TUGAS AKHIR ANALISIS SISTEM KENDALI INDUSTRI FIELD ORIENTED CONTROL ( FOC)
Oleh :
CHAIRUL NAZALUL ANSHAR
1209881
PENDIDIKAN TEKNOLOGI KEJURUAN
PASCA SARJANA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS NEGERI PADANG
2013
A. Pengantar
Variabel kecepatan drive listrik saat ini digunakan di hampir setiap kehidupan dari perangkat yang paling dasar seperti alat genggam dan peralatan rumah lain sampai yang paling canggih seperti sistem propulsi listrik di kapal pesiar dan manufaktur presisi tinggi technologies pada aplikasi variabel kontrol mungkin kecepatan torsi motor atau posisi dari poros rotor. Dalam aplikasi yang paling menuntut kebutuhannya adalah untuk dapat mengontrol torsi pemilihan tromagnetic mesin listrik dalam rangka untuk dapat memberikan transisi yang dikendalikan dari satu kecepatan operasi ke kecepatan lain.
Ini berarti bahwa kontrol drive harus mampu mencapai respon dinamik yang diinginkan dari variabel terkontrol dalam interval waktu minimal ini hanya dapat dicapai jika torsi elektromagnetik motor
Dalam aplikasi yang paling menuntut kebutuhannya adalah untuk dapat mengontrol torsi pemilihan tromagnetic mesin listrik dalam rangka untuk dapat memberikan transisi yang dikendalikan dari satu kecepatan ke kecepatan lain. Ini berarti bahwa kontrol drive harus mampu mencapai respon dinamik yang diinginkan dari variabel terkontrol dalam interval waktu minimal, ini hanya dapat dicapai jika torsi elektromagnetik motor dapat mencapai nilai maksimum yang diinginkan, Variabel kecepatan drive listrik diperbolehkan mencapai kinerja tersebut biasanya disebut kinerja tinggi drive
Pergantian dc drive dengan ac drive dalam aplikasi mungkin relatif baru dari pengontrolan kontrol, perlu untuk mengkonversi mesin ac ke dc bekerja setara sehingga kontrol dua arus menghasilkan fluks yang dipisahkan dan pengontrolan torsi, pengontrolan ini biasanya disebut “ field oriented-control (FOC)” atau “vektor kontrol”
Field oriented-control (FOC) ada tiga :
1. Bidang berorientas kontrol pada motor singkron magnet permanen.
2. Bidang berorientasi kontrol pada motor singkron reluctance.
3. Bidang berorientasi kontrol pada motor induksi.
B. Bidang Berorientasi Kontrol Pada Motor Singkron Magnet Permanen.
Pertimbangkan MSMP terhubung multifase, dengan pergeseran spasial antara dua fase yang berurutan dari 2π / n , dan membiarkan nomor fase n menjadi ganjil tanpa mengurangi keumumannya. Titik netral dari belitan stator terisolasi magnet permanen berada di rotor atau tertanam dalam rotor dalam kasus yang pertama celah udara dari mesin dapat dianggap sebagai seragam, sementara dalam kasus yang terakhir panjang celah udara adalah variabel, karena magnet permanen memiliki permeabilitas yang praktis sama dengan udara demikian MSMP ditandai dengan celah udara yang agak besar ( yang akan membuat operasi di lapangan melemahnya, sedangkan celah udara dari MSMP kecil, tetapi reduktance magnetik adalah variabel, karena efek saliency yang dihasilkan oleh magnet yang tertanam pada rotor dari mesin yang tidak memiliki gulungan , terlepas dari cara di mana magnet ditempatkan Model Matematika dari MSMP dapat diberikan dalam kerangka acuan umum yang melekat erat pada rotor dengan persamaan berikut : dimana indeks l singkatan kebocoran induktansi , v , i , dan ψ menunjukkan tegangan, arus , dan fluks linkage , masing-masing , d dan q berdiri untuk komponen sepanjang sumbu fluks magnet permanen ( d ) dan sumbu tegak lurus untuk itu ( q ) , dan s menunjukkan stator induktansi Ld dan Lq adalah belitan stator diri induktansi bersama sumbu d dan q.
Tegangan dan persamaan hubungan fluks merupakan mesin n fase dalam hal set variabel n baru , diperoleh setelah mengubah model mesin asli dalam fase variabel domain dengan menggunakan kekuatan invarian matriks transformasi yang berkaitan variabel fase asli dan variabel baru melalui mana f singkatan tegangan , fluks [ D ] dan [ C ] adalah matriks transformasi rotasi dan decoupling matriks transformasi untuk variabel stator
Tipe Utama MSMP
1. Motor magnet interior (MI). Motor ini mampu menghasilkan torka reluktansi selain torka mutual. Torka reluktansi dihasilkan oleh struktur yang menonjol dalam lintasan-lintasan magnetik sumbu quadratur (q) dan sumbu direct (d). Torka magnetik dihasilkan oleh interaksi medan magnet dan arus stator. Karena torka reluktansi yang besar maka memungkinkan untuk dilakukan pelemahan medan.
2. Tipe permukaan (surface mounted). Motor tipe ini memiliki struktur yang kecil dengan unjuk kerja yang sangat baik dan sangat efektif dalam aplikasi-aplikasi industri dengan daya yang tinggi. Dalam penelitian ini digunakan
Jika torsi elektromagnetik sebuah mesin dapat berubah dari nilai konstan dengan nilai maksimum yang diizinkan , maka kecepatan respon akan hampir linier, perubahan torsi membutuhkan pergerakan dari sumbu q di mesin dengan waktu yang sangat kecil pada belitan stator ( induktansi sangat kecil ) dalam sebuah MSMP, stator sumbu q merubah komponen arus yang sangat cepat ( meskipun tidak seketika ) danmsebagai konsekuensinya , kecepatan respon untuk langkah perubahan referensi kecepatan linear praktis selama operasi di torsi ( stator sumbu q – saat ini ) dibatasi, Hal ini terbukti setiap drive performa tinggi adalah perilaku penolakan beban (yaitu , respon terhadap langkah bongkar / muat ) untuk tujuan ini, selama pengoperasian MSMP dengan kecepatan konstan merujuk 1500 rpm terminal angker dari mesin dc, digunakan sebagai beban, tiba-tiba terhubung ke perlawanan di sirkuit angker , sehingga menciptakan efek beban, direkam selama penerapan beban pada 1500 rpm referensi kecepatan, Karena aplikasi beban torsi terganggu, kecepatan pasti turun selama transien
Model prilaku dinamis MSMP dibutuhkan untuk mendukung pengembangan sistem pengendalian. Persamaan dinamik belitan tiga fasa yang menghubungkan tegangan terminal ke fluks linkup dan arus fasa adalah:
C. Bidang Berorientasi Pengendalian multifasa motor singkron reduktance
Motor variable-reluctance (VR) tidak menggunakan magnet pada rotornya, sebagai gantinya, digunakan roda besi bergerigi (toothted iron wheel, Keuntungan dari tidak diperlukannya rotor yang termagetisasi adalah bahwa dia dapat dibuat dalam berbagai ketajaman (any shape). Setiap gigi rotor ditarik mendekati kutub medan dalam stator yang mendapat energi, tetapi tidak dengan gaya yang sama seperti pada motor magnet permanen. Hal ini memberikan motor VR torsi yang lebih kecil dibandingkan dengan motor magnet permanen.
