## STUDI PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA MENGGUNAKAN DIRECT TORQUE CONTROL DENGAN BANTUAN MATLAB
Elvira Zondra*
Dosen Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Lancang Kuning Pekanbaru , Riau
* corresponding author : zondrazain@yahoo.com

## Abstrak
Tulisan ini  membahas  tentang  metode  pengaturan  kecepatan  motor  induksi  tiga  fasa  yang  dikendalikan  oleh  PWM inverter. Apabila  motor  induksi  mendapat  tegangan  melalui  pengaturan  konverter  daya,  maka  bentuk  gelombang tegangan tidak lagi sinusoidal. Dalam kondisi ini, dibutuhkan pemodelan motor induksi dalam koordinat d-q-n untuk melakukan  studi. Pengaturan  motor  induksi  dengan direct  torque control memungkinkan  motor  induksi    sebagai sumber  torka  dengan  pengaturan  torka  secara  langsung.    Metode  ini  bertujuan  mengatur  secara  langsung  fluks  dan torka  motor induksi.  Untuk  mendapatkan  respon  kecepatan  motor  induksi  tiga  fasa,  maka  digunakan  simulasi pengaturan  kecepatan  menggunakan  bantuan  simulasi  dengan  software  MATLAB. Pengujian  terhadap  pengaturan kecepatan dilakukan pada kecepatan referensi tertentu pada torka beban nol Nm dan 40 Nm. Dari simulasi yang telah dilakukan  diperoleh  perbaikan  respon  pengaturan  kecepatan  motor  induksi  dengan  lonjakan  ( overshoot ) yang  kecil yaitu 0,26 % sampai 0.335 % dan waktu pemulihan kecepatan ( settling time ) yang lebih cepat yaitu 0,52 detik sampai 0,532 detik.
Kata Kunci: motor induksi tiga fasa, direct torque control.

## Abstract
his paper discusses the method of speed control of three -phase induction motor that is controlled by PWM inverter. When the induction motor gets voltage through the power converter controller, the voltage waveforms are no sinusoi- dal. In these conditions, it takes modeling induction motors in the coordinate DQN to perform the studies .  Control induction motors with direct torque control of induction motor allows that serves as the source of the torque with a torque setting directly . This method aims to directly regulate the flux and torque induction motor. To see the response speed three-phase induction motor speed control used simulated using software simulation with the help of MATLAB. Testing  the  speed  setting  is  done  at  the  speed of  a  particular  reference  to  the  zero  load torque  Nm    and  40  Nm.  Of simulation that has been done shows improvement induction motor speed control response with spike  (overshoot ) is small , namely 0.26 % to 0.335 % and speed recovery time (settling time ) faster that 0.52 seconds to 0.532 seconds .
Keywords : three- phase induction motor , direct torque control

## 1. Pendahuluan
Motor  induksi  merupakan  motor  yang  banyak digunakan  pada  industri,  pusat  bisnis transportasi dan  lain-lain.  Konstruksi  motor  yang  kokoh (robust)  merupakan  keuntungan  yang  luar  biasa dari  motor  induksi  disamping  harga  yang  murah serta  mudah  dalam  perawatan.  Pada  umumnya
motor  induksi  digunakan  pada  kecepatan  putaran tetap. Kecepatan variabel dapat diperoleh dengan mengatur frekuensi dan tegangan. Untuk mendapatkan kecepatan variabel tersebut dibutuhkan  konverter  daya.  Apabila  motor induksi  mendapat  tegangan melalui  konverter daya, maka  bentuk  gelombang  tegangan  tidak
lagi  sinusoidal.  Dalam  kondisi  ini,  dibutuhkan pemodelan  motor  induksi  dalam  koordinat  d-q-n untuk melakukan studi.
Ada  beberapa  metode  untuk  pengaturan  kecepatan motor  induksi.  Diantara  kontrol  tersebut  adalah kontrol  tegangan/frekuensi  (v/f).  Kontrol  tegangan/ frekuensi  ini  paling  sederhana  dan  banyak digunakan  di  industri.  Pengaturan  kecepatan  ini dikenal  juga  sebagai  kontrol  skalar.  Ada  juga kontrol vektor, untuk jenis ini terdapat loops kontrol untuk  mengontrol  torka  dan  fluks. Pengaturan motor  induksi  dengan direct  torque control memungkinkan  motor  induksi  yang  berfungsi sebagai  sumber  torka  dengan  pengaturan  torka secara  langsung.    Metode  ini  bertujuan  mengatur secara  langsung  fluks  dan  torka  motor induksi. Perubahan    torka  sebanding  dengan  perbedaan antara fluks stator dan fluks rotor
Sasaran  dari  mengembangkan    metode  pengaturan kecepatan dari motor induksi 10 hp, 380 volt dan 50 hertz  di  laboratorium  Teknik  Elektro  Fakultas Teknik  Universitas  Lancang  Kuning.  Selanjutnya memberikan  penjelasan  tentang  pengaturan  torsi secara  langsung  dan  memberikan  pembahasan simulasinya.

## 2. Metode Penelitian

## 2.1 Pemodelan Pengaturan kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa
Pemodelan  keseluruhan  untuk  sistem  pengaturan kecepatan  motor  induksi  tiga  phasa  dengan menggunakan direct  torque  contro l  adalah  pada gambar 1.
Sistem ini terdiri dari:
a. Motor induksi 3 fasa
b. PWM Inverter
c. direct torque contro l
Pada skema ini error antara torka estimasi dan torka referensi  menjadi  masukan  pada  komparator histerisis  tiga  level,  sedangkan  error  antara  fluks estimasi  dan  fluks  referensi  menjadi  masukan komparator histerisis dua level .
Motor  induksi  bekerja  berdasarkan  adanya  induksi elektromagnetik.  Motor  induksi  memiliki  dua bagian utama yaitu bagian yang berputar (rotor) dan bagian yang diam (stator). Diantara stator dan rotor terdapat celah celah udara yang sangat kecil.
Stator  terletak  pada  bagian  luar  dan  merupakan bagian  dari    motor  induksi    yang    tidak    berputar. Dibuat  dari  besi  bundar  berlaminasi      dan mempunyai        alur-alur  sebagai  tempat  meletakkan kumparan.
Kumparan dibelitkan untuk sejumlah kutup tertentu. Rotor  sangkar terdapat  pada  bagian    dalam  dari motor  induksi  dimana  rotor  berputar  bebas.  Rotor terdiri  dari  sederetan  batang-batang  penghantar yang  terletak  pada  alur-alur  sekitar  permukaan rotor.  Ujung-ujung  batang  penghantar  dihubung singkatkan  dengan  menggunakan  cincin  hubung singkat.
Gambar 1. Blok Diagram Pengaturan Kecepatan
Gambar 2. Kontstruksi Motor Induksi

## Gambar 3. Stator motor induksi

## Gambar 4. Rotor sangkar motor induksi
Jika  belitan  stator  diberi  tegangan  maka  akan timbul  fluks  yang  konstan  dan  berputar  dengan kecepatan  medan  putar  stator  n s (kecepatan sinkron).  Kecepatan  sinkron  dapat  diekspresikan dalam British unit dengan konversi (Jimmie, 2001):
dengan
n s = kecepatan sinkron (rpm)
 s =kecepatan mekanik angular (rad/s) = (2/p)   frekuensi angular (rad/s)= 2  f f = frekuensi sumber (Hz) p = jumlah kutup
fluks ini melalui celah udara, memotong permukaan rotor  dan  batang-batang  rotor  yang  masih  dalam keadaan  diam.  Dengan  adanya  kecepatan  relatif antara  fluks  yang  berputar  dengan  batang-batang konduktor  yang  diam  maka  pada  batang  rotor terinduksi  suatu  emf.  Karena  batang-batang  rotor merupakan  rangkaian  tertutup  maka  mengalir  arus. Dengan  adanya  interaksi  antara  medan  putar  dan arus  yang  mengalir  maka  timbul  gaya  yang menyebabkan  rotor  berputar  dengan  arah  yang sama dengan medan putar stator (Bag S, 1988).
Motor  induksi  ini  dihubungkan  dengan inverter sebagai driver- nya. Inverter akan merubah arus DC dari menjadi arus AC 3 fasa untuk memutar motor induksi. Perputaran rotor motor induksi tidak dapat mengikuti kecepatan medan putar stator.
p f f p n s s 120 2 2 2 60 2 60            
 (1)
Jika  kecepatan  relatif  antara  keduanya  nol  maka emf  yang  diinduksikan  adalah  nol  sehingga  tidak ada  arus  yang  mengalir  dirotor  dan  tidak  ada  torsi yang dihasilkan. Rotor motor induksi berputar pada kecepatan  yang  lebih  kecil  dari  stator.  Slip  s  pada motor  induksi  merupakan  perbedaan  antara kecepatan  sinkron  dan  kecepatan  rotor,  dinyatakan dalam  persen  atau  perunit  dari  kecepatan  sinkron. Slip perunit didapatkan dengan persamaan (T Wildi, 1991):
dengan
s  = slip n s = kecepatan medan putar stator n r = kecepatan putar rotor
Persamaan tegangan motor induksi dengan tegangan simetri dalam koordinat qd adalah :
Torka  elektromagnetik  motor  induksi  dapat ditentukan dengan :
s r s n n n s   (2) qs ds qs s qs p i r v      (3)
(4) (5)
(6) ds qs ds s ds p i r v      qr dr r qr r qr p i r v              ) ( dr qr r dr r dr p i r v              ) (   ds q s q s d s i i P T                
2 2 3 2 (7)
ds  ls L lr L  dr r      ) ( qs v qr v  M L qs i qr i  r r  s r qs  ls L lr L  qr r      ) ( ds v dr v  M L ds i dr i  r r  s r
Gambar 5. Rangkaian ekivalen qd dari motor

## 2.2 Inverter
Inverter  mengubah  dari  tegangan  DC  menjadi  AC. Inverter  biasa  digunakan  pada power  supply ,  UPS ( uninterruptible  power  supply ), electric  drive, active  filter,  power  factor  correction dan  lain-lain. Teknik PWM ( Pulse Width Modulation) digunakan untuk  membangkitkan  tegangan  yang  diperlukan sebagai  sinyal  kendali  inverter . Rangkaian  inverter 3 phasa dapat dilihat pada gambar.6     (M Azhasi, 2006):
Direct Torque Control (DTC) merupakan salah satu teknik  kontrol  yang  mengarah  pada  pengaturan dengan  torka  yang  berubah-ubah  sesuai  dengan kebutuhan beban pada motor induksi. Ada beberapa keunggulan bila menggunakan DTC dalam mengontrol torka, yaitu respon yang baik dan dapat dilakukan  pengaturan  motor  tanpa  menggunakan sensor  kecepatan.  Fluks  dan  torsi  dihitung  dari tegangan dan arus stator yang diukur pada motor. Error fluks dan torka didapatkan dari persamaan 8.
Berdasarkan state komparator  histerisis  didapatkan blok  bersama  dengan  penentuan  nomor  sektor (Anders K, 2012). Gambar 6. Rangkaian inverter 3 phasa (8)
est ref est ref e T T T          Tabel 1. Tabel Switching DTC dasar Sektor 1 2
3 4 5 6 dλ = +1 dT = +1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 dT = 0 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0 V 7 dT = -1 V 6 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 dλ = -1 dT = +1 V 3 V 4 V 5 V 6 V 1 V 2 dT = 0 V 7 V 0 V 7 V 0 V 7 V 0 dT = -1 V 5 V 6 V 1 V 2 V 3 V 4
Untuk  mempermudah  penyelesaian  penelitian  ini maka digunakan metode penelitian sebagai berikut : 1. Melakukan  studi  literatur  dari  berbagai  sumber baik  jurnal-jurnal  dan  buku-buku  penunjang tentang  pengaturan  kecepatan  motor  induksi tiga fasa dengan mengembangkan metode direct torque control dalam pengaturan kecepatan dari Motor Induksi.
2. Studi  pengaturan  kecepatan  motor  induksi  tiga fasa  dilakukan  dalam  bentuk  simulasi  dengan menggunakan software MATLAB .
3. Data motor induksi untuk simulasi diambil dari data motor induksi laboratorium Teknik Elektro dan  melakukan  percobaan  pada  motor  induksi tersebut.
4. Menganalisis data hasil percobaan di laboratorium  untuk  mendapatkan  parameter motor induksi.
5. Menganalisa  hasil  simulasi  pada  motor  induksi tiga  fasa dengan  menentukan  nilai  lonjakan ( overshoot ), waktu pemulihan kecepatan
) ( ) ( 3 / 2 1 X X j s R R V I r s r     s m s s g m r r g P T n P s P s R I P    / 2 60 ) 1 ( ) ( ) ( 3 2
    
( settling time ),  waktu menuju kecepatan setting ( rise time ) dan error steady state .

## 3. Hasil Dan Pembahasan

## 3.1 Data
Data yang digunakan dalam penelitian ini adalah
Motor induksi 3 phasa : Pout : 10HP Tegangan : 380 Volt Arus : 16,2 Ampere Frekuensi : 50 Hz Kecepatan : 1450 rpm Kutup : 4 kutup 3.2 Simulasi, Hasil dan Analisis Untuk kebutuhan simulasi dibutuhkan data parameter  motor  induksi  yang  lebih  lengkap. Parameter  ini  dapat  diperoleh  dengan  melakukan percobaan  langsung  pada  motor  induksi,  yaitu percobaan motor tanpa beban dan percobaan motor rotor tertahan. Selain itu dilakukan juga pengukuran lagsung  pada  stator  dan  rotor  untuk  mendapatkan tahanan  stator  dan  rotor  tersebut.  Tahanan  stator dan  rotor  yang  didapatkan  dari  hasil  pengukuran adalah 0,74 ohm dan 0,59 ohm.
Pada  percobaan  tanpa  beban,  diberikan  tegangan nominal  pada  motor  induksi  dan  rotor  tidak diberikan  beban  mekanis.  Hasil  pengukuran percobaan tanpa beban didapatkan data:
I NL = 1,52 A V NL(L-L) =  369  V P NL = 470 W
Parameter dari hasil pengukuran adalah :
Pada  percobaan  rotor  tertahan  tegangan  yang diberikan  kecil.  Hasil  pengukuran  percobaan  ini didapatkan data :
I LR = 4 A V LR(L-L) = 49 V P LR = 327 W
Dari hasil pengukuran didapatkan parameter :
Pada model motor induksi rotor sangkar X LR = X 1 + X 2 X 1 = X 2 =0,5 x X LR = 0,945 ohm
Induktansi stator dan rotor adalah :
Dari  kedua  percobaan  ini  didapatkan  Induktansi bersama :
Blok  simulasi  dengan  menggunakan  metode direct torque  control dalam  pengaturan  kecepatan  dari Motor Induksi dapat dilihat pada gambar 7.
Dari  data  motor  induksi  didapatkan  kecepatan sinkron dan slip motor induksi :
83 , 0 cos                    66 , 122
81 , 67 159 , 140 159 , 140 52 , 1 3 369 3 81 , 67 52 , 1 3 470 3 2 2 2 2 ) ( ) ( 2 2 NL NL NL NL L L NL NL N L NL NL NL NL NL R Z X x i V i V Z x i P R                89 , 1 8125 , 6 07 , 7 07 , 7 4 3 49 3 8125 , 6 4 3 327 3 2 2 2 2 ) ( 2 2 LR LR LR LR L L LR LR LR LR LR R Z X x i V Z x i P R H x x f X L H x x f X L r s 003 , 0 50 14 , 3 2 945 , 0 2 003 , 0 50 14 , 3 2 945 , 0 2 2 1         H x x f X L X X X X X X m m nl m m nl 3876 , 0 50 14 , 3 2 715 , 121 2 715 , 121 945 , 0 66 , 122 1 1            
Gambar 7. Studi pengaturan kecepatan motor induksi dengan  menggunakan metode direct torque control .
Arus rotor :
Arus rotor saat start adalah :
Torka motor saat start adalah :
Simulasi  pengaturan  kecepatan  motor  dilakukan dengan  menggunakan  software  Matlab.  Kecepatan referensi  masukan  yang  diberikan  adalah  750  rpm yang  kemudian  dinaikkan  menjadi  1450  rpm  pada saat  t  =  1,5  detik.  Simulasi  awal  dilakukan  pada torka  beban  nol  Nm.  Simulasi  dilanjutkan  dengan torka  beban  40  Nm.  Hasil  dari  simulasi  dengan torka  beban  nol  Nm  diperlihatkan  pada  gambar  8 dan gambar 9.
Performansi sistem pada saat beban nol Nm adalah: Settling Time = 0.52 detik Rise time = 0.5 detik Maksimum overshoot = 0.26 % Error steady state = 0.1 %
Hasil  dari  simulasi  dengan  torka  beban  40  Nm diperlihatkan pada gambar 10 dan gambar 11.
03 . 0 1500 1450 1500 1500 120        s r s s n n n s rpm p f n A j j I r 0 0 26 . 5 71 . 10 26 . 5 48 . 20 39 . 219 88 . 1 4 . 20 39 . 219 88 . 1 ) 03 . 0 59 . 0 74 . 0 ( 3 / 380           Nm T rad n W P s P W P s s g m g 83 . 41 157 / 46 . 6567 sec / 157 2 60 46 . 6567 58 . 6770 ) 03 . 0 1 ( ) 1 ( 58 . 6770 03 . 0 ) 59 . 0 ( ) 71 . 10 ( 3 2              A j I r 0 7 . 54 39 . 95 7 . 54 3 . 2 4 . 219 88 . 1 ) 59 . 0 74 . 0 ( 3 /
380
        W P gs 67 . 16105 59 . 0 ) 39 . 95 ( 3 2  
Nm T 59 . 102 157 / 67 . 16105  
Gambar 8. Torka elektromagnetik saat torka beban 40
Gambar 9. Torka elektromagnetik saat torka beban nol Nm
Gambar 10. Kecepatan rotor saat torka beban 40 Nm
Performansi sistem pada saat beban 40 Nm adalah: Settling Time = 0.532 detik Rise time = 0.52 detik Maksimum overshoot = 0.335 % Error steady state
= 0.174 %
Respon  kinerja  dari  pengaturan  kecepatan  motor induksi direct  torque control dapat  dilihat  pada tabel 2 berikut.

## 4. Kesimpulan
Dari  hasil  pengaturan  kecepatan  dan  simulasi  yang telah  dilakukan  dapat  diambil  kesimpulan  sebagai berikut :
1. Pengaturan    kecepatan  motor  induksi  tiga  fasa dilakukan  melalui  pengaturan  torka  langsung dengan  kendali  PWM  inverter.  Berdasarkan hasil  simulasi  menggunakan direct  torque control, settling  time (waktu  menuju steady state )  dan rise  time antara    0.52  sampai  0.532 detik  dan  antara  0.5  sampai  0.52  detik.
Overshoot pada  respon  DTC  juga  kecil  yaitu antara 0.26 % sampai 0.335 %.
2. Dari  analisis  yang  dilakukan  dapat  dinyatakan bahwa  pengaturan  kecepatan  motor  induksi dengan  menggunakan direct  torque control yang  dibuat  mempunyai  kemampuan  untuk mengatur  kecepatan  motor  induksi  tiga  fasa dengan baik.

## Saran
1. Dalam  penelitian  ini ripple dari  torka  masih belum  kecil  dan  ini bisa  diperbaiki  dengan penelitian  lanjut  untuk  mendapatkan  kinerja pengaturan  kecepatan  menjadi  lebih  baik dalam  mengatur  kecepatan  motor  induksi  tiga fasa.
2. Penelitian ini bisa dilanjutkan dengan menambahkan kontrol lain agar lebih memperkecil settling  time (waktu  menuju steady  state )  dan rise  time pengaturan kecepatan motor  induksi.

## Daftar Acuan
Anders  Kronberg, Design  and  Simulation  of  Field Oriented Control and Direct Torque Control for a  Permanent  Magnet  Synchronous  Motor  with
Positive Saliency , Uppsala University
Examensarbete  15  hp, Available  at:  <  URL: http://www.teknat.uu.se/student  , [Akses May 2012].
Brag  S.  Guru,  1988, Electric  Machinery  and transformers ,  HBJ  Harcourt  Brace  Jovanovich Publishers Technology publications.
D.  Casadei,  G.  Serra,  A.  Tani,  and  L.  Zarri,  2006, Assessment of direct torque control for induction motor  drives ,  bulletin  of  the  polish  academy  of sciences technical sciences vol. 54, no. 3.
Marian  P, 2005, Space  Vector  Modulated-Direct Torque  Controlled  (DTC – SVM)  Inverter-Fed Induction  Motor  Drive ,  Ph.D.  Thesis  Faculty  of Electrical    Engineering  Institute  of  Control  and Industrial  Electronics  Warsaw  University  of Technology.
Mochamad  Ashari,  2006,  Inverter  3  phasa  dan Rectifier  3  phasa,  Materi  kuliah  Elektronika Daya Lanjut, ITS-Unilak.
Gambar 11. Torka elektromagnetik saat torka beban
Tabel 2. Respon kinerja pengaturan kecepatan motor
induksi Respon Beban nol Beban 40 Nm Settling Time (detik) 0,52 0,532 Rise time (detik) 0,5 0,52 Maksimum over- shoot (%) 0,26 0,335 Error steady state (%) 0,1 0,174
M.V.Deshpande, 1990, Electric Motor Applications and Control , Wheeler.
Paul C.Krause, Oleg Wasynczuk, Scott d.Sudhoff , 2002, Analysis Of Electric Machinery And Drive Systems ,      A  John  Wiley  &  Sons,  Inc. Publication.
Soebagio,  2006,  Model  mesin  AC  pada  koordinat QDN,  Materi  kuliah  Mesin  Listrik  lanjut,  ITS- Unilak.
Theodore  Wildi,  1991, Electrical  Machines, Drives , and   Power    System ,     Prentice-Hall International   Editions.