapat mengikuti kecepatan acuannya.
2. DASAR TEORI
Prinsip kerja motor induksi tiga fasa
berdasarkan induksi elektromagnetis. Jika
kumparan stator diberi tegangan sinusoida
tiga fasa maka arus akan mengalir yang
memiliki beda fasa 120° tiap fasanya pada
kumparan tersebut dan menimbulkan medan
magnet putar dengan kecepatan putar
sinkron. Hubungan antara kecepatan medan
magnet putar (rpm) dengan frekuensi
tegangan stator dapat dirumuskan sebagai
berikut :
307
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
ns =
120 f s
P
(1)
dengan : ns = Kecepatan medan magnet
putar stator(rpm)
f s = frekuensi tegangan stator
P = Jumlah kutub motor induksi
Garis – garis gaya fluks stator tersebut akan
berputar memotong penghantar-penghantar
rotor sehingga pada penghantar-penghantar
tersebut timbul GGL atau tegangan induksi.
Arus yang mengalir pada penghantar rotor
tersebut berada dalam medan putar stator
sehingga menghasilkan gaya-gaya yang
berpasangan dan berlawanan arah. Gaya –
gaya tersebut akan menimbulkan torsi yang
cenderung memutar rotor sehingga rotor
akan berputar dengan kecepatan nr.
Perbedaan putaran relatif antara rotor dan
stator disebut Slip. Slip yang timbul karena
perbedaan kecepatan medan putar stator
dengan kecepatan putaran rotor dapat
dinyatakan dengan persamaan sebagai
berikut :
n − nr
(2)
S= s
ns
dengan : S = Slip
ns = Kecepatan medan putar stator
nr = Kecepatan putar rotor
Pada saat rotor diam maka frekuensi rotor
(fr) sama dengan frekuensi stator (fs). Pada
saat rotor berputar maka frekuensi rotor
akan dipengaruhi oleh slip yang mengikuti
persamaan 2.3 di bawah ini :
fr = S. fs
(3)
Suatu motor induksi tiga fasa dapat diwakili
oleh suatu rangkaian ekivalen satu fasa
seperti ditunjukkan pada gambar 1. di
bawah ini.
dari kumparan stator dalam satuan Ω.
Sedangkan V1 adalah tegangan masukan
efektif ke kumparan stator.
3. PENALAAN PENGENDALI
KECEPATAN
Penalaan atau tuning adalah prosedur
untuk menyetel parameter kontroler
berumpan – balik untuk mendapatkan
respon lup tertutup yang ditentukan. Dalam
penalaan
pengendali
kecepatan
ini
menggunakan
pengendali
PI
yang
merupakan dari dua unit control, yaitu P
dan I. Sifat pengendali P yang selalu
meninggalkan offset dapat ditutupi oleh
kelebihan I, sedangkan sifat pengendali I
yang lambat dapat ditutupi oleh pengendali
P, sehingga pengendalian PI diharapkan
akan mampu menghasilkan response yang
lebih cepat dari pengendalian integral
sekaligus mampu menghilangkan offset
yang ditinggalkan pengendalian P. Untuk
menentukan nilai Kp dan Ki dilakukan
dengan pengujian menggunakan sinyal unit
step dengan langkah-langkah sebagai
berikut :
Kontroller disetting manual, kemudian
menganalisa perubahan step pada sinyal
keluaran.
Mencatat respon sinyal keluaran
transmitter Δ .
Sedangkan untuk acuan dalam menentukan
nilai Kp dan Ki digunakan Tuning Charts
for PI Feedback Controllers seperti yang
ditunjukkan pada gambar 3, sedangkan
untuk menentukan dead time dan time
constant sebagai acuannya menggunakan
gambar 4 dan 5.
R2
s
Gambar 1.
Rangkaian Ekivalen satu fasa motor induksi
Parameter-parameter motor tersebut adalah
hambatan stator R1, reaktansi stator X1,
hambatan rotor R2, reaktansi rotor X2,
hambatan inti Rm dan reaktansi inti Xm,
Kesemuanya merupakan nilai-nilai dilihat
308
(T. Marlyn)
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
tegangan yang mendekati dengan nilai
aktualnya.
Gambar 3.
Respon step lup terbuka
Kp = Δ /δ
τ = 1.5(t63% − t28% )
θ = t63% − τ
(4)
(5)
VAB _ rms =
(6)
(7)
2
0.9*110
2
= 70 Volt
VAB _ rms =
dengan
Kp : Proportional gain
τ : Time cons tan t
θ : Dead Time
M I Vdc
VAB
dimana MI adalah indeks modulasi 90%
Gambar 6.
Sinyal PWM_AB
4.2.