Gambar 1. Motor tiga-phase (15 step)
Motor VR umumnya mempunyai tiga atau empat phase. Gambar 1(a) menunjukkan sebuah motor tiga-phase tipikal. Stator mempunyai tiga rangkaian kutub medan: Ø1, Ø2 dan Ø3. Gambar 1(b) menunjukkan bahwa motor aktual mempunyai 12 kutub medan, di mana setiap rangkaian memberikan energi pada empat kumparan; kita dapat melihat ini dengan mengamati lebih dekat kumparan Ø1 dalam Gambar 1(b). Perhatikan bahwa rotor hanya mempunyai 8 gigi walaupun terdapat 12 gigi pada stator. Karena itu gigi rotor tidak dapat naik “one for one” dengan gigi stator.
Gambar 2. Motor VR tiga-phase 150.
(hanya empat kutub medan yang ditampilkan)
Gambar 1 mengilustrasikan operasi motor VR. Bila rangkaian Ø1 mendapat energi, rotor bergerak ke posisi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2(a)—yakni gigi rotor (A) segaris dengan kutub medan Ø1. Selanjutnya rangkaian Ø2 mendapat energi. Gigi rotor B mendekat dan ditarik ke arah Ø2 [Gambar 2(b)]. Perhatikan bahwa rotor harus bergerak hanya 150 untuk persejajaran ini. Jika rangkaian Ø3 yang berikutnya mendapat energi, rotor akan terus berlanjut ke arah CCW 150 dengan menarik gigi C menjadi sejajar.
Sudut step motor VR adalah selisih antara sudut rotor dan sudut stator. Untuk motor pada Gambar 2, sudut antara kutub medan adalah 300, dan sudut antara kutub rotor adalah 450. Karena itu step nya adalah 150 (450 – 300 = 150). Dengan menggunakan desain ini, motor VR dapat dicapai step yang sangat kecil (kurang dari 10). Ukuran step yang kecil sering menjadi pertimbangan karena untuk memberikan posisi yang lebih presisi.
Motor VR mempunyai banyak perbedaan fungsional bila dibandingkan dengan motor jenis magnet permanen. Karena rotor tidak termagnetisasi, motor VR lebih lemah (torsi kecil) dari motor magnet permanen dengan ukuran yang sama. Dan juga, tidak mempunyai detent torque bila catu daya mati, yang dapat merupakan keuntungan atau kerugian tergantung pada aplikasi. Akhirnya, karena ukuran step nya kecil dan detent torque yang direduksi, motor VR mempunyai kecenderungan yang lebih untuk mengalami overshoot dan melewati suatu step. Hal ini merupakan hal yang serius jika motor dioperasikan dalam open-loop, di mana posisi dipertahankan dengan menjaga sejumlah step yang diberikan. Untuk mengatasi masalah ini, beberapa urutan damping dapat digunakan. Hal ini dapat dilakukan secara mekanik dengan menanmbahkan gesekan (friction) atau secara elektrik dengan memberikan suatu torsi pengereman kecil (slight braking torque) dengan kutub-kutub medan yang berdekatan.
D. Bidang Berorientasi Pengendalian multifase Mesin Induksi
Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC. Serupa dengan mesin sinkron , skema FOC untuk mesin induksi juga dikembangkan menggunakan model matematis diperoleh dengan teori umum mesin ac Sebuah n – fase tupai kandang induksi motor dapat dijelaskan dalam kerangka acuan umum yang berputar pada sewenang-wenang kecepatan rotasi ωa dengan bagian fluks – torsi yang memproduksi model
Ini sekaligus model lengkap kandang tupai mesin induksi tiga fase Jika stator memiliki lebih dari tiga fase , model ini juga mencakup persamaan non-flux / torque-producing adalah bentuk yang sama untuk semua mesin n – fase dengan distribusi gaya magnetomotive sinusoidal Sebagai rotor hubung pendek , tidak ada xy tegangan nilai nol dapat muncul pada rotor (karena tidak ada penghubung antara stator dan rotor.
Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama
1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
– Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
– Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada
batang as dengan sikat yang menempel padanya.
2. Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat
Gambar 3. Motor Induksi (Automated Buildings)
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003):
1. Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
2. Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
Motor induksi bekerja sebagai berikut. Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin