View
280
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
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
Electronic Differential
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
Valpha,Vbeta,Vdc f (1)
Sector5
Valpha,Vbeta,Vdc f (1)
Sector4
Valpha,Vbeta,Vdc f (1)
Sector3
Valpha,Vbeta,Vdc f (1)
Sector2
Valpha,Vbeta,Vdc f (1)
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
Electromagnetic Torque
Electromagnetic Torque
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
Electronic Differential
Electromagnetic Torque
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
Hysterisis Comparator Torsi 3 Level
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
Hysterisis Comparator Torsi 3 Level
Ilustrasi algoritma hysterisis komparator fluks 2 level:
Fluks Stator Motor
Sebelum dipasang kontrolerSetelah dipasang kontroler
Torsi Elektromagnetik Motor
Sebelum dipasang kontrolerSetelah dipasang kontroler
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
Recommended