motor induksi tiga fasa dengan inverter svpwm sebagai

Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN INVERTER SVPWM
SEBAGAI ALTERNATIF PENGGANTI MOTOR DC PADA
PENGGERAK ELEKTRIK DENGAN BEBAN VARIABEL
Muhamad Yusuf 1), Mochamad Rameli2) , Joko Susilo 3)
Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri
2) , 3)
Institut Teknologi Sepuluh Nopember,
1)
Politeknik Cilacap
Email: [email protected]); [email protected]); [email protected])
ABSTRAK
Hampir semua bidang industri menggunakan motor sebagai penggerak elektriknya. Motor DC
adalah yang banyak digunakan karena mudah pengoperasiannya. Motor ini mempunyai harga
dan perawatan yang relatif mahal bila dibandingkan dengan motor induksi. Oleh karena itu
digunakan motor induksi tiga fasa sebagai pengganti motor DC pada penggerak elektrik.
Motor induksi sangat handal, murah dan mudah dalam perawatannya, tetapi sulit untuk
dikendalikan karena torsi dan fluk yang dihasilkan motor induksi saling berkaitan atau tidak
bebas oleh karena itu motor ini termasuk plant nonlinier. Salah satu metode yang banyak
digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi adalah pengaturan vektor. Agar motor
induksi mudah untuk dikendalikan seperti motor DC penguat terpisah maka, motor induksi
dimodelkan dalam referensi sumbu putar (model d-q). Pengaturan vektor yang digunakan
adalah jenis switching space vector pulse width modulation (SVPWM), kemudian untuk
mengatasi perubahan torsi beban agar tidak mempengaruhi kecepatan digunakan fuzzy PI
kontroller. Sistem ini disimulasikan dengan memberikan torsi beban antara 5Nm sampai
20Nm dan menghasilkan error steady state rata-rata dibawah ±4rpm atau sebesar 0,4 %.
Kata kunci: Motor Induksi Tiga Fasa, penggerak elektrik, SVPWM, Fuzzy PI kontroller.
PENDAHULUAN
Motor induksi salah satu jenis mesin listrik yang paling banyak digunakan dalam
dunia industri. Motor jenis ini banyak diaplikasikan dalam bidang HVAC (Heating,
Ventilation dan Air-Conditioning), Industrial drives (motion control, Robotic), Automotive
(Electric Vehicle) dll. Motor jenis ini memiliki beberapa kelebihan diantaranya konstruksinya
sederhana dan kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya mudah. Pengaturan motor
induksi lebih sulit bila dibandingkan dengan motor arus searah/DC, karena fluks dan torsi
yang dihasilkan oleh motor induksi saling berkaitan atau tidak bebas. Salah satu metode yang
digunakan adalah pengaturan vektor yaitu pemisahan (decoupling) variabel stator dan rotor
agar motor tersebut seperti motor DC penguat terpisah.
Biranchi dkk [4] mengatur kecepatan motor induksi menggunakan Fuzzy logic controller dan
menghasilkan time settling (0,35 detik) kemudian dibandingkan dengan PI kontroller
memiliki time settling (0,65 detik) tetapi diuji dengan beban konstan pada daerah steady state.
Yuksel O dan Dede M [8] mengatur kecepatan motor induksi tanpa menggunakan sensor
kecepatan yaitu dengan mengestimasi flux rotor dengan ANN, tetapi sensor flux mudah rusak
karena panas saat motor bekerja. Kemudian Arulmozhiyal dkk [5] menggunakan Fuzzy PI dan
inverter space vector pulse width modulation (SVPWM) dapat menjaga kecepatan motor
secara konstan walaupun diberikan beban yang berubah - ubah disimulasikan dalam matlab.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-1
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Dari beberapa penelitian yang telah dilakukan terdapat beberapa kelemahan dan
kelebihan dari masing-masing penelitian yang telah dilakukan. Maka dapat dijadikan
penelitian lanjutan terutama tentang aplikasi penggerak elektrik dengan kondisi beban
berubah - ubah dengan switching SVPWM menggunakan fuzzy PI kontroller yang mempunyai
error steady dibawah 0,4% atau 5 rpm disimulasikan dalam matlab dan diimplementasikan
pada mikrokontroller ATmega 16.
Makalah ini terbagi menjadi beberapa bagian sebagai berikut. Bagian 1 adalah
Pendahuluan, pada bagian 2 Metodologi, pada bagian 3 membahas hasil dan Pembahasan,
di akhir bagian 4 memberikan kesimpulan dari penelitian yang telah dilakukan.
METODE PENYELESAIAN
Metode penyelesaian pada penelitian ini terdiri dari beberapa tahapan yaitu
1. Pertama adalah melakukan pemisahan variabel stator dan rotor motor induksi meliputi
fluks, arus, tegangan dalam referensi putar (model d-q).
2. Kedua adalah merancang switching SVPWM dan inverter tiga fasa.
3. Ketiga adalah merancang kontroller fuzzy PI.
Pertama melakukan transformasi koordinat tiga fasa (koordinat abc) menjadi koordinat dua
fasa (koordinat d-q) dengan mengikuti persamaan (1).
 sin 
 fd 
 f a   cos 
 f   2 . f .cos  2   sin   2 
3
3
 q 3  b 
 f 0 
 f c  cos  23   sin   23 
1
2
1
2
1
2