Hasil pengujian sistem kendali
kecepatan motor induksi AC tiga
fasa terhadap kenaikan frekuensi
secara bertahap dari frekuensi 10
Hz sampai 125 Hz.
⎛ θ ⎞
Fraction dead time ⎜
⎟
⎝ θ +τ ⎠
Gambar 4.
Diagram tuning PI untuk mencari nilai Kc
K ecepatan(R pm )
2500
2000
1500
1000
500
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90 100 110 125
frekuensi(Hz)
⎛ θ ⎞
Fraction dead time ⎜
⎟
⎝ θ +τ ⎠
Gambar 7.
Grafik kecepatan motor dengan frekuensi
masukan
Gambar 5.
Diagram tuning PI untuk mencari nilai Ki
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)
4
Tegangan(Volt)
.
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1.
Hasil pengujian sinyal pwm antar
fasa dari keluaran inverter tiga
fasa dengan frekuensi 50Hz,
Amplitudo 90%, dan frekuensi
Carrier
490Hz dengan beban
lampu 5 watt.
Pada gambar 6. ditunjukkan bahwa
VAB adalah tegangan antar fasa inverter.
Hasil aktual pengukuran tegangan antar fasa
inverter adalah 66 Vac. Sedangkan Vdc
adalah tegangan sumber yang berasal dari
rectifier. Dimana tegangan sumber adalah
110 Vac dari tegangan jala-jala 220 Vac
yang di step down . Jika dilakukan
perhitungan manual dengan mengikuti
persamaan (7) [15], maka akan didapat nilai
5
4.5
3.5
3
2.5
2
1.5
1
0.5
0
224
380
488
590
745
840
986
1173 1344 1590 1850 1940
Kecepatan(rpm)
Gambar 8.
Grafik kecepatan motor dengan tegangan
masukan
Dari hasil pengukuran kecepatan motor
terhadap frekuensi dan tegangan masukan
mempunyai hubungan berbanding lurus
dengan kecepatan motor. Tegangan
minimal yang mampu menggerakkan motor
AC 3 fasa sebesar 0.4 Volt dari set point
yang bersal dari potensiometer dengan
kecepatan minimal untuk start awal putar
motor sebesar 224 rpm. Kecepatan
309
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
maksimal terjadi pada tegangan dan
frekuensi maksimal sekitar 4.32 volt dan
125 Hz.
4.3. Pengujian
sistem
kendali
kecepatan motor induksi AC tiga
fasa dengan sistem lup terbuka
atau tanpa pengendali untuk
menentukan besaran PI yaitu Kp,
dan Ki.
Plant yang digunakan dalam tesis
ini adalah sebuah motor induksi AC tiga
fasa
yang dilengkapi dengan sensor
kecepatan. Kedua komponen tersebut
digunakan untuk mencari tanggapan kalang
terbuka dari motor induksi AC tiga fasa
tanpa beban. Pengujian plant ini dilakukan
dengan menggerakkan motor induksi AC
tiga fasa dengan membuat program untuk
mengirimkan data PWM dan menghitung
kecepatan motor AC yang dihasilkan
sampai nilai PWM maksimal. Pengujian ini
dilakukan untuk mengetahui hubungan
antara kecepatan motor dengan frekuensi
masukan yang berfungsi sebagai setpoint
dalam pengaturan kecepatan motor.
Pengambilan data respon terbuka bertujuan
untuk identifikasi plant dan mengetahui
perilaku sistem tanpa pengontrol seperti
grafik yang ditunjukkan pada gambar 8. di
bawah ini.
diperoleh adalah :
τ = Time Cons tan t
θ = Dead Time
Maka nilai K p =
Δ
δ
=
τ = 1.5(t 63% − t 28%)
2.6
= 1.3
2
= 1.5(4-2)
= 1.5(2)
= 3 detik
θ = t 63% − τ
( dead time)
= 4-3
= 1 detik
Dari hasil respon tersebut, maka fungsi alih
dari sistem pengendali kecepatan motor AC
tiga fasa didapat dengan persamaan fungsi
alih sebagai berikut.
Y ( s ) K p e −θ s
=
sehingga didapat
X ( s) τ s + 1
TF =
Y ( s ) 1.3e − s
=
X ( s ) 3s + 1
Untuk merancang sistem pengendali
kecepatan motor induksi AC tiga fasa,
sebagai acuannya digunakan gambar 3.17
untuk menentukan nilai Kc dan 3.18 untuk
menentukan nilai Ki yang berdasarkan
diagram tuning PI controller sebagai tabel
dalam pengambilan data besaran PI yaitu
nilai Kc yang di dapat dari perpotongan titik
temu antara besaran KcKp terhadap fraction
dead time ⎛⎜ θ ⎞⎟ dan besaran Ki. di dapat
⎝ θ +τ ⎠
Grafik kalang terbuka motor induksi 3 fasa
4.5
4
3.8
Kecepatan(rpm))
3.5
3
63%
2.6
2.5
2
1.2
1
K c K p = 1.05
Kc =
0.5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
waktu(detik)
Gambar 8.
