Seiring dengan dorongan industri modern untuk mencapai efisiensi energi yang lebih tinggi dan penyediaan daya yang lebih bersih, minat terhadap konverter elektronika daya tingkat lanjut terus meningkat. Salah satu teknologi yang banyak menarik perhatian adalah konverter matriks, yang menjadi alternatif menjanjikan bagi konverter back-to-back konvensional. Konverter matriks menawarkan berbagai keunggulan, antara lain menghilangkan kebutuhan akan komponen reaktif berukuran besar, memungkinkan aliran daya dua arah secara inheren, meningkatkan keandalan, serta mewujudkan desain yang ringkas. Mengingat berbagai keunggulan tersebut, konverter matriks banyak digunakan dalam berbagai bidang, seperti penggerak motor dan integrasi ke jaringan listrik. Konverter matriks, yang berkembang dari cycloconverter berkomutasi paksa, telah mengalami penelitian intensif selama lebih dari tiga dekade. Penggunaan konverter matriks semakin meningkat pada turbin angin dan berbagai aplikasi lain yang menuntut perangkat mampu menyalurkan dan menerima energi baik dari generator maupun dari jaringan listrik. Konverter matriks, yang secara langsung mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus bolak-balik (AC) tanpa tahap perantara DC-link, semakin diterima sebagai alternatif terhadap sistem penggerak AC berbasis inverter tradisional [6]. Solusi berbasis silikon sepenuhnya ini menghubungkan sumber tegangan secara langsung ke beban melalui sakelar daya dua arah yang dikendalikan, sehingga tidak lagi memerlukan kapasitor atau induktor DC-link.
Salah satu aplikasi umum konverter matriks adalah pada penggerak motor sinkron, khususnya motor sinkron magnet permanen yang memiliki banyak keunggulan, termasuk densitas daya dan efisiensi yang tinggi. Untuk mencapai kinerja terbaik, konverter matriks memerlukan skema kendali tingkat lanjut yang mampu menangani perilaku pensaklaran yang kompleks serta menjamin operasi motor sinkron yang stabil. Motor AC, baik jenis induksi maupun sinkron, merupakan komponen penting dalam banyak aplikasi industri, termasuk kendaraan listrik dan robotika. Kombinasi konverter matriks dengan motor sinkron menghasilkan sinergi yang kuat, sehingga membentuk sistem penggerak dengan kinerja dan efisiensi energi yang sangat tinggi. Dalam beberapa tahun terakhir, telah terjadi kemajuan yang signifikan dalam penyempurnaan strategi kendali maupun topologi desain konverter matriks yang digunakan pada aplikasi penggerak motor sinkron. Konverter matriks tersusun atas perangkat semikonduktor yang dikendalikan secara aktif dan beroperasi tanpa menggunakan komponen pasif dalam jumlah besar. Minimnya penggunaan komponen pasif menjadikan topologi konverter matriks terutama bergantung pada perangkat semikonduktor daya. Oleh karena itu, konverter ini menawarkan densitas daya yang sangat tinggi, sehingga sangat sesuai untuk aplikasi yang peka terhadap ukuran dan berat, seperti dirgantara, sistem militer, traksi listrik, dan distribusi daya. Fungsi utama konverter matriks adalah mengubah satu sistem tegangan AC ke sistem tegangan AC lainnya dengan amplitudo, frekuensi, dan jumlah fasa yang dapat disesuaikan [38]. Untuk menjamin operasi dua arah, konverter matriks dibangun menggunakan sakelar semikonduktor daya dua arah. Namun demikian, ketiadaan magnet juga menjadikan motor sinkron reluktansi sebagai alternatif yang lebih ekonomis dibandingkan mesin sinkron magnet permanen.
Makalah ini menelaah lebih jauh penerapan strategi kendali berupa MPC pada loop kecepatan dan kendali PI pada loop arus. Struktur ini membantu meningkatkan stabilitas sistem secara keseluruhan dan respons dinamis, terutama pada kondisi beban yang berubah-ubah, dibandingkan dengan penggunaan kendali PI penuh pada kedua loop. Dalam pengujian simulasi, skema kendali yang diusulkan menunjukkan peningkatan yang jelas dalam pelacakan kecepatan, penurunan distorsi arus, dan kinerja keseluruhan yang lebih baik dibandingkan dengan kendali PI penuh.
Selain itu, penggunaan MPC pada loop kecepatan yang lambat, dengan tetap mempertahankan pengendali PI yang terbatas bandwidth-nya pada loop arus yang cepat, dapat dibenarkan secara teknis. Alasannya, kecepatan mekanis SynRM pada dasarnya berubah lebih lambat akibat pengaruh inersia dan koefisien gesekan, sebagaimana dimodelkan dalam formulasi waktu-diskret MPC. Hal ini menyebabkan kecepatan berkembang secara bertahap, sehingga MPC sangat sesuai diterapkan pada loop ini karena mampu memprediksi perilaku masa depan dalam horizon hingga tertentu dan mengoptimalkan kinerja melalui fungsi biaya sambil tetap menangani kendala sistem serta variasi beban. Laju pembaruan yang lebih rendah pada loop kecepatan juga menjadikan beban komputasi MPC masih dapat diterima. Sebaliknya, loop arus memiliki dinamika kelistrikan yang cepat dan harus beroperasi pada bandwidth tinggi. Model arus memungkinkan perancangan pengendali PI berbasis pole assignment secara efektif sehingga mampu memberikan kestabilan yang terjamin, respons cepat, dan biaya komputasi yang rendah. Penerapan MPC pada tingkat ini justru akan meningkatkan kompleksitas tanpa memberikan manfaat yang signifikan. Temuan ini mengisi kesenjangan yang cukup nyata dalam penelitian yang sudah ada dan mengarah pada pendekatan yang lebih efektif untuk mengendalikan penggerak SynRM dalam aplikasi nyata. Gambar 1 merupakan blok diagram sistem.
