motor induksi dtc

PERANCANGAN DAN SIMULASI DIRECT TORQUE CONTROL SPACE VECTOR MODULATION (DTC-SVM)

DENGAN KONTROL PI UNTUK MOTOR INDUKSI 3 FASA SEBAGAI PENGGERAK RODA KENDARAAN LISTRIK

Oleh : Ikhwan Widya PratamaPembimbing : Dr. Ir. Mochammad Rameli

Latar Belakang Penggunaan motor induksi 3 fasa sebagai penggerak

roda kendaraan listrik.

Metode DTC sebagai strategi pengontrolankecepatan motor induksi dalam pengaturan VariableSpeed Drive (VSD) masih memiliki beberapakelemahan.

Diperlukan adanya sistem electronic differentialuntuk mengatur kecepatan roda kendaraan listriksaat kendaraan berjalan lurus maupun berbelok.

Permasalahan

Pengoptimalan metode DTC denganmenggunakan teknik Space VectorModulation (SVM).

Penyusunan sistem electronic differentialyang digunakan pada kendaraan listrik.

Tujuan

Penggunaan teknik Space Vector Modulation padametode Direct Torque Control diharapkan dapatmengurangi ripple torsi motor yang terjadi pada DTCkonvensional.

Sistem electronic differential diharapkan mampubekerja dengan baik untuk kondisi operasikendaraan melaju lurus maupun saat berbelok.

Batasan Masalah

Parameter motor induksi yang digunakanberdasarkan referensi paper.Massa kendaraan diabaikan. Sudut kemiringan jalan diabaikan. Gaya gesek antara roda dengan jalan

diabaikan.

Prinsip Kerja Motor

Sumber Tegangan 3 fasa Stator arusstatormedan magnet stator medan putar stator batang konduktor rotor tegangan induksi pada rotor arus rotor medanmagnet rotor gaya rotor berputar.

.

Diagram Blok DTC Clasic

Vabc

Iabc

F_est

T_est

alphaAlphaSector

D_Phi

F_est

Sector

D_TeGates

D_Phi

D_Te

F_error

T_error

+-

G

MI

+-

Vdc

F_ref

T_ref

F_est T_est

F_error

T_error

Comparator Hysterisis

SwitchingTable

Estimator

Va

Vb

Vc

TL

Diagram Blok DTC_SVM

Vabc

Iabc

F_est

T_est

alpha

SVMTorque

Controller

+-

G

MI

+-

Vdc

F_ref

T_ref

F_est T_est

F_error

T_error

Estimator

Va

Vb

Vc

TL

FluxController

α

Gate

Electronic Differential

Scope Proyek Akhir Secara Keseluruhan

MRML

DTC_SVM_1 DTC_SVM_2

IP IP

kgear kgear

+ +

+ +

- -

+ +

δ* ωv*

ωr_R*ωr_L

*

ωm_R*ωm_L

*

ωm_Rωm_L

Tem_R*Tem_L

*

S12_R S22_R S32_R

S11_R S21_R S31_R

S12_L S22_L S32_L

S11_L S21_L S31_L

E

Tem_RTem_L

Right Rear

Wheel

Left Rear

Wheel

Ωw_L

Tgear_L Tgear_R

Ωw_R

iinv_L iinv_R

ib


AcceleratorSterring Wheel

Diagram Blok Simulink Estimator Fluks, Sudut

Fluks dan Torsi

3angle

2Flux

1Torque

K Ts (z+1

2(z-1)

phi_q

K Ts (z+1

2(z-1)

phi_d

Vabc

v _q

v _d

dq_V_transform

I_ab

I_q

I_d

dq_I_transformRe

Im-1

3/2*p

RssRss

|u|

u

2V_abc

1I_AB

i_qsi_qs

i_dsi_ds

22qsdss ψψψ +=

ds

qss ψ

ψψα 1tan −=∠=

( )dsdqqsdse iipT λλ −=23

ssss RiV

dtd

.−=ψ

Perancangan estimator fluks, sudut fluks dan torsi

Perancangan pemilihan sektor sudut fluks stator

Perancangan pemilihan sektor sudut fluks statormengikuti diagram hexagon berikut:

