Abstraksi
Karya tulis ini membahas mengenai kontrol motor induksi sensorless, terutama squirrel kandang tipe motor.Kecepatan rotor stator diperoleh dengan memperkirakan keadaan saat ini dan fluksi rotor motor model dari pengamat. Analisis kinerja dilakukan dengan membandingkan hasil kontrol motor induksi sensorless dengan hasil kontrol motor induksi dengan kecepatan sensor kondisi tanpa beban, beban 1 Nm dan 2 Nm. Hasil simulasi, itu dapat dilihat bahwa kendali motorik Performace sensorless mampu mendekati motor kontrol dengan sensor kecepatan Performace, dengan error steady state kecepatan sebenarnya 0,442% dan kecepatan kesalahan estimasi adalah 0,5%
Kata kunci: Speed control, Induction motor, Sensorless
I. Pendahuluan
Motor induksi tiga fasa jenis sangkar bajing (squire cage) merupakan salah satu jenis motor penggerak yang banyak dugunakan di industri karena harganya yang relatif murah dibandingkan motor dengan medan magnet permanen walaupu ukuran nya yang relatif besar . Selain itu motor induksi sangkar bajing juga memiliki konstruksi yang kokoh dan mudah dalam perawatannya. Motor jenis ini banyak digunakan untuk sistem pengendalia kecepatan.
Pada umumnya kecepatan putar motor induksi yang akan diumpan balikan ke pengemudi diukur dengan menggunakan sensor kecepatan seperti tachogenerator atau encoder. Namun seringkali penggunaan sensor kecepatan ini dinilai kurang efektif, karena selain harganya yang relatif mahal, penggunaan sensor kecepatan juga dipengaruhi oleh kondisi tinggi rendahnya putaran motor, sehingga untuk putaran motor rendah sensor tidak mampu mendeteksi putaran dengan presisi[5]. Saat ini dengan semakin berkembangnya teknologi perangkat lunak dalam bidang elektronika daya, pengendalian motor induksi dapat dilakukan tanpa menggunakan sensor kecepatan.
2. Permodelan Motor Induksi dan Perancangan pengendali
Sistem pengendalian kecepatan motor induksi tanpa sensor kecepatan seperti ditunjukkan pada Gambar 1[2]. Pada makalah ini, motor induksi yang digunakan dalam simulasi adalah motor induksi rotor sangkar (squirrel cage) tiga fasa, 220/380 volt Y, 50 Hz, 1163 rpm dengan parameter motor ditunjukkan pada Tabel
Gambar 1. Diagram blok pengendalian kecepatan motor induksi tanpa sensor kecepatan
2.1 Permodelan Motor Induksi
Model motor induksi sebagai plant yang dikendalikan dibuat dalam kerangka acuan stator (sumbu αβ) dan dinyatakan dengan persamaan keadaan berikut:
Dengan : 
Tegangan masukan Vsα dan Vsβ diperoleh dari hasil transformasi tegangan PWM tiga fasa dan dinyatakan sebagai berikut (3) :
Persamaan torsi motor adalah:
Persamaan kecepatan rotor adalah :
Dari Gambar 1 terlihat bahwa pada system pengendalian motor induksi tanpa sensor kecepatan terdapat tiga pengendali yaitu pengendali kecepatan, pengendali arus dan pengendali tegangan.
2.2 Pengendalian Kecepatan
Pengendali kecepatan yang digunakan dalam makalah ini adalah pengendali IP (Integral and Proportional) dengan diagram blok seperti ditunjukkan pada Gambar 2[2]. Pengendali ini menghasilkan keluaran berupaarus acuan Iqs yang sebanding dengan besarnya arus iqs penghasil torsi motor (Te*) dan dirumuskan :
Dengan Te* = iqs* adalah arus acuan penghasil torsi sebagai keluaranpengendali, ωr* adalah kecepatan acuan yang diberikan, ω r adalah kecepatan estimasi hasil perhitungan observer, sedangkan Kp dan Ki adalah konstantapengendali.
2.3 Pengendali Field Weakening
Pengendali Field Weakening merupakan pengendali tegangan stator agar sesuai dengan batas maksimum tegangan yang dapat dicatu inverter ke motor. Dalam simulasi ini, tegangan batas maksimum yang dapat diberikan inverter ke terminal tegangan stator adalah sebesar 127.35 volt. Pada makalah ini pengendali Field Weakening dibuat dengan menggunakan pengendali PI, dengan 2 Vxmax sebagai masukan acuan dan V2dx + V2qx sebagai masukan umpan balik yang menghasilkan keluaran arus stator sumbu d referensi (Ids). Diagram blok pengendali Field Weakening seperti ditunjukkan pada Gambar 3 (2).
Keluaran pengendali Field weakening adalah arus stator penghasil fluks referensi yang dinyatakan dengan persamaan :
Arus motor dibatasi dengan cara membatasi arus stator acuan sumbu q * qs i dan dinyatakan dengan persamaan:
Dengan Ixmax adalah arus maksimum yang dapat dicatu ke motor.
2.4. Pengendali Arus
Pada pengendali vektor (RFOC), arus umpan balik id dan iq yang akan dibandingkan dengan id acuan dari pengendali Field Weakening dan iq acuan dari pengendali kecepatan diperoleh dari hasil transformasi masukan umpan balik arus stator tiga fasa dari motor dan dinyatakan dengan persamaan
Arus Ids dan Iqs pada pengendali vektor dikendalikan dengan menggunakan pengendali PI dengan diagram blok seperti ditunjukkan pada Gambar 4(2), dengan keluaran sinyal kendali dirumuskan :
dengan konstanta pengendali Kp dan Ki adalah :
Gambar 4. Diagram blok pengendalian Idx dan Iqx dengan pengendali PI
2.5. Perancangan Fluks Model
Pada pengendali vektor terdapat fluks model yang terdiri empat persamaan yaitu persamaan arus magnetisasi rotor Imr, persamaan kecepatan estimasi medan putar ωe, persamaan estimasi posisi sinkron θe yang akan digunakan dalam transformasi sumbu αβ menjadi sumbu dq dan sebaliknya, serta persamaan torsi elektromagnetik Te sebagai berikut :
Persamaan tegangan dekopling dan tegangan stator acuan pada pengendali vektor dinyatakan dengan persamaan
Keluaran pengendali vektor adalah tegangan stator tiga fasa yang diperoleh dari hasil transformasi tegangan stator sumbu dq acuan yang dinyatakan dengan persamaan :
Tegangan acuan tiga fasa ini digunakan sebagai masukan untuk blok PWM dan nilainya dibatasi sebesar . m Vdx/2 agar amplitudo tegangan untuk tiap
fasa tidak melebihi amplitudo sinyal pembawa segitiga pada proses pembentukan sinyal PWM(3).
3. Simulasi dan Analisa Hasil Simulasi
Simulasi dilakukan untuk pengendalian dengan sensor kecepatan dan pengendalian tanpa sensor kecepatan. Diagram blok pengendalian motor induksi dengan sensor kecepatan ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Diagram blok pengendalian kecepatan motor induksi dengamenggunakan sensor kecepatan
Konstanta pengendali kecepatan yang digunakan adalah Kp = 0.35 dan Ki = 0.95, konstanta pengendali Field Weakening Kp = 0.00099 dan Ki = 0.001, konstanta pengendali arus Td = 1x10-3 sedangkan konstanta observer Kobs = 1.33; Kp = 8; dan Ki = 650. Masukan kecepatan acuan yang diberikan adalah 200 rad/detik, kemudian dinaikkan lagi menjadi 250 rad/detik pada saat t= 8 detik dengan waktu cuplik 10-4 detik. Simulasi dilakukan untuk kondisi tanpa torsi beban dan kondisi dengan torsi beban 1 Nm dan 2 Nm. Hasil simulasi pengendalian dengan sensor kecepatan ditunjukkan pada Gambar 6, sedangkan hasil simulasi pengendalian tanpa sensor kecepatan ditunjukkan pada Gambar 7.
Dari hasil simulasi pengendalian dengan sensor kecepatan untuk kecepatan acuan 200 rad/detik terlihat bahwa untuk kondisi tanpa beban motor mampu mencapai kecepatan acuan dalam waktu 4.2 detik dengan kesalahan keadaan tunak sebesar 0.0017%. Respon mengalami overshoot sebesar 2.31% pada saat t=2.32 detik. Pada saat torsi beban 1 Nm, motor mampu mencapai kecepatan acuan dalam waktu 4.5 detik, dengan kesalahan keadaan tunak sebesar 0.005%. Respon mengalami overshoot sebesar 1.936% pada saat t=2.86 detik. Pada saat torsi beban dinaikkan menjadi 2 Nm, motor masih mampu mengikuti kecepatan acuan 200 rad/detik dalam waktu 6.25 detik dengan kesalahan keadaan tunak 0.0066%. Respon mengalai overshoot sebesar 1.405% pada saat t = 4.23 detik. Perbandingan respon pengendalian dengan sensor kecepatan untuk kecepatan acuan 200 rad/detik dengan nilai torsi beban 0 Nm, 1 Nm dan 2 Nm ditunjukkan pada Tabel 2.
Pada saat kecepatan acuan dinaikkan dari 200 rad/det menjadi 250 rad/det, secara umum kecepatan aktual motor masih dapat mengikuti kecepatan acuan baik untuk kondisi tanpa beban maupun untuk torsi beban 1 Nm dan 2 Nm, dengan perbandingan respon seperti ditunjukkan pada Tabel 3.
Gambar 7. Respon kecepatan dan torsi elektromagnetik sistem pengendalian tanpa sensor kecepatan
Dari hasil simulasi pada Gambar 7 terlihat bahwa motor mampu mengikuti kecepatan acuan seperti halnya pada pengendalian dengan sensor kecepatan.
Untuk kondisi tanpa beban, motor mampu mencapai kecepatan acuan dalam waktu 4 detik dengan kesalahan keadaan tunak 0.25%, dan overshoot sebesar 2.01% pada saat t=2.46 detik. Persen kesalahan estimasi adalah 0.25%. Untuk torsi beban 1 Nm, motor mampu mencapai kecepatan acuan dalam waktu 5 detik, dengan kesalahan keadaan tunak 0.425%, dan overshoot sebesar 1.5% pada saat t=3.05 detik. Untuk torsi beban 2 Nm, motor mampu mengikuti kecepatan acuan dalam waktu 5.6 detik dengan kesalahan keadaan tunak 0.65%, dan overshoot sebesar 0.72% pada saat t = 3.95 detik. Perbandingan respon pengendalian tanpa sensor kecepatan untuk kecepatan acuan 200 rad/detik dengan nilai torsi beban 0 Nm, 1 Nm dan 2 Nm
Pada saat kecepatan acuan dinaikkan dari 200 rad/det menjadi 250 rad/det, secara umum kecepatan aktual motor masih dapat mengikuti kecepatan acuan baik untuk kondisi tanpa beban maupun untuk torsi beban 1 Nm dan 2 Nm,dengan perbandingan respon seperti ditunjukkan pada Tabel 3.
Respon sinyal kesalahan kecepatan rotor aktual terhadap kecepatan acuan pada sistem pengendalian dengan sensor kecepatan ditunjukkan pada Gambar 8, sedangkan untuk sistem pengendalian tanpa sensor kecepatan ditunjukkan pada Gambar 9. Respon kesalahan estimasi kecepatan terhadap kecepatan actual seperti ditunjukkan pada Gambar 10.
Gambar 8. Kesalahan keadaan tunak kecepatan rotor sistem pengendalian dengan sensor kecepatan
Gambar 9. Kesalahan keadaan tunak kecepatan rotor sistem pengendalian tanpa sensor kecepatan
Gambar 10. Kesalahan estimasi kecepatan rotor
4. Kesimpulan
Dari hasil simulasi dan analisa yang dilakukan dapat disimpulkan bahwa :
1. Respon sistem pengendalian kecepatan motor induksi tanpa sensor kecepatan dengan beban 0 Nm, 1 Nm dan 2 Nm dapat mendekati respon pengendalian dengan sensor kecepatan dengan rata–rata kesalahan
keadaan tunak kecepatan aktual terhadap kecepatan acuan sebesar 0.442%.
2. Observer dapat bekerja dengan baik untuk menghitung kecepatan estimasi dengan rata-rata kesalahan estimasi sebesar 0.5 %.
3. Semakin besar beban yang diberikan mengakibatkan respon kecepatan aktual untuk mengikuti kecepatan acuan semakin lambat dan semakin memperkecil besarnya lonjakan (overshoot) yang terjadi.
4. Ripple yang terdapat pada respon pengendalian tanpa sensor kecepatan dapat dikurangi dengan cara memperkecil waktu cuplik yang digunakan
Referensi
1. Ridwan Gunawan, Pengendalian Motor Induksi Tanpa Sensor Kecepatan Dengan Orientasi Fluks Rotor Pada Performansi Kecepatan di luarKecepatan Nominal, Disertasi, Universitas Indonesia, 2006.
2. Fery, Pengendali Vektor Arus dan Perbaikan Kesalahan Estimasi Pada Motor Induksi Tanpa Sensor Kecepatan, Skripsi, Universitas Indonesia, 2004.
3. Akhmad Musafa, Kompensasi Kenaikan Tahanan Rotor BerdasarkanKesalahan Arus Magnetisasi Pada Simulasi Pengendalian Motor InduksiTanpa Sensor Kecepatan, Tesis, Universitas Indonesia, 2007.