Gambar 1. Blok Diagram Sistem
Hasil dan Pembahasan
Strategi kendali yang diusulkan diimplementasikan dan dievaluasi menggunakan lingkungan MATLAB Simulink untuk memverifikasi kinerja dan efektivitasnya pada berbagai kondisi operasi. Melalui simulasi, respons dinamis, perilaku keadaan tunak, dan ketahanan sistem dianalisis secara menyeluruh. Parameter listrik dan mekanik SynRM yang digunakan dalam penelitian ini dirangkum dalam Tabel 1. Parameter-parameter tersebut dipilih secara cermat berdasarkan pertimbangan desain praktis untuk memastikan hasil simulasi yang realistis. Interval pencuplikan tetap sebesar 100 μs diterapkan sepanjang simulasi guna memperoleh resolusi kendali yang tinggi dan kestabilan sistem. Selain itu, arus referensi sumbu-d, id∗, ditetapkan sebesar 2 A untuk meningkatkan kemampuan torsi konstan motor, sehingga kinerja pada rentang kecepatan rendah hingga kecepatan tinggi dapat ditingkatkan.
Gambar 2 menyajikan respons transien pada kecepatan referensi 1000 r/menit dengan beban eksternal sebesar 1 N·m. Hasil tersebut dengan jelas menunjukkan kinerja dinamis struktur kendali selama proses pelacakan kecepatan. Dari gambar tersebut, terlihat bahwa sistem memiliki waktu naik yang cepat, yaitu sekitar 0,043 detik, yang menunjukkan kemampuan pengendali untuk merespons perubahan referensi kecepatan secara sigap. Gambar 3 memperlihatkan respons transien sistem penggerak kecepatan SynRM selama percepatan dari kecepatan rendah menuju kecepatan nominal menggunakan masukan perubahan bertingkat, yaitu dari 200 r/menit hingga 1800 r/menit, yang mencakup rentang operasi luas dan merepresentasikan kebutuhan industri pada umumnya. Berdasarkan hasil simulasi, sistem penggerak yang diusulkan menunjukkan kinerja dinamis yang memuaskan pada seluruh rentang pengaturan kecepatan. Gambar 4 menggambarkan respons transien sistem penggerak SynRM yang diusulkan pada skenario pembalikan perintah kecepatan, yaitu ketika kecepatan referensi diubah dari 600 r/menit menjadi –600 r/menit. Pengujian ini mengevaluasi kemampuan sistem dalam menangani pembalikan arah operasi secara dinamis, yang sangat penting untuk aplikasi yang memerlukan perubahan kecepatan yang sering atau pengereman regeneratif. Untuk mengevaluasi lebih lanjut kinerja pelacakan sistem penggerak yang diusulkan, sinyal referensi kecepatan yang berubah terhadap waktu berupa perintah sinusoidal pada 600 r/menit diterapkan sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5. Pengujian ini dirancang untuk menilai kemampuan sistem dalam mengikuti variasi kecepatan yang dinamis. Sebagaimana terlihat pada gambar terkait, respons kecepatan mengikuti lintasan referensi sinusoidal secara dekat, baik pada setengah siklus positif maupun negatif. Kecepatan motor menunjukkan pelacakan yang halus dan kontinu dengan lag fasa yang minimal, yang mencerminkan efektivitas struktur pengendali dan strategi modulasi dalam menangani perintah yang berubah terhadap waktu.
Secara keseluruhan, sistem penggerak yang diusulkan berhasil menunjukkan bahwa SynRM dapat dikendalikan, mulai dari kecepatan rendah hingga kecepatan nominal, dengan menggunakan konverter AC-AC konversi langsung. Hasil penelitian menunjukkan bahwa sistem penggerak yang diusulkan mampu menangani kinerja dinamis SynRM dengan sangat baik, yang ditunjukkan oleh waktu tunak respons transien yang cepat, yaitu kurang dari 0,06 s, kinerja yang stabil pada rentang kecepatan yang luas dari 200 r/menit hingga 1800 r/menit, serta galat pelacakan rata-rata yang kecil, yaitu sekitar 11,57 r/menit pada perintah kecepatan sinusoidal.
Keunggulan metode kendali ini membuka peluang untuk penerapan pada aplikasi industri karena karakteristik implementasinya yang relatif sederhana, termasuk untuk sistem seperti elevator dan aplikasi sejenis lainnya. Namun, di sisi lain, meskipun penelitian ini telah menggunakan parameter motor yang nyata, validasi dan verifikasi secara eksperimental masih diperlukan pada penelitian selanjutnya.
Tabel 1. Parameter motor SynRM
| Parameters | Nominal Value |
| Pole | 4 |
| Rated Power | 560 W |
| Rated Speed | 1800 r/min |
| Rated Current | 3.4 A |
| Stator Resistance | 2 |
| d-axis inductance | 148 mH |
| q-axis inductance | 67.2 mH |
Gambar 2. menyajikan respons transien pada kecepatan referensi 1000 r/menit dengan beban eksternal sebesar 1 N·m.
Gambar 3. Respon transient dengan setpoint kecepatan yang berbeda
Gambar 4. Respon kecepatan pada t 600 r/min to -600 r/min.
Gambar 5. Respon tracking dengan setpoint sinusoidal speed pada 600 rpm.
Penulis: Muhammad Syahril Mubarok, Ph.D.
Prodi: Teknik Elektro
Email: syahril.mubarok@ftmm.unair.ac.id
Fakultas: Teknologi Maju dan Multidisiplin
Tautan Artikel:
