SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA MENGGUNAKAN KONTROLER PID BERBASIS GENETIC ALGORITHM

(1)

i

SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI

TIGA FASA MENGGUNAKAN KONTROLER PID BERBASIS

GENETIC ALGORITHM

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Akademik dalam Menyelesaikan Program Sarjana (S-1) Teknik

Disusun Oleh :

FATIH MUTAMMIMUL WILDAN 201110130311087

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

(2)

(3)

(4)

(5)

v

KATA PENGANTAR

Dengan memanjatkan puji syukur kehadirat Allah SWT. Atas rahmat serta hidayah-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul :

“SISTEM PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA MENGGUNAKAN KONTROLER PID BERBASIS GENETIC ALGORITHM”.

Dalam mewujudkan semua yang lebih baik, kami selalu berhadapan dengan segala macam hambatan. Tidak lain halnya dalam pembuatan Laporan Tugas Akhir ini, banyak hambatan yang harus penulis lewati, tetapi berkat bantuan dari beberapa pihak akhirnya penulis dapat melampauinya dengan lancar.

Penulis menyadari bahwa didalam penulisan laporan ini tidak terlepas dari bimbingan dan pengarahan dari para dosen Universitas Muhammadiyah Malang serta pihak – pihak yang telah tulus ikhlas memberikan bantuan baik secara moril dan spiritual. Semoga amal kebaikan serta keikhlasan mereka mendapat balasan setimpal dari Allah SWT.

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan skripsi ini masih banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan dan perkembangan teknologi kedepan.

Malang, 9 Mei 2016

(6)

vi

DAFTAR ISI

LEMBAR JUDUL ... i

LEMBAR PERSETUJUAN ... ii

LEMBAR PENGESAHAN ... iii

LEMBAR PERNYATAAN ... iv

ABSTRAK ... v

ABSTRACT ... vi

LEMBAR PERSEMBAHAN ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

1.5 Metodelogi Penelitian ... 3

1.6 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II DASAR TEORI ... 5

2.1 Motor Induksi ... 5

2.1.1 Konstruksi Motor Induksi ... 5

2.1.2 Prinsip Kerja Motor Induksi ... 8

2.1.3 Slip Motor Induksi ... 9

2.1.4 Frekuensi Arus Rotor ... 10

2.1.5 Pengaturan Putaran Motor Induksi ... 10

2.2 Inverter ... 12

(7)

vii

2.4.1 Kontroler Proportional ... 18

2.4.2 Kontroler Integral ... 19

2.4.3 Kontroler Diferensial... 20

2.4.3 Kontroler PID ... 21

2.5 Tanggapan Wawasan Waktu ... 23

2.6 Genetic Algorithm (Algoritma Genetika) ... 24

2.6.1 Hal-hal Yang Harus Dilakukan Dalam Algoritma Genetika ... 25

2.6.2 Pengertian Individu ... 26

2.6.3 Nilai Fitness ... 27

2.6.4 Siklus Algoritma Genetika ... 28

2.6.5 Komponen Utama Algoritma Genetika... 29

2.7 MATLAB ... 37

2.7.1 Karakteristik MATLAB ... 37

2.7.2 Fungsi M-File Pada M ... 38

2.7.3 MATLAB Simulink ... 38

BAB III PERANCANGAN DAN PEMODELAN SISTEM ... 40

3.1 Data Motor Induksi ... 40

3.2 Perancangan Pemodelan Simulasi ... 40

3.3 Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa ... 41

3.4 Pemodelan Inverter Tiga Fasa... 43

3.5 Pemodelan Vector Control ... 44

3.5.1 ABC to dq Convertion ... 45

3.5.2 dq to ABC Convertion ... 45

3.5.3 Flux Calculation ... 46

(8)

viii

3.6 Hysteresis Current Regulator ... 47

3.7 Kontroler PID ... 48

3.8 Penalaan Parameter Kontroler PID Menggunakan GA ... 49

BAB IV ANALISADAN PENGUJIAN SISTEM ... 53

4.1 Rangkaian dan Simulasi ... 53

4.2 Hasil Simulasi Tanpa Kontroler PID ... 54

4.3 Hasil Simulasi Menggunakan Kontroler PID ... 57

4.3.1 Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10 ... 56

4.4.2 Perbandingan Saat Beban 40 Nm ... 65

(9)

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Stator dan rotor motor induksi ... 5

Gambar 2.2 Rangkaian rotor sangkar tupai ... 7

Gambar 2.3 Rangkaian rotor belitan ... 7

Gambar 2.4 Sambungan motor induksi dengan sumber 3 fasa ... 9

Gambar 2.5 Pelaksanaan lilitan untuk mengubah jumlah kutub dengan mengubah sambungan fasa ... 11

Gambar 2.6 Pelaksanaan hubungan untuk tinggi sambungan seri P=8 ... 11

Gambar 2.7 Pelaksanaan hubungan untuk tinggi sambungan seri P=4 ... 12

Gambar 2.8 Inverter tiga fasa beban hubung bintang ... 13

Gambar 2.9 Bentuk gelombang tegangan fasa a-Van n ... 13

Gambar 2.10 Pulse Width Modulation ... 14

Gambar 2.11 Kerangka acuan tetap 3 koordinat ... 15

Gambar 2.12 (a,b,c) (α,β) (transfomasi Clarke) ... 16

Gambar 2.13 (a,ß)  (d,q) (transfomasi Park) ... 17

Gambar 2.14 Diagram blok sistem kontrol berumpan balik ... 18

Gambar 2.15 Diagram blok kontroler proporsional ... 18

Gambar 2.16 Proportional Band dari kontroler proporsional pada penguatan .... 19

Gambar 2.17 Diagram blok kontroler integral ... 20

Gambar 2.18 Diagram blok kontroler diferensial ... 20

Gambar 2.19 Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial ... 21

Gambar 2.20 Blok Diagram Kontroler PID ... 22

Gambar 2.21 Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk kontroler PID ... 22

Gambar 2.22 Karakteristik Tanggapan Tangga Satuan ... 24

Gambar 2.23 Ilustrasi Representasi Penyelesaian Permasalahan dalam GA ... 27

Gambar 2.24 Kerangka kerja penerapan Algoritma Genetika untuk menyelesaikan suatu masalah optimasi ... 28

Gambar 2.25 Struktur dasar Algoritma Genetika ... 28

Gambar 2.26 Ilustrasi seleksi dengan model roda rolet ... 31

Gambar 2.27 Ilustrasi metode penyilangan n-titik ... 33

(10)

x

Gambar 2.29 Ilustrasi metode penyilangan berbasis posisi ... 34

Gambar 2.30 Ilustrasi metode penyilangan berbasis urutan... 34

Gambar 2.31 Ilustrasi metode mutasi kode biner ... 35

Gambar 2.32 Ilustrasi metode mutasi berbasis posisi ... 36

Gambar 2.33 Ilustrasi metode mutasi berbasis urutan ... 36

Gambar 2.34 Ilustrasi metode mutasi campur aduk ... 36

Gambar 3.1 Blok Diagram Inverter dan Kontrol PID berbasis GA ... 41

Gambar 3.2 Pemodelan Motor Induksi ... 42

Gambar 3.3 Blok Konfigurasi Motor Induksi MATLAB ... 42

Gambar 3.4 Blok Parameter Motor Induksi MATLAB ... 43

Gambar 3.5 Pemodelan Inverter ... 44

Gambar 3.6 Blok Parameter Inverter Tiga Fasa MATLAB ... 44

Gambar 3.7 Pemodelan Vector Control ... 45

Gambar 3.8 Blok Rangkaian Transformasi Vector Control ... 45

Gambar 3.9 Pemodelan ABC-dq Convertion ... 45

Gambar 3.10 Pemodelan dq-ABC Convertion ... 46

Gambar 3.11 Pemodelan Flux Calculation ... 46

Gambar 3.12 Pemodelan Teta Calculation ... 47

Gambar 3.13 Pemodelan Hysteresis Current Regulator ... 47

Gambar 3.14 Blok Rangkaian Hysteresis Current Regulator ... 47

Gambar 3.15 Pemodelan Kontroler PID ... 48

Gambar 3.16 Blok Parameter Kontroler PID MATLAB ... 48

Gambar 3.17 FlowchartGenetic Algorithm ... 49

Gambar 4.1 Simulasi Rangkaian Keseluruhan ... 53

Gambar 4.2 Simulasi Rangkaian Tanpa Kontroler PID ... 54

Gambar 4.3 Simulasi Rangkaian Menggunakan Kontroler PID ... 54

Gambar 4.4 Kecepatan Motor Tanpa Kontroler PID Dengan Beban Bervariasi ... 55

Gambar 4.5 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10 ... 57

(11)

xi

Gambar 4.7 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan

Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30 ... 59

Gambar 4.8 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1 ... 61

Gambar 4.9 Kecepatan Motor Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1 ... 62

Gambar 4.10 Perbandingan Respon Kecepatan Motor saat Beban 0 Nm ... 64

(12)

xii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tanggapan sistem kontrol PID terhadap perubahan parameter ... 18 Tabel 3.1 Data Nameplate Motor Induksi 3 fasa MATLAB ... 40 Tabel 4.1 Respon Motor Ketika Tanpa Kontroler PID... 55 Tabel 4.2 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp,

Ki, dan Kd 0-10 ... 56 Tabel 4.3 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan

Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-10 ... 57 Tabel 4.4 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp,

Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-20 ... 58 Tabel 4.6 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai Kp,

Nilai Kp, Ki, dan Kd 0-30 ... 60 Tabel 4.8 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai

Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1 ... 60 Tabel 4.9 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan

Nilai Kp 5-15, Ki 1-10 dan Kd 0.1-1 ... 61 Tabel 4.10 Hasil Simulasi Pencarian Parameter PID saat Pembatasan Nilai

Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1 ... 62 Tabel 4.11 Respon Motor Ketika Menggunakan Kontroler PID saat Pembatasan

Nilai Kp 5-15, Ki 0.1-1 dan Kd 0.001-0.1 ... 62 Tabel 4.12 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai

Parameter Kp, Ki dan Kd dengan Beban 0 Nm ... 63 Tabel 4.13 Perbandingan Hasil Simulasi dengan Lima Jangkauan Batasan Nilai

(13)

xiii

Tabel 4.16 Perbandingan Saat Beban 0 Nm ... 65

(14)

xiv

DAFTAR PUSTAKA

[1] Abu-Rub Haitham, Iqbal Atif, Guzinski Jaroslaw. 2012. HIGH PERFORMANCE CONTROL OF AC DRIVES WITH MATLAB/SIMULINK

MODELS. UK: John Wiley & Sons, Inc.

[2] Aris Sugiharto. 2006. Pemrograman GUI dengan MATLAB. Yogyakarta: Andi Offset.

[3] Endra Pitowarno. 2006. ROBOTIKA DESAIN, KONTROL, DAN

KECERDASAN BUATAN. Yogyakarta: Andi Offset.

[4] Ermanu Azizul Hakim, 2012. Sistem Kontrol. Malang: UMM Press.

[5] Falahal Abadi, 2015, Desain Optimal Power System Stabilizer (PSS) PLTMH

Berbasis Fuzzy PID Menggunakan Genetic Algorithm. Malang.

[6] Hamzah Berahim. 1994. PENGANTAR TEKNIK TENAGA LISTRIK Teori

Ringkas dan Penyelesaian Soal. Yogyakarta: Andi Offset.

[7] Ismail Muchsin. 2009. Motor Induksi. Jurnal Pusat Pengembangan Bahan Ajar: UMB.

[8] M Subchan Mauludin. 2011. Simulasi Kontrol PID Untuk Mengatur Putaran

Motor AC. Semarang.

[9] Muhamad Ali. 2010. Materi Kuliah Elektronika Daya. Yogyakarta: UNY

[10] Muhammad Arhami dan Anita Desiani. 2005. Pemrograman MATLAB. Yogyakarta: Andi.

[11] Nurhadi. 2013. Diktat Elektronika Daya. Malang: UMM.

[12]Rashid M.H. 2011. POWER ELECTRONICS HANDBOOK:devices,

(15)

xv

[13] Sumanto. 1993. MOTOR LISTRIK Arus Bolak – Balik Motor Sinkron Motor

Induksi. Yogyakarta: Andi Offset.

[14] The Mathworks, Inc., Le-Huy, H., 2016. Vector Control of AC Motor Drive. Available at: http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/examples/vector-control-of-ac-motor-drive.html

[15] Yon Rijono. 2002. Dasar Teknik Tenaga Listrik Edisi Revisi. Yogyakarta: Andi.

[16] Zainudin Zukhri. 2014. Algoritma Genetika Metoda Komputasi Evolusioner

untuk Menyelesaikan Masalah Optimasi. Yogyakarta: Andi Offset.

(16)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor induksi 3 fasa merupakan motor arus bolak-balik yang paling banyak digunakan sebagai aktuator yang merubah energi listrik menjadi energi gerak untuk berbagai keperluan dalam proses produksi pada suatu industri. Konstruksinya yang sederhana dan kuat mendasari alasan keluasan pemakaianya. Namun motor induksi 3 fasa tidak terlepas dari beberapa kekurangan seperti pengaturan kecepatan motor yang sulit mempengaruhi performa motor induksi tersebut. Selain itu juga meningkatnya beban pada motor induksi juga berpengaruh terhadap stabilitas kecepatan motor induksi secara umum.

Sebagai pengendali motor induksi 3 fasa diperlukan adanya sebuah

inverter. Inverter merupakan sebuah alat pengatur kecepatan motor dengan

mengubah nilai frekuensi yang masuk ke motor. Pengaturan nilai frekuensi ini dimaksudkan untuk memperoleh kecepatan putaran yang di inginkan atau sesuai dengan kebutuhan. Namun dalam inverter itu sendiri perlu ditambahkan sebuah kontroler sehingga nilai kontrol terhadap motor dapat disesuaikan dengan kebutuhan yang diinginkan.

(17)

2

Berdasarkan latar belakang masalah yang telah di jabarkan tersebut maka penulis ingin mengembangkan sistem kontrol yang terdapat pada inverter

terutama kontroler PID dengan menggunakan metode Genetic Algorithm (GA).

1.2 Rumusan Masalah

Bedasarkan latar belakang di atas dapat dirumuskan masalah sebagai berikut:

1. Bagaimana merancang sistem kontrol kecepatan motor induksi tiga fasa pada inverter menggunakan kontroler PID berbasis GA?

2. Bagaimana perbandingan performa kecepatan motor induksi tiga fasa ketika tanpa kontroler PID dan dengan kontroler PID berbasis GA?

1.3 Tujuan

Dalam penyusunan tugas akhir ini hal yang ingin dicapai sebagai berikut:

1. Merancang sistem kontrol kecepatan motor induksi tiga fasa pada inverter

menggunakan kontroler PID berbasis GA.

2. Memperbaiki performa kecepatan motor induksi tiga fasa ketika tanpa kontroler PID dan dengan kontroler PID berbasis GA.

1.4 Batasan Masalah

Agar permasalahan mengarah dan sesuai dengan tujuan, maka dalam penulisan ini dibatasi dengan hal-hal berikut :

1. Menggunakan pengontrolan frekuensi PWM untuk pengaturan kecepatan motor.

2. Analisis pengembangan kontroler PID menggunakan metode genetic

algorithm (GA).

3. Simulasi hasil sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa mengunakan kontroler PID berbasis genetic algorithm (GA) menggunakan

(18)

3

1.5 Metodelogi Penelitian

Metode yang digunakan dalam menyusun tugas akhir dengan judul “Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan Kontroler PID Berbasis Genetic Algorithm” sebagai berikut :

1.5.1 Studi Literatur

Pengumpulan data dilakukan dengan cara studi pustaka pada berbagai sumber yang berhubungan dengan pengerjaan proyek tugas akhir baik bersumber dari buku, artikel, atau tutorial dari internet.

1.5.2 Perancangan Sistem

Pada tahap ini yang dilakukan adalah membuat perancangan sistem yaitu membuat blok diagram, menentukan dan menyusun algoritma untuk perancangan software.

1.5.3 Simulasi Sistem

Pada tahap ini dilakukan uji coba program untuk mengetahui sejauh mana hasil dari program yang telah dibuat, serta melakukan perbaikan apabila terjadi kesalahan pada program.

1.5.4 Analisa Hasil

Pada tahap ini dilakukan analisa terhadap hasil dari simulasi yang telah dibuat serta dibandingkan antara respon kecepatan motor dengan beban bervariasi.

1.5.5 Penutup

Pada tahap terakhir ini dilakukan pengambilan kesimpulan yaitu berisikan kesimpulan dan saran atas analisa yang dibuat.

1.6 Sistematika Penulisan

(19)

4

BAB I : PENDAHULUAN

Pada bab ini dijelaskan mengenai latar belakang permasalahan, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, metodologi penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II : TINJAUAN PUSTAKA

Pada bab ini dijelaskan mengenai landasan teori, rujukan, dan metode yang digunakan sebagai dasar dan alat untuk menyelesaikan permasalahan.

BAB III : PERANCANGAN DAN PEMODELAN SISTEM

Pada bab ini dijelaskan tentang perancangan sistem keseluruhan dan dijelaskan secara sistematis perancangan blok diagram sistem serta rangkaian dari sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan kontroler PID dengan menggunakan

software MATLAB 2013b berbasis genetic algorithm.

BAB IV : ANALISA DAN PENGUJIAN SISTEM

Pada bab ini berisi tentang analisa data yang diperoleh dari sistem yang telah dibuat pada matlab, kemudian dilakukan pengujian sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan kontroler PID berbasis genetic algorithm.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari sistem pengaturan kecepatan motor induksi tiga fasa menggunakan kontroler PID berbasis

genetic algorithm serta saran-saran yang diberikan untuk