(1)
Gambar 1 Rangkaian ekivalen d-q motor induksi 3 fasa [2]
Untuk mempermudah analisis motor induksi maka digunakan rangkaian ekivalen seperti pada
Gambar 2.2. lebih dahulu ditinjau bahwa keadaan motor induksi dapat dianggap sebagai
transformator dimana stator merupakan rangkaian primer dan rotor sebagai rangkaian
sekunder. Dari model rangkaian motor induksi pada Gambar 2 maka, Persamaan model
matematis motor induksi tiga fasa jika dibuat dalam bentuk state space ditunjukkan pada
persamaan (2). Kecepatan putaran motor induksi merupakan fungsi dari torsi elektromagnetik
dan torsi beban. Adapun rumusan untuk mendapatkan kecepatan motor induksi ditunjukkan
pada persamaan (3).
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-2
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
ids 
  Rs Lr

 
d iqs  1  Rs M

dt idr  D  r M 2

 
iqr 
 r Ls M
0
ids 
 Lr
i 
 M 0
1
qs
x   
idr  D  0
Lr
 

M
 0
iqr 
r M 2
 r Ls M 2
Rr M
 Rs Ls
Rs Lr
Rs M
r Lr M
r Lr Ls
M
Lr
0
0
r Lr M 

r Lr Ls 
Rr M 

 R r Ls 
0  Vds 
0  Vqs 
x 
M  0 
  
Ls   0 
(2)
Dimana, D  L s L r  M 2
J d
 r  B . r  Te  TL
p dt
(3)
dimana,
TL
Te
B
J
p
ωr
Vqs,Vds
Vqr, Vdr
iqs, ids
iqr, idr
:
:
:
:
:
:
:
:
:
:
torsi beban
(N.m)
torsi elektromagnetik
(N.m)
konstanta gesek motor
(kg.m2/s)
momen inersia
(kg.m2)
jumlah pasang kutub
(-)
kecepatan angular rotor
(rad/detik)
tegangan stator pada sumbu dq (Volt)
tegangan rotor pada sumbu dq (Volt)
arus stator pada sumbu dq (Ampere)
arus rotor pada sumbu dq (Ampere)
λqs, λds
λqr, λdr
Rs
Rr
Lls
Llr
M/LM
: fluks stator pada sumbu dq (Webber)
: fluks rotor pada sumbu dq (Webber)
: tahanan stator
(ohm)
: tahanan rotor
(ohm)
: induktansi diri stator (Henry)
: induktansi diri rotor (Henry)
: induktansi mutual
(Henry)
Kedua merancang switching SVPWM, switching ini bekerja berdasarkan vektor ruang dari
tegangan dalam bidang α-β. Komponen α-β dicari dengan transformasi clarke.
Gambar 2 Skema dasar inverter tiga fasa
SVPWM mengacu pada urutan pensaklaran yang khusus dari enam transistor power pada
inverter sehingga menghasilkan distorsi harmonik tegangan dan arus yang lebih efisien.
Rangkaian inverter ditunjukkan pada Gambar 2.
Tabel 1 Nilai tegangan tiap vektor tegangan
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-3
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
S1 sampai S6 adalah 6 (enam) saklar-saklar power yang membentuk output, yang dikendalikan
oleh perubahan pensaklaran a, a’, b, b’ dan c, c’. Ketika saklar atas “ON”, maka saklar bawah
yang berhubungan adalah “OFF”. Oleh karena itu variabel switching akan menghasilkan
delapan kemungkinan keadaan seperti yang terlihat pada Tabel 1. Dari delapan kemungkinan
tersebut maka munculah delapan buah vektor tegangan yang terdiri dari V0 sampai dengan V7
kemudian dipetakan dalam bentuk hexagonal dengan beda sudut 60 derajat seperti terlihat
pada Gambar 3. Hubungan antara perubahan switching [a, b, c]t dan tegangan vektor line ke
line [Vab Vbc Vca]t ditunjukkan pada persamaan (4).
Vab 
 1  1 0  a 
V   V  0
1  1. b 
dc 
 bc 
 
