Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3ø dengan Kontrol PID Melalui Metode Field Oriented Control (FOC) ( Rectifier, Inverter, Sensor arusdan Sensor tegangan)

Fachrul Feriantono

Mahasiswa S1 JurusanTeknik Elektro

Universitas Gunadarma

Kampus Universitas Gunadarma Margonda, Depok 16424

Email fahrul.ferian@yahoo.com

Abstrak – Metode Field Oriented Control pada kecepatan motor induksi 3 fase digunakan untuk mengurangi overshoot dan memperpendek settling time. Kecepatan motor diatu rmelalui kontroler PID. Penyetelan parameter nilai Kp, Ki, dan Kd pada kontroler PID. Field Oriented Control digunakan pada kondisi dinamis. Pada rangcangan pengatur kecepatan motor ini ditambahkan rangkaian rectifier 3 fase untuk menyearahkan tegagan untuk keperluan sensor tegangan dan sensor arus, dan  rangkaian inverter untuk pembacaan sinyal AC pada sensor. Nilai overshoot yang rendah dan settling time yang pendek dapat mengurangi penurunan kecepatan paa saat pembebanan.

Kata Kunci:  PID Controller, Field Oriented Control (FOC), Induction Motor  

I.     PENDAHULUAN

            Motor induksi yang banyak digunakan untuk kebutuhan di bidang industri ternyata masih memiliki hal-hal yang kurang menguntungkan seperti, nilai overshoot tinggi dan settling time yang lama yang dapat menyebabkan kecepatan motor induksi turun pada saat pembebanan.

Untuk melakukan pengaturan arus torsi dan arus medan secara terpisah, maka digunakan metode FOC pada pengendalian kecepatan motor induksi.

Untuk menghasilkan keluaran yang konstan maka digunakan metode pengontrolan dengan kontrol PID. Kontrol PID memiliki kekurangan, tetapi dapat ditutupi dengan cara menggabungkan ketiganya secara paralel dan menjadi kontroler proporsional, kontroler integral dan kontroler diferensial yang menjadi satu.

Masing-masing elemen kontrol P, I, dan D pada kontrol PID secara keseluruhan digunakan untuk mengatasi masalah pada saat start awal motor listrik. Keluaran kontrol PID merupakan jumlah dari keluaran kontroler proporsional, integral dan differensial. Untuk mengatur perubahan sifat dari elemen-elemen proporsional, integral dan differensial dapat dilakukan dengan merubah konstanta KP, KI, dan KD. Satu atau dua konstanta tersebut dapat disetel lebih menonjol dari konstanta yang lainya untuk memberi konstribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan.

II. DASAR TEORI

A.     Metode Field Oriented Control

Field Oriented Control (FOC) digunakan untuk dapat mengatur arus torsi dan arus medan secara terpisah. FOC adalah suatu metode pengaturan medan pada motor ac 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, sepertihalnya motor dc.

Prinsip dasar dari motor dc adalah dengan menjaga fluks tetap konstan, torsi dapat dikontrol dengan mengontrol arus jangkar.

Te = kI_fI_a         (1)

Arus stator menghasilkan fluks stator, selanjutnya fluks stator akan menginduks iarus rotor sehingga akan menghasilkan fluks rotor, interaksi antara fluks stator dan fluks rotor menghasilkan torsi. Jarak sudut antara fluks stator dan fluks rotor tergantung dari beban dan putaran.

Ø    Perhitungan Torsi :

Ø    Pada sumbu dq :

B. Kontrol PID 

Kontrol PID ( Proportional – Integral – Derivative ) digunakan untuk pengaturan penguatan. Kontrol PID merupakan kombinasi dari tiga jenis kontroler. Jika masing-masing dari ketiga jenis kontroler tersebut berdiri sendiri maka hasil yang dicapai kurang baik, sebab masing-masing memiliki kelebihan dan kelemahan sendiri sendiri. Kombinasi dari ketiga jenis kontroler tersebut menjadi satu sistem kontrol tunggal, diharapkan mampu memberikan kontribusi dari kelebihan masing-masing.

Kontrol proporsional adalah suatu penguat linier yang dapat diatur penguatannya. Hubungan antara keluaran kontroler m (t) dan sinyal kesalahan e (t) .

m (t) = 𝐾_𝑝𝑒(𝑡)  (5)

dengan:

Kp adalah gain proporsional

m (t) adalah keluaran kontrol

e(t) adalah sinyal kesalahan

Kontrol proporsional integral adalah merupakan perubahan dari keluaran kontrol integral m(t), berubah dengan fungsi waktu yang sebanding dengan sinyal kesalahan. Hubungan antara keluaran kontroler m (t) dan sinyal kesalahan e(t) adalah :

dengan:

Kp adalah gain proporsional

Ti adalah waktu integral

Tetapan waktu integral Ti  mengatur aksi kontrol integral, sedangkan Kp memperkuat bagian proporsional maupun bagian integral dari aksi kontrol. Kebalikan dari tetapan waktu integral  Ti disebut laju reset. Laju reset adalah banyaknya pengulangan bagian proporsional dari aksi pengontrolan per detik. Kontrol proporsional derivatif didefinisikan.

dengan: 

Kp adalah gain proporsional

Td adalah tetapan waktu derivatif

Kontrol derivatif sering disebut kontrol laju (rate control), karena besar keluaran kontroler sebanding dengan laju perubahan sinyal kesalahan. Tetapan waktu turunan  Td adalah selang waktu bertambah majunya respon kontrol proporsional yang disebabkan oleh aksi laju (rate action). Kontroler PID adalah gabungan kontrol proporsional, kontrol integral, dan kontrol turunan.Gabungan kontrol ini mempunyai keunggulan dalam memperbaiki kesalahan sinyal dibandingkan dengan masing-masing dari tiga kontrol tersebut. Persamaan kontrol PID dapat diberikan sebagai berikut:

  

Untuk memenuhi sistem yang diinginkan maka ketiga parameter PID harus ditetapkan secara optimal. Ada beberapa metode untuk menentukan parameter tersebut diantaranya adalah metode coba-coba (cut and try method), metode Ziegler-Nichols dan metode tanggapan tangga.