00 < α1 < 600

600 < α2 < 1200

1200 < α3 < 1800

-1800 < α4 < -1200

-1200 < α5 < -600

-600 < α6 < 00

Diagram Blok Simulink Pemilihan Sektor Sudut Fluks Stator

1Sector

<=

>

<=

>

<=

>

<=

>

<=

>

>

<=

AND

AND

AND

AND

AND

AND

6

5

4

3

2

1

Convert

Convert

Convert

Convert

Convert

Convert

-60

-120

-120

-180

180

120

120

60

0

-60

60

0

1Angle

Perancangan Space Vector Pulse Width Modulation

Menentukan Vα, Vβ, VDC dan besar sudut α. Menentukan rentang waktu T1, T2 dan T0 untuk tiap

fasa transistor. Menentukan lama waktu pensaklaran untuk tiap

fasa transistor (f1, f2 dan f3). Membandingkan sinyal referensi dengan sinyal

pembawa

2ab_Vbus

1Angle

180/pi

rad2deg

atan2

sqrt(2/3)

sqrt(3)/2

sqrt(3)/2

sqrt(2/3)

1/2

1/2em2Vabc

1Vbus

Diagram Blok Simulink Transformasi abc to αβ

Menentukan Vα, Vβ, VDC dan besar sudut α.

[ ] [ ]

−−

−=

21

23

21

21

23

21

2101

32

cbao ffffff βα

Diagram Blok Simulink Penentuan T1, T2 dan T0

1f(1)

f(u)

T2

f(u)

T1

f(u)

T0

f(u)

F(1)

1Valpha,Vbeta,Vdc

Menentukan rentang waktu T1, T2 dan T0 untuk tiap fasa transistor.

Menentukan lama waktu pensaklaran untuk tiap fasa transistor (s1, s3 dan s5).

Diagram Blok Simulink Penghitung Lama Waktu Pensaklaran

2L_on

1L_off

Valpha,Vbeta,Vdc f (1)

Sector6


Sector5


Sector4


Sector3


Sector2


Sector1

1/2 0.5

0.5

Branch_A

Trigger

2vab_in

1sector

1f(1)

f(u)

T2

f(u)

T1

f(u)

T0

f(u)

F(1)

1Valpha,Vbeta,Vdc

Membandingkan sinyal referensi dengan sinyal pembawa

Perhitungan Pensaklaran pada Sektor-1

Diagram Blok Simulink Pembanding Sinyal

1gates_signals

<=

>=

<=

>=

<=

>=

NOT

AND

NOT

AND

NOT

AND

em2gate_timing

1ramp

Diagram Blok Torsi danFluks Motor Induksi

Perancangan Kontroler Fluks dan Torsi

Drop tegangan akibat resistansi diabaikan dan delayinverter diperhitungkan.

Diagram Blok Kontrol closed loop untuk fluks stator

Perhitungan parameter kontroler PI untuk fluksmenggunakan metode symmetry criterion dandiperoleh fungsi alih plant sebagai berikut:

PI11

1sT+ s

1Ψs* Ψs+-

Dimana Kc merupakan gain inverter sebesar 1, τ0merupakan dead time inverter (τ0=0, inverter ideal),T2=1 dan T1 sama dengan Ts.Sehingga parameter kontroler yang optimal dapatdihitung dengan menggunakan persamaan.

Dalam diagram pengaturan torsi coupling antarafluks dan torsi diabaikan.

Diagram Blok Kontrol closed loop untuk torsi

Perhitungan parameter kontroler PI untuk torsidilakukan dengan langkah penalaan (tuning). Prosespenalaan dimulai dari Kp = 1 dan Ti = 4 Ts.

PI11

1sT+

p23Te* Te+

-

Perancangan kontroler kecepatan

Blok diagram kontroler kecepatan

Perancangan kontroler kecepatan

Untuk satu koefisien redaman ζ = 1, diperoleh ωn.tref ≈ 4,75tref = konstanta respon.

