01 s200. control of electric drive v.09

Pengaturan Penggerak Elektrik Control of Electric DriveMochammad RAMELIJurusan Teknik Elektro FTI - ITS

Teknik Sistem Pengaturan

Tujuan

M.RAMELI: Control of Electric Drive

Memahami sistem penggerak elektrik (electric drives system) untuk aplikasi di system industri dan transportasi dengan pendekatan system modeling-analysiscontrol, control khususnya pengaturan/kontrol kecepatan dan posisi secara elektronik dengan menggunakan algoritma yang ditanam pada mikroprosesor.13/10/09 Elemen EDS -2

Biodata


Nama: Mochammad RAMELI, DR. Ir. Tempat/tgl lahir: Surabaya, 27 Desember 1954 Pendidikan:

Pekerjaan: Dosen Teknik Elektro ITS Alamat rumah: Jl. Teknik Arsitektur J-6 Surabaya. Telephone: (031) 5931146 Mobile: 081 232 888 52 Istri 1 (satu), anak 2 (dua): laki-laki & perempuan Email: [email protected] atau [email protected]

S1- Teknik Elektro ITS, 1979 S3- Control Engineering, Univ. Louis Pasteur - Strasbourg, Strasbourg France, 1990.

13/10/09

Elemen EDS -3


13/10/09

Elemen EDS -4

Mesin Listrik


dirancang untuk melakukan satu kerja mekanik dengan mengoperasikan satu beban. Tipe beban pada penggerak elektrik: Lokomotif, Trem listrik, rolling mills, mesin perkakas, cranes, excavators, elevators, pompa, robot, printer, dll.

Kemampuan mesin listrik pada sistem penggerak harus sesuai dengan kebutuhan beban, tanpa melebihi batas kemampuan tegangan dan arus yang dapat diterima oleh mesin dan kelengkapan power electronic-nya.13/10/09 Elemen EDS -5


Blok fungsional Sistem Elektric DriveAliran energi motoring

Catu daya

Konverter Elektronik

Motor listrik

Beban mekanik

Sensor Sensor Kontroler Aliran energi regenerative brakingElemen EDS -6

(Observer)

Komando13/10/09


Komando diberikan untuk menyetel titik operasi sistem (torsi, kecepatan, posisi), dengan menggunakan direct feedback sensors, atau indirect observers dari sejumlah variabel state, seperti tegangan, fluks, arus, torsi, kecepatan, dan posisi. Sensor maupun observator digunakan juga untuk proteksi motor-konverter.13/10/09 Elemen EDS -7


Konversi Energi dan Rugi-rugi di Electric Drive pada Mode Motoring dan Regenerative BrakingAliran energi motoring Motor ListrikEnergi Listrik pada Sumber Tenaga Perubahan Tegangan dan Frekuensi pada Konverter Konversi Energi ListrikMagnetik Konversi Energi MagnetikMekanikEnergi Mekanik pada beban mesin

Rugi-rugi harmonisa disebabkan konverter

Rugi-rugi konduksi dan komutasi di konverter

Rugi-rugi inti-besi Rugi-rugi tembaga

Rugi-rugi mekanika

Aliran energi regenerative braking13/10/09 Elemen EDS -8


Hybrid Electric Drive System

13/10/09

Elemen EDS -9


Hybrid electric drive train, seri-paralel dengan floating stator motor.13/10/09 Elemen EDS -10

Komponen dasar satu sistem electric drive1. 2. 3. 4. 5. Satu beban mekanik (mechanical load), Satu motor, Satu konverter, Satu catu daya (power supply), dan Satu kontroler.


Satu modern electric drive system memiliki lima blok fungsional utama:

13/10/09

Elemen EDS -11

1. Beban mekanik (mechanical loads) Torsi beban secara umum tergantung pada kecepatan dan dapat disajikan dalam satu formula empiris,


C adalah konstanta proposional, Tr =torsi beban pada kecepatan nominal nr, n = kecepatan operasi, dan k = koefisien eksponensial yang menggambarkanketergantungan torsi pada kecepatan.Elemen EDS -12

n T = CTr n r

k

13/10/09

Karakteristik kecepatan-torsi beban mekanik


13/10/09

Elemen EDS -13

Karakteristik kecepatan-daya beban mekanik


Daya beban mekanik:

P = T,

n = 2 60 w= kecepatan sudut rad/det n= kecepatan rpm

13/10/09

Elemen EDS -14

Empat tipe beban mekanik


1. Torsi tak-tergantung pada kecepatan (torque independent of speed). Karakteristik tipe beban mekanik demikian, bila nilai C= 1, dan k= 0. Torsi bebas dari kecepatan, maka daya yang diserap beban tergantung linier dengan kecepatan. Contoh beban: mesin-derek (hoist), pompa air atau gas dengan tekanan konstan.