PID merupakan salah satu jenis pengatur yang banyak digunakan. 

C. Rectifier 3 Phase

Rangkaian rectifier 3 phasa dan 6 buah diode yang dapat mengubah tegangan 3 phasa menjadi tegangan DC. Rangkaiannya seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2 berikut :

Untuk menentukan tegangan keluaran dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

D. Inverter 3 Phase

Konverter DC ke AC dinamakan  inverter. Fungsi sebuah inverter adalah mengubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC simetris dengan besar dan frekuensi yang diinginkan. Tegangan outputnya bisa tertentu dan bisa jugadiubah – ubah dengan frekuensi tertentu atau frekuensi yang diubah – ubah. Tegangan output variabel didapat dengan mengubah – ubah tegangan input DC agar gain inverter konstan. Disisi lain, apabila tegangan input DC adalah tertentu dan tidak bisa diubah – ubah, bisa didapatkan tegangan output yang variabel dengan mengubah – ubah gain dari inverter. Gain inverter didefinisikan sebagai rasio tegangan output AC terhadap tegangan input DC. 

Rangkaian Inverter ini terdiri dari enam buah piranti switching (MOSFET) yang bekerja secara berpasangan dan bekerja (on-off) secara bergantian. Maka membutuhkan enam buah pulsa yang bekerja on-off secara bergantian. Rangkaian dasar Three Phase Full Bridge Inverter pada Gambar 4. Didesain untuk menghasilkan tegangan 380 Vac dan arus 3 Ampere.

Untuk memenuhi keadaan tersebut, piranti yang sesuai untuk Three Phase Full Bridge Inverter ini menggunakan MOSFET tipe IRFP 460. MOSFET ini memiliki kemampuan switching diatas 50 KHz, batas kemampuan tegangan drain-source sampai 500 V danarus drain ID 20 Ampere. Untuk menentukan tegangan keluaran dari inverter dapat digunakan persamaan sebagai berikut :

Rangkaian Inverter 3 phase ini menggunakan PCI 1710 yang sudah diprogram matlab sebagai pembangkit PWM untuk menyulut mosfet inverter. PWM keluaran dari PCI 1710 dihubungkan dengan rangkaian optoisolator yang digunakan sebagai pemisah antara PCI dengan mosfet inverter 3 phase.

Sehingga dengan optoisolator terhindar dari kerusakan, apabila terdapat arus balik dari rangkaian inverter 3 phase.

Dengan simulasi menggunakan sudut switching 180° untuk inverter seperti pada gambar 5 diatas, maka dihasilkan pulsa keluaran dari inverter seperti pada gambar  6. Dibawah ini.

E. Sensor arus

Untuk sensor arus digunakan IC ACS 712 yang dapat membaca nilai arus hingga 20 Ampere. Output dari sensor arus ini berupa tegangan yang proporsional dengan nilai arus input yang dibaca, dengan sensitivitas 100 mV / A.

F. Sensor Tegangan

Sensor tegangan menggunakan resistor pembagi tegangan dipasang secara paralel antara phasa dan netral. Fungsi resistor ini adalah untuk menurunkan tegangan dari tegangan sumber menjadi tegangan yang dikehendaki.

         I.           DATA HASIL PENGUJIAN

      A.    Hasil Pengujian Rectifier 3 Fasa

Untuk menghitug Vout, dilakukan dengan menghitung Vdc menggunakan persamaan (9) dan (10).

     B.    Hasil Pengujian Sensor Arus

              

           

Sensor arus dapat mendeteksi arus yang melalui rangkaian.

    C.    Hasil Pengujian Sensor Tegangan AC

Hasil perhitungan pada sensor tegangan AC dilakukan dengan menggunakan persamaan (12).

    D.    Hasil Pengujian Sensor Tegangan DC

Vout dapat dihitung dengan mengunakan persamaan (12).

IV. KESIMPULAN

1.      Kecepatan putar motor induksi 3 fasa diatur untuk mendapatkan overshoot yang rendah dan setling time yang pendek sehingga tidakterjadi penurunan kecepatan pada saat pembebanan pada motor.

2.      Kontrol PID diatur dengan cara mengubah parameter konstanta K[p. KI, dan KD. Penggunaan metode FOC untuk motor induksi dengan kondisi dinamis.

V. DAFTAR PUSTAKA

[1]                    Ardana I WayanRaka, “Simulasi Sistem Kontroler PID untuk Motor Induksi menggunakan perangkat lunak Matlab / Simulink”, Politeknik Negeri Bali, Bali, 2008.

[2]       Domenico Casadei, Member, IEEE, Francesco Profumo, Senior Member, IEEE, Giovanni Serra, Member, IEEE, and Angelo Tani, “FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction Motors Torque Control”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, Vol. 17, No. 5, September 2002.

[3]       Denny Septa Ferdiansyah, Gigih Prabowo, Sutedjo, Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3ø dengan Kontrol PID  melalui Metode Field Oriented Control (FOC) ( Rectifier, Inverter, Sensor arus dan Sensor tegangan), Politeknik Elektronika Negeri Surabaya – ITS