1   c 
Vca 
  1 0
(4)
Untuk mendapatkan nilai tegangan fasa terhadap sumbu netral [Van Vbn Vcn]t dapat digunakan
persamaan (5).
Van 
 2  1  1  a 
V   Vdc   1 2  1. b 
 bn 
 
3 
  1  1 2   c 
Vcn 
(5)
Adapun langkah-langkah dalam menyusun SVPWM sebagai berikut:
1. Membuat sumber tiga fasa yang bisa diatur baik frekuensi atau tegangannya oleh sinyal
kontrol.
2. Mengubah sinyal tiga fasa Vabc menjadi Vα, Vβ dan mencari sudut fasa (α)
3. Menentukan lamanya waktu switching
T1, T2 dan T0
4. Memilih transistor (S1 sampai S6) yang aktif berdasarkan tabel 2.
Gambar 3 Dasar pensaklaran vektor dan sektor
Untuk membuat sumber tiga fasa dengan beda fasa 1200 dengan membuat fungsi sinus
kemudian menggesernya dengan -2π/3 dan 2π/3. Untuk menentukan tegangan Vα, Vβ dan
sudut α menggunakan transformasi Clarke yang ditunjukkan pada persamaan (6). Sedangkan
untuk mencari tegangan Vref dan α dapat ditentukan jika diketahui nilai Vα dan Vβ yang
ditunjukkan pada persamaan (7) dan (8).
1

V  2 1  2
V   .
3
   3 0
2

1  V 
an
2 .V 
3   bn 

V 
2   cn 

(7)
V ref  V2 V2
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-4
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
 V
 V
  tan 1 

  t  2ft

(8)
Menentukan lamanya waktu switching T1, T2 dan T0 pada tiap sektornya ditunjukkan
persamaan (9) yang mengacu pada Gambar 3.
T1 
3.TZ .Vref 
n
n