13/10/09

Elemen EDS -15


2. Torsi bergantung linier pada kecepatan (torque linearly dependent on speed). Torsi beban sebanding linier dengan kecepatan k= 1, dan daya mekanik yang diserap sebanding dengan kuadrat kecepatan. Tipe beban demikian termasuk luar-biasa dan biasanya terlihat dalam bentuk yang komplek. Contoh beban: satu motor menggerakkan satu generator dc yang terhubung dengan satu beban tahanan-konstan, dan medan magnit generator memiliki fluks konstan.13/10/09 Elemen EDS -16


3. Torsi sebanding dengan kuadrat kecepatan (torque propotional to the square of speed). Karakteristik torsikecepatan adalah kurva parabola, k= 2. Daya beban yang diserap adalah sebanding dengan pangkat-tiga kecepatan dan dapat berlebihan pada kecepatan tinggi. Contoh beban: kipas-angin, pompa sentrifugal, dan baling-baling kapal/pesawat.13/10/09 Elemen EDS -17


4. Torsi berbanding terbalik dengan kecepatan (torque inversely propotional to the speed). Pada kasus ini nilai k= -1. Beban demikian biasanya memerlukan satu torsi yang besar pada saat starting dan saat kecepatan rendah. Konsumsi daya dari beban tipe ini adalah taktergantung pada kecepatan. Oleh karena itu, mengapa motor dari mesin gergaji tidak mengalami kerusakan (karena arus-lebih) pada saat piring-gergaji (saw disk) macet terjepit. Contoh beban: mesin giling (milling machine) dan mesin bor (boring machine).13/10/09 Elemen EDS -18

Tipe beban mekanik


Mesin bor listrik: k= -1

13/10/09

Kipas angin (fan): k= 2

Elemen EDS -19

2. Motor listrik


Motor listrik memiliki variasi karakteristik kecepatantorsi yang berbeda, sesuai dengan jenis dan kumparannya. Motor arus searah atau motor dc: Motor arus bolak-balik: Pemilihan motor listrik untuk penggerak (drive application) disesuaikan dengan kinerja beban yang dikehendaki. Contoh, untuk kebutuhan kecepatan konstan maka mungkin pemilihan motor sinkron adalah yang terbaik.13/10/09 Elemen EDS -20

Motor dc shunt Motor dc serie

Motor induksi asinkron Motor sinkron

Karakteristik kecepatan-torsi Motor listrik


13/10/09

Elemen EDS -21

Operasi Mesin DC


13/10/09

Elemen EDS -22

Perputaran medan celah-udara


Ketiga persamaan fluks pada saat t1, t2, t3 memperlihatkan bahwa fluks celah-udara memiliki satu magnitude konstan (3/2)maks, tetapi dengan sudut-sudut-nya berubah.13/10/09 Elemen EDS -23

3. Sumber daya listrik (Power source)1. Arus bolak-balik atau alternating current (ac). Sistem fasa-tunggal atau tiga-fasa, sesuai kebutuhan dengan frekuensi 60 Hz (Amerika), atau 50 Hz di Eropa, Timur-tengah, Afrika, dan Asia. 2. Arus searah atau direct current (dc).


Untuk aplikasi industri ada dua jenis:

Untuk instalasi industri khusus memerlukan lebih dari satu dengan tegangan dan frekuensi berbeda. Contoh, seperti pesawat terbang komersial memiliki sumber ac 400 Hz, dan sumber dc 270 Volt.Elemen EDS -24

13/10/09

4. Konverter


Fungsi utama untuk merubah bentuk gelombang dari sumber listrik kedalam bentuk yang diperlukan motor listrik bekerja dalam usaha mencapai kinerja yang diharapkan. Sebagai electric power conditioner dan berfungsi merubah tegangan dan frekuensi. Memiliki fasilitas keluaran berupa tegangan, arus, dan/atau frekuensi yang dapat disetel, untuk mengatur (kontrol) kecepatan, torsi, atau daya motor.13/10/09 Elemen EDS -25

Dc-Ac konverter


1. Dc-Ac. Bentuk gelombang dc dari sumber daya listrikdiubah kedalam bentuk gelombang ac fasa-tunggal atau tiga-fasa. Frekuensi, arus, dan tegangan keluaran dapat disetel sesuai dengan aplikasi. Tipe konverter disesuaikan dengan motor ac yang digunakan, seperti motor induksi atau motor sinkron.

13/10/09

Elemen EDS -26

Dc-Dc konverter2.


DC-DC. Konverter tipe demikian dikenal sebagai chopper. Masukan dengan bentuk gelombang dc

konstan diubah menjadi satu keluaran gelombang dc dengan magnitude variabel. Aplikasi dari konverter tipe demikian adalah untuk penggerak motor dc (dc motor drives).

13/10/09

Elemen EDS -27

Ac-Dc konverter


3. Ac-DC. Bentuk gelombang ac diubah kedalam bentukgelombang dc dengan magnitude yang dapat disetel. Masukan dapat berupa sumber fasa-tunggal atau fasa-banyak. Konverter tipe demikian digunakan untuk pada penggerak dc (dc drives).

13/10/09

Elemen EDS -28

Ac-Ac konverter4.


Ac-Ac. Bentuk gelombang masukan ac biasanya

memiliki magnitude dan frekuensi konstan. Keluaran berupa ac dengan frekuensi, magnitude, atau keduanya variabel. Perubahan dilaksanakan secara langsung melalui satu dc link. Sistem dc link terdiri dari dua konverter terhubung secara cascade; pertama adalah ac/dc

13/10/09

Elemen EDS -29

Sistem uninterruptable power supply (UPS)


13/10/09

Elemen EDS -30

Rangkaian konverter elektronikRectifier Suplai Energi listrik 3 fasa DC link Inverter


M3O

Kontrol Tegangan Komando

Kontrol Frekuensi

KontrolerElemen EDS -31

13/10/09

5. Kontroler


Fungsi dasar: untuk memonitor variabel sistem, membandingkan-nya dengan nilai yang dikehendaki, dan menyetel keluaran konverter agar sistem mencapai satu kinerja yang dikehendaki. Digunakan untuk aplikasi kontrol kecepatan atau posisi, dan dirancang untuk meningkatkan stabilitas sistem (overall stability). Untuk aplikasi komplek, struktur kontroler dan parameternya harus mampu disetel secara adaptif untuk mencapai dua obyektif dasar:

a) memberikan kinerja tracking sebaik mungkin tanpa membuat overstressing pada hardware. b) meningkatkan stabilitas dan robustness.Elemen EDS -32

13/10/09

Unit Kontroler:


Mengatur konverter agar mengeluarkan energi yang sesuai dengan kebutuhan beban dan kemampuan motor. Bekerja dengan tegangan rendah dan daya rendah. Dibangun menggunakan integrated circuit linier dan digital, transistor, atau digital signal processor (DSP).13/10/09 Elemen EDS -33


Diagram Blok Kontrol Vektor Motor InduksiSpeed Reference Suplai

Decoupling

Speed controler

Torque controler

Motor Flux Reference

Flux controler

vsq vsq vsq vsd vsqTransformasi Park invers

vsaSpace-Vector Modulation

vsd

vsbPosisi fluks rotor

fluks

pwm a

pwm c

3 -Phase Power Stage

isq isdTransformasi Park Perhitungan Fluks Rotor

isa isbTransformasi Clarke

isa isc

Motor Induksi Speed

Speed sensor

13/10/09

Elemen EDS -34


Mars Rover Mars Pathfinder

13/10/09

Elemen EDS -35


Multiple-motor, single-load drive system

13/10/09

Elemen EDS -36

Cranes Lifting & Pump Control


13/10/09

Elemen EDS -37


Cranes Translation Control 4 Motors

13/10/09

Elemen EDS -38

Paper Winding Machine


13/10/09

Elemen EDS -39

Transportasi Industri


13/10/09

Elemen EDS -40

Transportasi Industri


13/10/09

Elemen EDS -41

Transportasi Laut1985 Teknologi Perkapalan


Mulai tahun 1985,kapalkapal pesiar secara sistematik mengganti mesin pendorong (propulsi)dengan motor listrik. Berupa mesin sinkron autopilot dengan dayaperunit =20MW.

13/10/09

Elemen EDS -42

Transportasi Darat1990 Teknologi Kereta Api


Mulai tahun 1990,kereta apiTGV(lestrains grandevitesse) Perancis menggunakan mesin sinkron autopilot daya1,1MW perunit sebagai mesin penggerak lokomotif. Satu rangkaian TGVmemiliki 8motor penggerak,dayatotal maksimum 8,8MW.

13/10/09

Elemen EDS -43

Transportasi Darat1995 Teknologi Kereta Api


Eurostardiluncurkan tahun 1995.Lokomotif digerakkan oleh motor listrik berupa mesin asinkron dengan dayaperunit 1MW. Setiap rangkaian kereta Eurostar digerakkan oleh 12motor,jumlah dayamaksimum 12,2MW.

13/10/09

Elemen EDS -44


13/10/09

Elemen EDS -45

01 s200. control of electric drive v.09

Documents