ζ ωn.tref (5%)

0,4 7,7

0,5 5,3

0,6 5,2

0,7 3

1 4,75

Diagram Blok Simulink Kontroler Kecepatan

2Torque*

1Flux*

1/z

NoOp

kp

Proportional gain

num(z)

den(z)Low pass filter

ki

Integral gain

[0]

Flux table

K Ts (z+1)

2(z-1)

Ctrl sat.

|u|

3MagC

2N*

1N

Kecepatan Rotor Motor

Sebelum dipasang kontrolerSetelah dipasang kontroler

Diagram Blok Simulink DTC_SVM + Speed Controller

Three-phase diode rectifier

1Motor

3C

2B

1A

g

A

B

C

+

-

Three-phase Inverter

N

N*

MagC

Flux*

Torque*

Speed Controller

A

B

C

+

-

mN

Rad2Rpm

I_abV_abc

Ta

Tb

Tc

V_Com

MtaMtbMtc

Measures

Tm

mABC

Inductionmachine1

Torque*

Flux*

V_abc

I_ab

Vdc Bus

MagC

Gates

DTC_SVM

Meas.V L+

V L-

V +

V -

Braking chopper

2Mec_T

1SP

Diagram Blok Simulink Electronic Differential

2W*m_R

1W*m_L

(u(1)*Kg)-(u(1)*Kg*((dw*tan(u(2)))/(2*Lw)))

(u(1)*Kg)+(u(1)*Kg*((dw*tan(u(2)))/(2*Lw)))

2Delta

1Wv

Perancangan Electronic Differential

Kurva Respon Kecepatan Motor Tak Berbeban

Kurva Torsi Kecepatan Motor Tak Berbeban

Hasil Pengujian Motor dalam Kondisi Tak Berbeban

1800 rpm

0,4 detik

0,4 detik

Kurva Karakteristik Torsi Versus Kecepatan

Torsi starting motor = 2804 N.m

Torsi breakdown motor = 245 N.m

Torsi nominal motor = 207 N.m

Kurva Respon Kecepatan Motor Tak Berbeban

Kurva Torsi Kecepatan Motor Tak Berbeban

Hasil Pengujian Motor dalam Kondisi Berbeban

1766 rpm

1 detik

1 detik

200 N.m

DTC_SVPWM versus DTC_Clasic

Discrete,Ts = 2e-006 s.

motor

speed

Tem

demux1

motor

speed

Tem

demux

Speed reference

Rotor Speed

Load torque

Electromagnetic Torque

SP

Mec_T

MotorA

B

C

AC4

DTC _SVM

SP

Tm

MotorA

B

C

AC4

Clasical DTC

A

B

C

460V 60Hz

Rotor speed

Rotor speed



Waktu (detik)

Kec

epat

an (r

pm)

Respon Kecepatan Motor Antara Metode DTC_SVPWM dan DTC Konvensional

1766 rpm

1,85 detik

Respon Torsi Motor antara Metode DTC_SVPWM dan DTC Konvensional

Waktu (detik)

Tors

i (N

.m)

Respon torsi DTC Konvensional

Respon torsi DTC-DVM

% ripple torsi = 19%

% ripple torsi = 2,7%

Diagram Blok Simulink Sistem secara Keseluruhan

Discrete,Ts = 2e-006 s.

motor

speed

Tem

Ref

demux_right

motor

speed

Tem

Ref

demux_left

Acceleration

Sterring_w heel

Load_torque

demuxSterring_wheel

Sterring Wheel

Rotor Speed

Reference Speed

Load_torque

Load Torque

Wv

Delta

W*m_L

W*m_R



Accelerator

Acceleration

A

B

C

460V 60Hz

SP

Mec_T

MotorA

B

C

AC4

*DTC_SVPWM_Left_Wheel

SP

Mec_T

MotorA

B

C

AC4

*DTC _SVPWM_Right_Wheel

Pengaturan Nilai pada Electronic Differential

Penetapan parameter Electronic Differential:Kgear = 7,2 Lw = 1,5 meterDw = 2,5 meter

Waktu (detik)

Kecepatan Referensi Motor Roda Kiri (rpm)

Kecepatan Referensi Motor Roda Kanan (rpm)

Pedal Gas (Km/jam)

Sudut Kemudi (Derajat)

Respon Masukan dan Keluaran Sistem Electronic Differential

Respon Keluaran

Respon Masukan

Waktu (detik)

Torsi (

N.m)

Torsi Motor Roda Kiri (N.m)

Torsi Motor Roda Kanan (N.m)

Waktu (detik)

Kecepa

tan (rp

m)

Kecepatan Motor Roda Kiri (rpm)

Kecepatan Motor Roda Kanan (rpm)

Respon Kecepatan dan Torsi MotorRespon Kecepatan

Respon Torsi

Kesimpulan

Ripple torsi yang dihasilkan dengan metode DTC-SVMlebih kecil bila dibandingkan dengan metode DTCkonvensional sebesar 2,7%.

