Analisis Kontrol PID pada Aktif Magnetik Bearing (AMB) dengan Metode Eksperimen

Ruviana, Rizqa (2023) Analisis Kontrol PID pada Aktif Magnetik Bearing (AMB) dengan Metode Eksperimen. Masters thesis, Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Text 6007202009-Master_Theses.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 1 October 2025. Download (3MB) | Request a copy

Abstract

Perkembangan Active Magnetic Bearing (AMB) untuk Turbin Gas sangat berkembang sampai saat ini. Seperti halnya program VAATE (Versatile Affordable Advanced Turbine Engines) meliputi DARPA dan NASA, bertujuan untuk melakukan penelitian sains dan teknologi dalam rekayasa mesin turbin gas memakai AMB agar efisien, bersih, cerdas, serbaguna, dan tahan lama. AMB dinilai lebih unggul dibandingkan dengan bearing roll element dan foil bearing, terlebih karena keterbatasan rolling element dalam suhu, kecepatan, ketebalan poros dan memiliki masa pakai yang relatif singkat pada beban yang lebih tinggi. Sedangkan foil bearing tidak menunjukkan kapasitas beban tinggi pada kecepatan rendah dan sampai saat ini belum didemonstrasikan pada ukuran mesin besar. AMB lebih cocok untuk mesin besar yang beroperasi pada beban tinggi dan relatif (jika dibandingkan dengan foil bearing) mempunyai kecepatan lebih rendah. Penelitian ini mengenalkan model dua derajat kebebasan untuk sistem AMB. Permodelan digambarkan dengan menggunakan dua elektromagnet identik dan persamaan yang disederhanakan. Model tersebut juga mempertimbangkan gaya eksternal, termasuk gaya sinusoidal oleh getaran motor, gaya sentrifugal oleh asumsi unbalance pada shaft, dan gaya statis. Selanjutnya output dari sistem ini berupa eccentricity. Parameter bentuk dan ukuran desain pada AMB berdasar pada standar Inner Ring dan Metric Shaft yang disediakan oleh SKF, yang sering digunakan untuk bearing konvensional pada umumnya. Model rotor disimulasikan menggunakan MATLAB SIMULINKTM. The Automatic PID Tuner App digunakan untuk mencari nilai kontrol berdasarkan fungsi transfer yang telah dibuat. Stabilitas sistem dianalisis menggunakan kriteria stabilitas Nyquist dengan fokus pada kisaran kecepatan putaran input 100 RPM - 459 kRPM. Kinerja pengontrol PID dievaluasi melalui pengujian sumbu x dan y, yang menghasilkan nilai Overshoot sistem 0%, rise time 0.06 detik, Settling time 0.32 detik dan Steady state error 1%. Secara khusus, pengontrol PID menunjukkan resistansi yang sangat baik terhadap berbagai gaya eksternal. Untuk menguji kemampuan sistem dalam menahan beban, dilakukan pengujian statis dengan penerapan beban 100-400N pada rotor. Namun, penambahan beban 400N rotor telah melewati nilai 1,5×10^(-3) m sebagai ambang batas maksimum eccentricity, sehingga beban maksimum yang dapat diberikan pada desain ini sebesar 388N dengan eccentricity yang dihasilkan yaitu 1,48×10^(-3) m. Pada pengujian eksperimen terkendala pada step menentukan tegangan input saat initial conditions, hal ini dapat terjadi karena kapasitas aktuator yang digunakan pada eksperimen tidak dapat membaca tegangan input dengan sensitivitas sangat tinggi. Sehingga nilai eccentricity yang diharapkan belum tercapai.
===============================================================================================================================
Active Magnetic Bearing (AMB) technology development for gas turbines has made significant progress. Initiatives like the Versatile Affordable Advanced Turbine Engines (VAATE) program, involving DARPA and NASA, aim to advance the science and technology of gas turbine engineering to achieve efficiency, cleanliness, intelligence, versatility, and durability. AMBs have been considered superior to rolling element bearings and foil bearings, particularly due to the limitations of rolling elements in terms of temperature, speed, shaft thickness, and relatively short lifespan under higher loads. Meanwhile, foil bearings have not demonstrated high load capacities at low speeds and have yet to be successfully implemented in large-scale engines. AMBs are more suitable for large machines operating under high loads and relatively lower speeds than foil bearings. This research introduces a two-degrees-of-freedom model for AMB systems. The modelling involves two identical electromagnets and simplified equations. The model also considers external forces, including sinusoidal forces from motor vibrations, centrifugal forces from shaft unbalanced assumptions and static forces. The system output is represented by eccentricity. The design parameters and dimensions of the AMB are based on Inner Ring and Metric Shaft standards provided by SKF, commonly used for conventional bearings. The rotor model is simulated using MATLAB SIMULINKTM, and the Automatic PID Tuner App is used to find control values based on the created transfer function. System stability is analyzed using Nyquist stability criteria, focusing on the input rotation speed range of 100 RPM - 459 kRPM. The PID controller's performance is evaluated through x and y-axis tests, resulting in an overshoot of 0%, a rise time of 0.06 seconds, a settling time of 0.32 seconds, and a steady-state error of 1%. Specifically, the PID controller exhibits excellent resistance to various external forces. To test the system's load-bearing capability, static tests were conducted by applying loads of 100-400N to the rotor. However, adding a 400N load to the rotor has exceeded the value of 1,5×10^(-3) m as the maximum eccentricity threshold. As a result, the maximum load that can be applied to this design is 388N, with the resulting eccentricity being 1,48×10^(-3) m. The experimental testing was hindered when determining the initial conditions of the input voltage during the step. This issue arose because the actuators used in the experiment could not read the input voltage with high sensitivity. As a result, the desired eccentricity values were not achieved.

Item Type:	Thesis (Masters)
Uncontrolled Keywords:	Active Magnetic Bearing, Kontrol PID, Simulink, PID Controller
Subjects:	T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ1058 Rotors T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ230 Machine design T Technology > TJ Mechanical engineering and machinery > TJ223 PID controllers
Divisions:	Faculty of Industrial Technology and Systems Engineering (INDSYS) > Mechanical Engineering > 21101-(S2) Master Thesis
Depositing User:	Rizqa Ruviana
Date Deposited:	11 Sep 2023 02:57
Last Modified:	11 Sep 2023 02:57
URI:	http://repository.its.ac.id/id/eprint/103735

Actions (login required)

View Item