Grafik Kalang terbuka motor induksi 3 fasa
Dari gambar 8. di atas respon sistem yang
diperoleh adalah :
Δ = (3.8 − 1.2) = 2.6 volt
δ = (3 − 1) = 2 volt
dimana Δ = Pr ocess Value
δ = Manipulated Value
310
θ
1
1
=
= = 0.25
θ +τ 1+ 3 4
⎜
⎟
⎝ θ +τ ⎠
28%
1.5
0
dari perpotongan titik temu antara besaran
Ti /(θ + τ ) terhadap fraction dead time ⎛ θ ⎞ .
1.05
= 0.8
1.3
Sedangkan untuk mencari nilai Ti, maka
dilakukan pembacaan grafik yang terdapat
pada gambar 3.18.
Ti
= 0.9
θ +τ
Ti
= 0.9
1+ 3
Ti = 3.6
Jadi nilai Ki = 1/Ti = 1/3.6 = 0.28
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
3.5
2.5
Grafik unjuk kerja sistem dengan manuver setpoint
3
Respon sistem
Setpoint
3
Hasil pengujian sistem terkendali
PI
yang
dioptimasikan
menggunakan metode V/f untuk
setpoint bermanuver dari 480 rpm
ke 1080 rpm.
Tegangan(Volt)
4.4.
2
1.5
1
0.5
Respon sistem
Setpoint
0
2.5
-0.5
Tegangan(Volt)
2
0
10
20
30
40
50
60
waktu(detik)
70
80
90
100
Gambar 11.
Grafik Kecepatan motor induksi dengan manufer
setpoint dari 1200 sampai 480 rpm
1.5
1
0.5
0
0
10
20
30
40
50
60
waktu(detik)
70
80
90
100
Gambar 9.
Grafik Kecepatan motor induksi dengan manufer
setpoint dari 480 sampai 1080 rpm
Dari hasil pengujian seperti yang
ditunjukkan pada gambar 4.5 di atas
menunjukkan kinerja kecepatan motor
induksi AC tiga phasa pada set point
kecepatan 480 rpm ditunjukkan respon
sistem dalam kondisi stabil dan ketika
dilakukan manuver dengan set point 1080
rpm ditunjukkan respon sistem mengalami
steady state error sebesar 5% dari set point
acuannya. Hal ini dikarenakan manuver
kecepatan motor dilakukan melebihi
kecepatan nominal motor yaitu 900 rpm.
4.5.Hasil pengujian sistem terkendali PI
yang dioptimasikan menggunakan
metode V/f
untuk setpoint
bermanuver dari 720 rpm ke 1450
rpm.
4
Respon sistem
Setpoint
3.5
Kinerja sistem dengan perubahan
nilai setpoint dari nilai setpoint 480 rpm
kemudian dinaikkan menjadi nilai setpoint
1080 rpm yang ditunjukkan pada gambar
4.5 respon sistem mencapai keadaan tunak
atau stabil lebih cepat dicapai dengan
menggunakan metode kurva reaksi dengan
masukan unit step. Sedangkan sistem yang
terkendali dengan PI yang dioptimasikan
menggunakan unit step untuk setpoint
bermanuver dari 720 rpm kemudian
dinaikkan menjadi nilai setpoint 1450 rpm
yang ditunjukkan pada gambar 4.6
ditunjukkan adanya rise time(tr) respon
sistem mencapai keadaan tunak atau stabil
pada nilai sekitar 2 detik lebih lambat
dengan kecepatan motor rendah. Untuk
manufer setpoint dari 1200 rpm yang
diturunkan menjadi nilai setpoint 480 rpm
seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.7
waktu yang diperlukan untuk mencapai
kondisi tunak atau stabil adalah 2 detik,
sedangkan waktu turun untuk mencapai
kondisi tunak atau stabil pada kecepatan
rendah waktu yang diperlukan sangat cepat
sekitar 0.25 detik .
3
5.
Tegangan(Volt)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
-0.5
0
10
20
30
40
50
60
waktu(detik)
70
80
90
100
Gambar 10.