 sin . cos   cos . sin  
3
3
Vdc


(9.a)
T2 
3.TZ .Vref 
( n  1)
( n  1) 
 sin  . cos
  cos  . sin

3
3 
Vdc

(9.b)
(9.c)
T0  TZ  T1  T2
dimana, n adalah urutan sektor (n = 1, 2, ... , 6)
Diagram blok secara keseluruhan switching SVPWM ditunjukkan pada Gambar 4. Sinyal
keluaran fuzzy PI kontroller digunakan untuk mengatur frekuensi dan tegangan untuk
membangkitkan sinyal sinus tiga fasa (Vabc).
Tabel 2 Lama waktu pensaklaran tiap sektor
Gambar 4 Diagram Simulink SVPWM
Ketiga merancang kontroller fuzzy PI diagram simulink fuzzy PI kontroller yang digunakan
dalam penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5 Diagram simulink fuzzy PI kontroller
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-5
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Masukan dari fuzzy berupa error dan delta error yang didapat dari pengurangan antara sinyal
setpoint dan sinyal umpan balik dari sensor kecepatan. Sedangkan untuk menentukan
parameter Kp dan Ki dalam PI kontroller digunakan metode tunning manual melalui step by
step design.
Dari percobaan didapatkan bahwa range sinyal error adalah antara -3 sampai 3.
Sehingga derajat keanggotaan sinyal error dalam fuzzy ditunjukkan pada Gambar 6. Untuk
mendapatkan nilai delta error dengan cara menambahkan unit delay pada sinyal error, maka
didapat nilai delta error bervariasi dari -1 sampai 1. Derajat keanggotaan untuk sinyal delta
error ditunjukkan pada Gambar 7. Derajat keanggotaan output ditentukan antara 0,5 sampai
dengan 1 yang dibagi menjadi tujuh bagian. Derajat keanggotaan sinyal output ditunjukkan
pada Gambar 8. 1 NB
NM
NS
Z
PS
PM
1 NB
PB
NM
NS
Z
PS
PM
PB
0,5
0,5
-3
3
-2
-1
0
1
2
MF error (e)
Gambar 6 Derajat keanggotaan sinyal error
-1
-0,8
0,2
0,4
-0,6 -0,4 -0,2 0
MF delta error (de)
0,6
0,8
1
Gambar 7 Derajat keanggotaan delta error
NM
1 NB
NS
Z
PS
PM
PB
0,5
0,5
0,55
0,6 0,65
0,7 0,75 0,8
MF output (u)
0,85
0,9 0,95
1
Gambar 8 Derajat keanggotaan output
Sedangkan untuk rule base yang akan digunakan ditunjukkan pada Tabel 3 dengan
masukan berupa error (e) dan delta error (ce) yang terdiri dari 7 anggota dan memiliki
keluaran sebanyak 49 anggota.
Dimana:
NB : Negative small
NB : Negative big
NM : Negative medium
Z : Zero
PS
PM
PB
: Positive small
: Positive medium
: Positive big
Tabel 3 Rule base fuzzy logic controller
e/de
NB
NM
NS
Z
PS
PM
PB
NB
NB
NB
NB
NB
NM
NS
Z
NM
NB
NB
NB
NM
NS
Z
PS
NS
NB
NB
NM
NS
Z
PS
PM
Z
NB
NM
NS
Z
PS
PM
PB
PS
NM
NS
Z
PS
PM
PB
PB
PM
NS
Z
PS
PM
PB
PB
PB
PB
Z
PS
PM
PB
PB
PB
PB
Blok diagram sistem secara keseluruhan ditunjukkan pada Gambar 9. Motor induksi yang
digunakan adalah motor induksi jenis rotor sangkar tupai (squirrel-cage) hubungan bintang.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-6
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Gambar 9 Diagram blok sistem
Parameter motor induksi yang digunakan mempunyai parameter ditunjukkan pada Tabel 3.
Tabel 3 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa
Nama
Resistansi stator ()
Induktansi stator (H)
Resistansi rotor ()
Induktansi rotor (H)
Mutual induktansi (H)
Momen Inersia (kgm2)
Konstanta Gesek (kg.m2/s)
Kutub
Simbol
Rs
Lls
Rr
Llr
M
J
B
P
Nilai
0,435
0,002
0,186
0,002
0,069
0,089
0,005
4
HASIL DAN DISKUSI
Karakteristik sistem dapat diketahui melaui proses pengujian yang dibagi menjadi beberapa
bagian yaitu pengujian model motor induksi tiga fasa, pengujian mekanisme switching pada
algoritma SVPWM, Pengujian simulasi sistem secara keseluruhan dan implementasi sistem.
Gambar 10 Kecepatan dengan torsi beban nol
Pengujian model motor induksi dilakukan dengan memberikan sinyal input dengan frekuensi
50Hz dan tegangan 300V, torsi beban (TL) yang diberikan nol. Seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 10 bahwa kecepatan (r) mendekati 1500 rpm dengan slip mendekati nol bahwa
kecepatan medan putar (Ns) mendekati kecepatan angular pada rotor (Nr).
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-7
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Gambar 11 kecepatan dengan torsi beban 10,20,5 Nm
Kecepatan akan menurun jika terdapat torsi beban pada motor induksi hal ini sesuai dengan
persamaan (3). Pengaruh perubahan torsi beban (TL) terhadap kecepatan ditunjukkan pada
Gambar 11.Terjadi penurunan kecepatan sebesar 400rpm pada saat diberikan torsi beban
sebesar 20Nm. Hal ini sangat mempengaruhi kinerja dari sistem. Selanjutnya dengan
penambahan kontroller PI pengujian dengan setpoint 1000rpm dan torsi beban yang bervariasi
dari 10, 20 dan 5 Nm. Respon kecepatan terhadap torsi yang berubah ubah dapat ditunjukkan
pada Gambar 12.
Gambar 12 Respon kecepatan PI kontroller dengan TL 10, 20 dan 5 Nm
Respon kecepatan pada daerah steady state dengan torsi beban yang berubah-ubah dapat
dilihat pada Gambar 13.
Gambar 13 Respon kecepatan saat steady state dengan TL 10, 20 dan 5Nm dengan
menggunakan PI kontroller
Dengan menambahkan fuzzy sehingga menjadi kontroller fuzzy PI dapat mereduksi error
steady state yang ditunjukkan pada Gambar 14.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-8
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Gambar 14 Respon kecepatan saat steady state dengan TL 10, 20 dan 5Nm dengan
menggunakan Fuzzy PI kontroller
Terlihat dimana dengan perubahan beban pada daerah steady state sistem mempunyai respon
yang baik. Perangkat keras sistem ini dapat dilihat pada Gambar 15.
Gambar 15 Perangkat keras implementasi secara keseluruhan
Bentuk sinyal keluaran yang dgunakan sebagai pemicu gate inverter seperti pada
Gambar 16. Terlihat bahwa sinyal ini mempunyai amplitudo sebesar 15V dan frekuensi
sebesar 50Hz merupakan sinyal pembentuk fasa A yang sudah termodulasi. Dimana pada saat
periode positif sinyal mendapat modulasi dengan sinyal PWM dan pada saat periode negatif
sinyal tidak mendapat modulasi dengan sinyal PWM.
Gambar 16 Sinyal Modulasi PWM dengan fasa A
Bentuk sinyal dengan beban pada fasa A terhadap netral ditunjukkan pada Gambar 17
terlihat bahwa bentuk sinyal mendekati bentuk sinus yang terdiri dari empat tingkatan / level.
Bentuk gelombang ini sesuai dengan tabel 2.1 dimana ada 4 (empat) buah tegangan yang
berbeda pada tiap sektornya yaitu 2/3, 1/3, -1/3, dan -2/3 dari VDC hal ini terbentuk karena
pola pensklaran yang mengikuti pada Tabel 1.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-9
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
Gambar 17 Sinyal keluaran fasa A terhadap netral
KESIMPULAN
Dari penelitian yang sudah dilakukan dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu
Kontroller fuzzy PI dalam simulasi dapat mereduksi error steady state dengan dibawah 0,3%
pada beban 20Nm. Respon kecepatan motor induksi linear terhadap perubahan frekuensi input
dan memiliki error steady state ±36rpm atau 2,21 % dalam implementasi. Pola pensklaran
pada SVPWM menghasilkan empat level tegangan. Penelitian selanjutnya bisa ditingkatkan
dengan menggunakan multilevel SVPWM, sehingga sinyal yang dihasilkan mempunyai
banyak level yang hampir mendekati bentuk sinyal sinus
DAFTAR PUSTAKA
[1] Gopal K. Dubey (1989), “Power Semiconductor Controlled Drives” , Prentice-Hall
International
[2] Boldea ion, Nasar S.A, (1999) “Electric Drives”, CRC Press LLC
[3] Purwanto Era, Ashary M, (2008) “Pengembangan inverter fuzzy logic kontrol untuk
pengendalian motor induksi sebagai penggerak mobil listrik dengan metoda vektor
kontrol” Teknik Elektro, FTI ITS, Makara Teknologi.
[4] 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, IEEE
[5] R. 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
[6] Jaroslav Lepka, Petr Stekl (2005), “3-Phase AC Induction Motor vector control Using a
56F80x, 56F8100 or 56F8300 Device”, Freescale Semiconductor
[7] Paladugu Anitha, H Badrul. Chowdhury (2007), “Sensorless control of inverter-fed
induction motor drives”, Electrical & Computer Engineering Department, University of
Missouri-Rolla, Electric Power Sistems Research 77 Hal 619–629
[8] Yuksel 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 675–686.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-10
Prosiding Seminar Nasional Manajemen Teknologi XVIII
Program Studi MMT-ITS, Surabaya 27 Juli 2013
[10] Atmel corporation (2003), 8 bit AVR microkontroller with 8kbyte in system
programmable flash ATmega, Orchard Parkway, USA
[11] Kumar V. K, Michael P. A, John P Joseph (2010), ” Simulation And Comparison Of
Spwm And Svpwm Control For Three Phase Inverter” School of Electrical Science,
Karunya University, India, ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences Vol 5
No.7
[12] Rini S. W (2011), “ Desain and Implementation of Internal controller PI Direct Torque
Control as Induction Motor Driver” , Final Project of Electrical Engineering, Sepuluh
Nopember Institute of Technology, Surabaya.
[13] Pratama Ikhwan W (2011), “Simulation and design of direct torque control space vector
modulation (DTC SVM) with pi control for three phase induction motor as electric
vehicle wheel drives” Final Project of Electrical Engineering, Sepuluh Nopember
Institute of Technology, Surabaya.
ISBN : 978-602-97491-7-5
A-7-11