Keunggulan motor induksi

(1)

KENDALI MOTOR INDUKSI MENGGUNAKAN

FUZZY SLIDING MODE CONTROLLER BERBASIS

DIRECT FIELD ORIENTED CONTROL

M.

M. KhairulKhairul AmriAmri RosaRosa NRP 2208201012 NRP 2208201012

Pembimbing Pembimbing:: Prof. Dr. Ir.

Prof. Dr. Ir. SoebagioSoebagio, MSEE, MSEE Prof. Dr. Ir.

Prof. Dr. Ir. MauridhiMauridhi HeryHery PurnomoPurnomo, M. Eng., M. Eng.

Program Magister Program Magister Bidang

Bidang KeahlianKeahlian TeknikTeknik SistemSistem TenagaTenaga Jurusan

Jurusan TeknikTeknik ElektroElektro Fakultas

Fakultas TeknologiTeknologi IndustriIndustri Fakultas

Fakultas TeknologiTeknologi IndustriIndustri Institut

Institut TeknologiTeknologi SepuluhSepuluh NopemberNopember Surabaya Surabaya 2010 2010

(2)

Keunggulan motor induksi

Robust

Karakteristik

Keunggulan motor induksi

torka tinggi

Konstruksi

sederhana

Perawatan

mudah

MOTOR INDUKSI

(3)

Motor

Motor induksi

induksi

Motor

Motor induksi

induksi

dalam

dalam electric drive

electric drive

kecepatan

kecepatan variabel

variabel

Pengaturan

kecepatan

frekuensi

torka

frekuensi

tegangan

torka

memerlukan

(4)

MOTOR

INDUKSI

Kontrol

kecepatan

Mesin induksi non linier

dijadikan linier

sulit dikontrol

FOC

Konvensional : PI

Untuk

Kontroler

Non-konvensional :

SMC FLC FSMC

Untuk

memperbaiki

respon

SMC, FLC, FSMC

(5)

Model Sistem

(6)

Model motor induksi

`

Rangkaian ekivalen motor induksi dalam koordinat dqn

R

ω

λ

L

(

ω

−

ω

)

λ

R

ds

λ

s

R

ω

e

λ

qs

L

_l_s

L

_l_r ds

i

m

L

qr r e

ω

λ

ω

)

(

r

R

dr

i

dr

λ

ds

V

_ds _m _dr

V

_dr Sumbu d ds ` dr s

R

ω

e

λ

ds

L

_l_s

L

_l_r qs

i

dr r e

ω

λ

ω

)

(

−

r

R

qr

i

qs

λ

q m

L

q qr

λ

qs

V

_qr Sumbu q

(7)

Model motor induksi

`

Persamaan tegangan motor induksi

`

Persamaan fluksi

`

Persamaan fluksi

(8)

Model motor induksi

`

Persamaan torka elektromagnetik

(9)

Field oriented control

Si

S

l d

FOC

_decoupled

Sistem

Sistem coupled

torka dan fluks berada pada

rangkaian yang sama

torka dan fluks dapat

dikontrol secara terpisah

q e ω s I 0 = qr λ

sumbu d diletakkan pada

sumbu fluks rotor

0 =

λ

=

λ

θ d ds i qs i ω_r r d r dr λ λ =

0 =

qr

λ

_r

=

λ

_dr

L

P

3 menghasilkan persamaan torka

seperti motor dc

r θ sl θ e θ ds qs dr r m e

i

L

P

T

λ

2

3 =

Back

(10)

Field oriented control

(11)

Inverter

Membangkitkan

tegangan

tegangan ac

ac dengan

dengan

i d

i d dd

f k

i

magnitud

magnitud dan

dan frekuensi

frekuensi

yang

yang dapat

dapat diatur

diatur

HB-PWM

CRPWM

PWM

CRPWM

SPWM

SVPWM

(12)

Space vector PWM

`

Sasaran SVPWM untuk memperkirakan tegangan referensi

dalam vektor ruang menggunakan delapan pola switching

g

gg

p

g

dengan periode sampling tertentu

Space vector tegangan

(13)

Space vector PWM

`

Kombinasi urutan switching inverter membentuk 8 pola switching

`

State 1-6 menghasilkan vektor tegangan aktif yang membagi suatu

heksagonal menjadi 6 sektor

`

State 0 dan 7 menghasilkan vektor tegangan nol

`

State 0 dan 7 menghasilkan vektor tegangan nol

(14)

Bentuk tegangan keluaran inverter

`

Tegangan fasa

`

Tegangan line-to-line

(15)

Sliding mode controller

`

Teknik kontrol yang melakukan switching berdasarkan keadaan

sistem.

