Kontrol Berdasarkan Medan

Motor induksi AC menawarkan karakteristik operasional yang mengagumkan seperti kekuatan, keandalan, dan kemudahan kontrol. Mereka digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi, mulai dari sistem kontrol gerak industri hingga peralatan rumah tangga. Namun, penggunaan motor induksi pada efisiensi tertingginya adalah tugas yang menantang karena model matematika yang kompleks dan karakteristik non-linear selama saturasi. Faktor-faktor ini membuat kontrol motor induksi sulit dan memerlukan penggunaan algoritma kontrol performa tinggi seperti kontrol vektor.

Pengenalan Kontrol Berorientasi Medan

Kontrol skalar seperti strategi "V/Hz" memiliki keterbatasan dalam hal performa. Metode kontrol skalar untuk motor induksi menghasilkan osilasi pada torsi yang dihasilkan. Oleh karena itu, untuk mencapai performa dinamis yang lebih baik, diperlukan skema kontrol yang lebih superior untuk Motor Induksi. Dengan kemampuan pemrosesan matematika yang ditawarkan oleh mikrokontroler, prosesor sinyal digital, dan FGPA, strategi kontrol canggih dapat diimplementasikan untuk mendekopling fungsi pembentukan torsi dan magnetisasi dalam motor induksi AC. Torsi yang didekopling dan fluks magnetisasi ini umumnya disebut sebagai Kontrol Berorientasi Fluks (FOC).

Kontrol Berorientasi Medan menggambarkan cara kontrol torsi dan kecepatan yang didasarkan langsung pada keadaan elektromagnetik motor, mirip dengan motor DC. FOC adalah teknologi pertama yang mengontrol variabel kontrol motor "nyata" yaitu torsi dan fluks. Dengan dekopling antara komponen arus stator (fluks magnetisasi dan torsi), komponen torsi dari fluks stator dapat dikontrol secara independen. Pada kecepatan rendah, keadaan magnetisasi motor dapat dipertahankan pada tingkat yang tepat, dan torsi dapat dikontrol untuk mengatur kecepatan.
"FOC dikembangkan semata-mata untuk aplikasi motor performa tinggi yang dapat beroperasi dengan lancar dalam rentang kecepatan yang luas, dapat menghasilkan torsi penuh pada kecepatan nol, dan mampu melakukan percepatan dan perlambatan cepat."

Prinsip Kerja Kontrol Berorientasi Medan

Kontrol berorientasi medan terdiri dari mengontrol arus stator yang direpresentasikan oleh vektor. Kontrol ini didasarkan pada proyeksi yang mengubah sistem tiga fase yang bergantung pada waktu dan kecepatan menjadi sistem dua koordinat (d dan q frame) yang tidak bergantung pada waktu. Transformasi dan proyeksi ini mengarah ke struktur yang mirip dengan kontrol mesin DC. Mesin FOC membutuhkan dua konstanta sebagai referensi input: komponen torsi (sejajar dengan koordinat q) dan komponen fluks (sejajar dengan koordinat d).
Tegangan tiga fasa, arus, dan fluks motor AC dapat dianalisis dalam istilah vektor ruang kompleks. Jika kita ambil ia, ib, ic sebagai arus instan dalam fase stator, maka vektor arus stator didefinisikan sebagai berikut:

Di mana, (a, b, c) adalah sumbu sistem tiga fasa.

Vektor ruang arus ini mewakili sistem sinusoidal tiga fasa. Perlu diubah menjadi sistem koordinat dua dimensi yang tidak bergantung pada waktu. Transformasi ini dapat dibagi menjadi dua langkah:
(a, b, c) → (α, β) (transformasi Clarke), yang memberikan output sistem dua koordinat yang bervariasi terhadap waktu.
(a, β) → (d, q) (transformasi Park), yang memberikan output sistem dua koordinat yang tidak bervariasi terhadap waktu.
Proyeksi (a, b, c) → (α, β) (Transformasi Clarke)
Kuantitas tiga fasa, baik tegangan atau arus, yang bervariasi seiring waktu sepanjang sumbu a, b, dan c dapat ditransformasikan secara matematis menjadi tegangan atau arus dua fasa, yang bervariasi seiring waktu sepanjang sumbu α dan β melalui matriks transformasi berikut:

Dengan asumsi bahwa sumbu a dan sumbu α berada dalam arah yang sama dan β ortogonal terhadap mereka, kita memiliki diagram vektor berikut:

Proyeksi di atas mengubah sistem tiga fasa menjadi sistem dua dimensi ortogonal (α, β) seperti yang dinyatakan di bawah ini:

Namun, arus dua fasa (α, β) ini masih bergantung pada waktu dan kecepatan.
Proyeksi (α, β) → (d.q) (Transformasi Park)
Ini adalah transformasi yang paling penting dalam FOC. Faktanya, proyeksi ini mengubah sistem dua fasa ortogonal tetap (α, β) menjadi sistem referensi rotasi d, q. Matriks transformasi diberikan di bawah ini:

Di mana, θ adalah sudut antara sistem koordinat rotasi dan tetap.
Jika Anda mempertimbangkan sumbu d sejajar dengan fluks rotor, Gambar 2 menunjukkan hubungan dari dua kerangka acuan untuk vektor arus:

Di mana, θ adalah posisi fluks rotor. Komponen torsi dan fluks dari vektor arus ditentukan oleh persamaan berikut:

Komponen-komponen ini bergantung pada komponen vektor arus (α, β) dan posisi fluks rotor. Jika Anda mengetahui posisi fluks rotor yang akurat, maka komponen d, q dapat dihitung dengan mudah menggunakan persamaan di atas. Pada saat ini, torsi dapat dikontrol secara langsung karena komponen fluks (isd) dan komponen torsi (isq) sudah independen.

Modul Dasar untuk Kontrol Berorientasi Medan

Arus fase stator diukur. Arus yang diukur ini diberikan ke blok transformasi Clarke. Output dari proyeksi ini diberi nama isα dan isβ. Kedua komponen arus ini masuk ke blok transformasi Park yang menyediakan arus dalam kerangka acuan d, q. Komponen isd dan isq dibandingkan dengan referensinya: isdref (referensi fluks) dan isqref (referensi torsi). Pada saat ini, struktur kontrol memiliki keuntungan: dapat digunakan untuk mengontrol mesin sinkron maupun induksi dengan hanya mengubah referensi fluks dan melacak posisi fluks rotor. Dalam kasus PMSM, fluks rotor ditentukan oleh magnet sehingga tidak perlu dibuat. Oleh karena itu, saat mengontrol PMSM, isdref harus sama dengan nol. Karena motor induksi memerlukan pembuatan fluks rotor untuk beroperasi, referensi fluks tidak boleh sama dengan nol. Ini dengan mudah menghilangkan salah satu kekurangan utama dari struktur kontrol "klasik": portabilitas dari drive asinkron ke sinkron. Output dari kontroler PI adalah Vsdref dan Vsqref. Mereka diterapkan ke blok transformasi Park terbalik. Output dari proyeksi ini adalah Vsαref dan Vsβref yang diberikan ke algoritma modulasi lebar pulsa vektor ruang (SVPWM). Output dari blok ini memberikan sinyal yang menggerakkan inverter. Di sini, kedua transformasi Park dan transformasi Park terbalik membutuhkan posisi fluks rotor. Oleh karena itu, posisi fluks rotor adalah esensi dari FOC.
Evaluasi posisi fluks rotor berbeda jika kita mempertimbangkan motor sinkron atau induksi.

1. Dalam kasus motor sinkron, kecepatan rotor sama dengan kecepatan fluks rotor. Maka posisi fluks rotor ditentukan langsung oleh sensor posisi atau dengan integrasi kecepatan rotor.

2. Dalam kasus motor asinkron, kecepatan rotor tidak sama dengan kecepatan fluks rotor karena slip; oleh karena itu, metode khusus digunakan untuk mengevaluasi posisi fluks rotor (θ). Metode ini menggunakan model arus, yang memerlukan dua persamaan dari model motor induksi dalam kerangka acuan d, q yang berputar.