Respon kecepatan motor dengan metode DTC-SVMsama baiknya dengan metode DTC konvensional dengantime constant sebesar 0,6166 detik.

Respon kecepatan dan torsi motor telah mampumengikuti perubahan respon pedal gas dan sudutkemudi kendaraan secara tidak langsung.

Pemilihan nilai kecepatan pedal gas dan sudut kemudisaat kendaraan berjalan perlu memperhatikankarakteristik kecepatan motor induksi yang dimiliki.

Terima Kasih

Parameter motor induksi 3 fasa

No. Nama Nilai

1. Daya motor (KWatt) 37

2. Tegangan motor LL (Volt) 460

3. Frekuensi (Hz) 60

4. Jumlah pasang kutub 2

5. Tahanan stator (Ohm) 0,087

6. Tahanan rotor (Ohm) 0,228

7. Induktansi stator (mH) 0,8

8. Induktansi rotor (mH) 34,7

9. Induktansi magnetic (mH) 0,8

10. Momen inersia (kg.m2) 1,662

11. Koefisien redaman (N.m.s) 0.1

Perhitungan Parameter Motor Induksi

Kecepatan Sinkronωs = 120.f/p = 120 (60) / 4 = 1800 rpm

Kecepatan Nominal (saat s = 0,05)s = (ωs - ωr )/ ωs ωr = ωs - ωs.s = 1800 – 90 = 1710 rpm

Torsi Nominal (saat s = 0,05)Tn = Pout / (ωr . 2π . (1/60)) = 37000/(1710 . 2π . (1/60))

= 207 N.m Torsi Breakdown (saat s = 0,7)

s = (ωs - ωr )/ ωs ωr = ωs - ωs.s = 1800 – 1260 = 540 rpmTn = Pout / (ωr . 2π . (1/60)) = 37000/(540 . 2π . (1/60))

= 654 N.m

3

Metode DTC

Skema Direct Torque Control

4

Hysterisis Comparator Torsi 3 Level

Hysterisis komparator torsi 3 level menunjukkan terdapat 3 keadaanyang diinginkan untuk torsi.CTe = 1, torsi yang dibutuhkan harus dinaikkanCTe = 0, torsi yang dibutuhkan harus tetapCTe = -1, torsi yang dibutuhkan harus diturunkan

6


Ilustrasi algoritma hysterisis komparator torsi 3 level:

7

Hysterisis Comparator Fluks 2 Level

Hysterisis komparator fluks 2 level menunjukkan terdapat 2 keadaanyang diinginkan untuk fluks.,Cψs = 1, torsi yang dibutuhkan harus dinaikkanCψs = -1, torsi yang dibutuhkan harus diturunkan

9


Ilustrasi algoritma hysterisis komparator fluks 2 level:

Fluks Stator Motor


Torsi Elektromagnetik Motor


Sistem Electronic Differential pada Electric Vehicle

δtanwLR =

vLr LdL ωδω

w

ww_

tan.2/+=

vRr LdL ωδω

w

ww_

tan.2/−=

Jari-jari belokan

+=

2wdRV vL ω

−=

2wdRV vR ω

Kecepatan linier roda penggerak

Kecepatan angular roda penggerak

Sistem Electronic Differential pada Electric Vehicle

vRrLr Ld ωδωωω

w

w__

tan.=−=∆

⇒<⇒=

⇒>

kiriBelokLurus

kananBelok

00

0

δδ

δ

2*

_ωωω ∆

+= vLr

2*

_ωωω ∆

−= vRr

*_

*_ LrgearLm k ωω =

*_

*_ RrgearRm k ωω =

Perbedaan Kecepatan Angular Roda Penggerak

Penetapan sudut kemudi (Sterring Wheel)

Pengendalian kecepatan angular roda penggerak

Kecepatan referensi untuk kedua motor

motor induksi dtc

Documents