`

Memaksa lintasan sistem menuju permukaan sliding s=0

`

Sliding pada permukaan begitu mencapai permukaan

(16)

Sliding mode control

Keunggulan SMC

`

Penerapan sederhana

`

Penerapan sederhana

`

Stabil

`

Robust

`

Robust

(17)

Sliding mode control

`

Memecah fungsi kontrol u

adalah kontrol ekivalen

kontrol tidak kontinu menimbulkan

chattering

(18)

Fuzzy sliding mode controller

`

Kombinasi SMC dan FLC

`

Menggabungkan kelebihan masing-masing kontroler

`

Menggabungkan kelebihan masing masing kontroler

`

FLC menggantikan fungsi kontrol SMC yang tidak kontinu

dengan sistem inferensi fuzzy

Struktur FSMC:

(19)

Simulasi

`

Menggunakan program Matlab/Simulink

`

Prosedur Simulasi:

`

Prosedur Simulasi:

`

Membuat model sistem menggunakan SIMULINK

`

Model motor induksi

`

Blok diagram inverter

`

Blok diagram inverter

`

Blok kontroler

`

Membuat model SMC

`

Simulasi dengan SMC

`

Mendapatkan parameter optimum

`

Membuat desain FSMC

`

Simulasi dengan FSMC

`

Analisis dan kesimpulan

(20)

Model Simulink

wr l putaran rotor m Te is_abc fluks pulsa torka elektro-magnetik arus stator fl k d Vdc fluks_dr tegangan output inverter Iabc wr pulsa

(21)

Parameter mesin

(22)

Space-Vector PWM

Space Vector PWM

Transformasi

Transformasi dqdq –– abcabc (4.12) (4.12) ( ) ( ) Transformasi Transformasi abc

abc –– dqdq stasionerstasioner ((αβαβ)) (4.13)

(4.13) Perhitungan

Perhitungan sudutsudut fasafasa (4.15)

(4.15)

Penentuan

Penentuan sektorsektor Perhitungan

Perhitungan waktuwaktu switching switching switching switching (2.54) (2.54) –– (2.56)(2.56) Pembangkitan

(23)

Kontroler

`

Blok kontroler terdiri atas:

`

Kontroler kecepatan

`

Kontroler kecepatan

`

Kontroler arus i

_qs `

Kontroler arus i

_ds

`

Kontroler yang digunakan:

`

Sliding mode control

(24)

Kontroler kecepatan SMC

(25)

Kontroler arus i

_qs

SMC

(26)

Kontroler arus i

_ds

SMC

(27)

FSMC kontroler kecepatan

sinyal error putaran referensi dengan putaran aktual

input

arus sumbu q referensi (i

* qs

)

(28)

FLC pada kontroler kecepatan

1

a

n

NB NS ZE PS PB

Fungsi Keanggotaan Input Pengendali Kecepatan

1

a

n

NB NS ZE PS PB

Fungsi Keanggotaan Output Pengendali Kecepatan

0.2 0.4 0.6 0.8 e raj a t k e ang got a a 0.2 0.4 0.6 0.8 e raj a t k e ang got a a -1 -0.5 0 0.5 1 0 sw D e -1 -0.5 0 0.5 1 0 un D e

Parameter FLC

Tipe

: Mamdani

Metode AND

: MIN

Metode OR

: MAX

Basis Aturan untuk FLC:

• If sw is NB Then un is NB

• If sw is NS Then un is NS

• If sw is ZE Then un is ZE

Metode OR

: MAX

Implikasi

: MIN

Aggregasi

: MAX

Defuzzifikasi

: CENTROID

If sw is ZE Then un is ZE

• If sw is PS Then un is PS

• If sw is PB Then un is PB

(29)

FSMC kontroler arus i

_qs

FSMC kontroler arus i

_qs

sinyal error arus i

_qs

referensi dengan i

_qs

pengukuran

input

perubahan error dalam selang waktu Ts

input

tegangan sumbu q referensi (v

* qs

)

(30)

FSMC kontroler arus i

_ds

FSMC kontroler arus i

_ds

sinyal error arus i

_ds

referensi dengan i

_ds

pengukuran

perubahan error dalam selang waktu Ts

input

tegangan sumbu q referensi (v

* ds

)

(31)

FLC pada kontroler arus

1

a

n

NB NS ZE PS PB

Fungsi Keanggotaan Input 1 Pengendali Arus

1

a

n

NB NM NS ZE PS PM PB

Fungsi Keanggotaan Output Pengendali Arus

0.2 0.4 0.6 0.8 e raj a t k e ang got a a 0.2 0.4 0.6 0.8 e raj a t k e ang got a a -1 -0.5 0 0.5 1 0 s D e

Fungsi Keanggotaan Input 2 Pengendali Arus

-1 -0.5 0 0.5 1 0 un D e 0.6 0.8 1 k e ang got a a n NB NS ZE PS PB

Parameter FLC

Tipe

: Mamdani

Metode AND

: MIN

Metode OR

: MAX

-1 -0.5 0 0.5 1 0 0.2 0.4 d De ra ja t k

Metode OR

: MAX

Implikasi

: MIN

Aggregasi

: MAX

Defuzzifikasi

: CENTROID

ds

(32)

FLC pada kontroler arus

Basis aturan FLC pada pengendali arus

Δs

s

PB

PS

ZE

NS

NB

NM

NS

ZE

NS

NB

NM

NS

ZE

PS

ZE

NM

NS

ZE

PS

PM

ZE

NM

NS

ZE

PS

PM

PS

NS

ZE

PS

PM

PB

ZE

PS

PM

PB

ZE

PS

PM

PB

(33)

Hasil Simulasi

Simulation Results

(34)

Simulasi menggunakan SMC

`

Untuk mendapatkan nilai parameter kendali yang

optimum.

p

`

Indeks performansi sistem dievaluasi menggunakan:

`

Variasi nilai k k dan k

`

Variasi nilai k

_w

, k

_q

, dan k

_d

`

Range k

_w

: 200 – 600

`

Range k

g

_q_q

dan k

_d_d

: 500 – 2000, masing-masing dengan step 50.

g

p

`

Simulasi dengan kecepatan referensi 200 rad/s tanpa

(35)

`

Dari hasil pengujian indeks

Perubahan kw terhadap indeks performansi

Hasil Simulasi

performansi J, diperoleh parameter

kendali SMC:

`

k

_w

= 400

`

k

_q

= 1900

`

k

_d

= 1900

Indeks performansi terkecil:

`

J

= 5961,8

`

Nilai k

_w

, k

_q

, dan k

_d

digunakan untuk

Perubahan kq dan kd terhadap indeks performansi

w q d

g

(36)

Perbandingan performansi FSMC

dan SMC

(37)

Perbandingan performansi FSMC

dan SMC

(38)

Perbandingan performansi FSMC

dan SMC

Performansi

FSMC

SMC

Rise time (detik)

0 260

0 322

Rise time (detik)

0.260

0.322 Steady-state time (detik)

_0.310

_0.345

(39)

Performansi pada kecepatan

bervariasi

(40)

Performansi pada kecepatan

bervariasi

Data simulasi

Waktu (detik) 0 1 2 Kecepatan referensi (rad/s) 100 200 50

(41)

Performansi pada kecepatan

bervariasi

Data simulasi

Waktu (detik) 0 1 2 Kecepatan referensi (rad/s) 100 200 50

(42)

Performansi pada kecepatan

bervariasi

P f

i

Rise time Steady state Overshoot

Performansi

s

y

s

%

Putaran naik: 0 – 100 rad/s

0.17

0.22

0 Putaran naik: 100 – 200 rad/s

Putaran turun: 200 – 50 rad/s

0.10

0.14

0 0 17

0 23

0

(43)

Performansi pada torka beban

bervariasi

Data simulasi Waktu (detik) 1 1 5 2

_{2 5}

Waktu (detik) 1 1.5 2

_2.5

Torka beban (Nm) 300 0 -150 0 Kecepatan referensi (rad/s) 200

(44)

Performansi pada torka beban

bervariasi

Data simulasi Waktu (detik) 1 1 5 2

_{2 5}

Waktu (detik) 1 1.5 2

_2.5

Torka beban (Nm) 300 0 -150 0 Kecepatan referensi (rad/s) 200

(45)

Kesimpulan

`

FOC berhasil diterapkan untuk mengatur torka dan fluks

motor induksi secara terpisah seperti pada mesin arus searah.

`

Penggunaan (FSMC) sebagai pengendali memberikan respon

yang robust terhadap perbahan parameter dan perubahan

beban serta kendali yang halus tanpa overshoot baik pada saat

y g

p

accelerating dan decelerating, pada saat terjadi gangguan beban

dan perubahan parameter, yang baik untuk dinamik kendaraan

elektrik.

`

Respon kecepatan FSMC lebih baik dibanding SMC. Pada

kecepatan referensi 200 rad/s, FSMC mencapai steady state

pada 0 31 detik dengan rise time 0 26 detik SMC mencapai

pada 0.31 detik dengan rise time 0.26 detik. SMC mencapai

steady state pada 0.345 detik dengan rise time 0.322 detik.

`

FSMC mengoptimalkan torka elektromagnetik motor, sehingga

h ilk

l bih

t dib di

SMC

(46)

Daftar Pustaka

1. Bousserhane, I. K., A. Hazzab, P. Sicard, M. Rahli, B. Mazari, and M. Kamli, Fuzzy Sliding

Mode Based on Indirect Field Orientation for Induction Motor Drive, IEEE Transactions on.,

2006 pp 537-542 2006, pp.537 542.

2. Meroufel, A., A. Massoum, P. Wira, A Fuzzy Sliding Mode Controller for A Vector Controlled

Induction Motor, IEEE Transaction on, 2008, pp. 1873-1878.

3. Swamy, R. L. and P. S. Kumar, Speed Control of Space Vector Modulated Inverter Driven y, , p f p

Induction Motor, Proceedings of the International Multi Conference of Engineers and

Computer Scientists, 2008, Hong Kong.

4. Soebagio,”Model Mesin AC pada Koordinat dqn”, Materi kuliah Mesin Sinkron Lanjut,

I tit t T k l i S l h N b 2006

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2006

5. Faiz, J., M. Sharifian, A. Keyhani, A. Proca, Sensorless Direct Torque Control of Induction

Motors Used in Electric Vehicle, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 18, 2003.

6 Tunyasrirut S and S Srilad Fuzzy Logic Control for a Speed Control of Induction Motors

6. Tunyasrirut, S. and S. Srilad, Fuzzy Logic Control for a Speed Control of Induction Motors

using Space Vector Pulse Width Modulation, Proc. of World Academy of Science,

Engineering and Technology, 2007, pp.71-77.

7. Noaman, M., Speed Control for IFOC Induction Machine with Robust Sliding Mode Controller,

(47)

Daftar Pustaka

8. Bose, Bimal K., Modern Power Electronics and AC drives, Prentice Hall Ptr, 2002.

9. Ong, Chee-Mun, Dynamic Simulation of Electric Machinery using Matlab/Simulink, Prentice

H ll PTR N J 1998

Hall PTR, New Jersey, 1998.

10. Casadei, D., F. Profumo, G. Serra, and A. Tani, FOC and DTC: Two Viable Schemes for Induction

Motor Torque Control, IEEE Transaction on Power Electronics, vol. 17 no. 5, 2002, pp

779-786.

11. Yuhendri, Muldi, Penggunaan Fuzzy Logic Controller (FLC) Untuk Maximum Output Power

Tracking (MOPT) pada Pembangkit Listrik Tenaga Angin dengan Kecepatan Variabel, PPS

Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2009.

12. Mohan, Ned, Advanced Electric Drive: Analysis, Control and Modeling using Simulink, MNPERE,

Minneapolis, 2001.

13. T. Fu, W. Xie, “Novel Sliding Mode Control of Induction Motor Using Space Vector

Modulation Technique” ISA Trans 44 2005 pp 481 490 Modulation Technique , ISA Trans. 44, 2005, pp 481–490

14. Kusumadewi, Sri, Analisis & Desain Sistem Fuzzy, Graha Ilmu, Yogyakarta, 2002.

15. Prabowo, Gigih, Metoda Direct Torque Control pada Pengaturan Kecepatan Motor Induksi

Tanpa Sensor Dengan Menggunakan Sliding Mode Control, PPS Institut Teknologi Sepuluh Tanpa Sensor Dengan Menggunakan Sliding Mode Control, PPS Institut Teknologi Sepuluh

(48)