Grafik Kecepatan motor induksi dengan manufer
setpoint dari 720 sampai 1450 rpm
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)
KESIMPULAN
Berdasarkan hasil perancangan, realisasi,
pengujian dan analisis terhadap sistem
pengaturan kecepatan motor induksi AC
tiga fasa menggunakan pengendali PI
dengan metode V/f konstan menggunakan
algoritma space vector PWM, maka dapat
disimpulkan beberapa hal sebagai berikut :1.
Pada implementasi pengendali PI
dengan metoda V/f konstan dengan
311
Proceeding, Seminar Ilmiah Nasional Komputer dan Sistem Intelijen (KOMMIT 2008)
Auditorium Universitas Gunadarma, Depok, 20-21 Agustus 2008
ISSN : 1411-6286
algoritma space vector pwm tanpa beban,
respons kecepatan motor dapat mencapai
kondisi stabil dengan perubahan setpoint
bermanufer dari 480 rpm dinaikkan 1080
rpm.
2. Dengan manuver set point kecepatan
motor yang melebihi kecepatan nominal
motor 900 rpm, respon kecepatan motor
memiliki kesalahan tunak sekitar 5%.
3. Dengan manuver set point kecepatan
motor sebesar kecepatan nominal motor
900 rpm, respon kecepatan motor dapat
mengikuti perubahan set point sekitar
0.25 detik untuk mencapai kondisi tunak
atau stabil.
4. Pada pengendali PI dan metode V/f
konstan dengan algoritma space vector
pwm berbasis microcontroller AVR tipe
Atmega16, perubahan kecepatan motor
dapat dikendalikan untuk mencapai
kondisi stabil, jika manuver set point di
bawah spesifikasi kinerja kecepatan
nominal motor AC tiga phasa yaitu 900
rpm.
6.
DAFTAR PUSTAKA
Atmel AVR495, AC Induction Motor
Control Using the Constant V/f
Principle and a Space-vector PWM
Algorithm, Paper 7546A–AVR–12/05,
Atmel Corporation, 2005.
Akin Acar, Implementation Of A Vector
Controlled Induction Motor Drive, A
Thesis Submitted, The Middle East
Technical University, 2004.
Asep Saefudin, Pembangkit sinyal pwm 3
phase dengan Metode Space Vector
Modulation
menggunakan
mikrokontroler AVR ATMEGA8535,
Skripsi,
Universitas
Indonesia,
Desember 2006.
Barnett, Cox, & O’Cull, Embedded C
Programming and the Atmel AVR,
Thomson Learning, Inc., Canada, 2003.
Bin Wu, High-Power Converters and AC
Drives, IEEE press, John Wiley & Sons,
Inc., Hoboken, New Jersey, 2006.
K. Zhou, D. Wang, Relation between spacevector modulation and three-phase
312
carrier-based PWM, IEEE Transactions
on Industrial Electronics, Vol. 49, No. 1,
pp 186-196, February 2002.
Mohd Wazir Bin Mustafa, Static And
Dynamic Impacts Of Three To SixPhase
Conversion
Of
Selected
Transmission Line In An Electric
Energy System, Research vote no:74164,
Universiti Teknologi Malaysia, 2006.
Oyas Wahyunggoro, Optimasi Pengendali
PI sebagai Pengendali kecepatan Motor
dc menggunakan metode Root-Locus
berbasis microcontroller AT89C51,
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas
Teknik, Universitas Gajah Mada, 2005.
Peter Vas, Electrical Machines and Drives
A space-vector theory approach, Oxforf
University Press, New York, 1992.
Raman Nair Harish Gopala Pillai, Design
And Development Of Embedded Dsp
Controllers For Power Electronic
Applications, Thesis, University Of
Texas At Arlington, May 2006.
Ridwan Gunawan, Perancangan Rangkaian
Kontrol Kecepatan motor induksi Tiga
Phasa untuk Elevator, Penelitian,
Universitas Indonesia, 1997.
Remus
Teodorescu,
Space
Vector
Modulation Applied to Modular
Multilevel Converters, Department of
Electrical Engineering,Texas A&M
University, 1999.
Tianchai Suksri, T-DOF PI Controller
Design for a speed Control of Induction
Motor,
International Journal of
Mathematical, October 15, 2007.
Zaenal Salam & Khosru Mohammad Salim,
Generation
of
Pulse
Width
Modulation(PWM) Signal for ThreePhase Inverter Using A Single Chip
Microcontroller, , Jurnal Teknologi,
Universiti Teknologi Malaysia, 34(D)
Jun 2001.
Zaenal
Salam,
The
Design
and
Development of a High performance Bidirectional
Inverter
Photovoltaic
Application, Projek penyelidikan IRPA,
Universiti
Teknologi
Malaysia,
November 2004.
Perancangan Rangkaian Kontrol Kecepatan Motor
(Slamet)