29 PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU PHASA

Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Satu Phasa dengan Menggunakan Sakelar (Fauzan dan Zamzami)
PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU PHASA DENGAN
MENGGUNAKAN SAKELAR PEMULIH ENERGI MAGNETIK
1
Fauzan dan 2Zamzami
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhokseumawe
Jl. Banda Aceh-Medan Km. 280 P.O. Box 90, Buketrata, Lhokseumawe 24301
*E-mail: [email protected]
1,2
Abstract
Dalam melakukan proses disuatu industri untuk menggerakkan beban kebanyakan
menggunakan motor listrik. Motor yang paling banyak digunakan dalam melakukan proses di
industri adalah motor induksi. Pada saat menggerakkan beban motor induksi tidak selalu
bekerja dengan kecepatan konstan, tetap harus bekerja juga pada kecepatan yang bervariasi.
Oleh karena itu motor induksi perlu dilakukan pengaturan kecepatan agar bisa dioperasikan
pada kecepatan yang bervariasi. Salah satu peralatan yang dapat digunakan untuk mengatur
kecepatan motor induksi satu phasa adalah sakelar pemulih energi magnetik (MERS) yang
bekerja untuk mengatur waktu pengisian dan pengosongan muatan kapasitor dengan
mengontrol pergeseran sudut penyalaan gerbang mosfet pada rangkaian sakelar pemulih
energi magnetik. MERS dipasang di antara sumber tegangan dan motor induksi satu phasa
sebagai beban sehingga dapat mengatur supply tegangan ke motor induksi yang dapat
mengakibatkan perubahan kecepatan putaran motor induksi. Hasil studi menunjukkan bahwa
MERS dapat mengatur kecepatan motor induksi satu phasa dari 6629 rpm sampai dengan
17373 rpm tetapi tidak semua dapat dioperasikan karena tegangannya tidak sesuai dengan
tegangan nominal motor induksi.
Kata Kunci : Pengaturan kecepatan, Motor induksi, MERS
Abstract — In the industrial sector in the process to move a load mostly use electric motors.
The motors are the most widely used in the process industry are induction motors. At the time of
induction motors drive the load does not always work with a constant speed, still have to work also at
varying speeds. Therefore, the induction motor speed regulation is necessary to be able to operate at
variable speeds. One of the equipment can be used to adjust the speed of single phase induction motor
is the magnetic energy recovery switch (MERS) who worked to set the time charging and discharging
the capacitor by controlling the firing angle shift gate mosfet in the circuit the magnetic energy
recovery switch. Mers installed between the source voltage and single phase induction motor as a load
so as to regulate the supply voltage to the induction motor that can lead to changes in rotation speed
of an induction motor. The study shows that Summers can adjust the speed of single phase induction
motor from 6629 rpm up to 17373 rpm but not all can be operated as voltage is not within the nominal
voltage induction motors.
Key words - Setting speed, induction motor, Mers
PENDAHULUAN
Dalam melakukan proses disuatu
industri
untuk
menggerakkan
beban
kebanyakan menggunakan motor listrik. Motor
yang paling banyak digunakan dalam
melakukan proses di industri adalah motor
induksi.
Motor induksi banyak digunakan karena
murah pada waktu membeli dan mudah dalam
melakukan
perawatan.
Pada
saat
menggerakkan beban motor induksi tidak
selalu bekerja dengan kecepatan konstan, tetapi
harus bekerja juga pada kecepatan yang
bervariasi. Oleh karena itu motor induksi perlu
dilakukan pengaturan kecepatan agar bisa
dioperasikan pada kecepatan yang bervariasi.
Pengaturan kecepatan motor induksi dapat
dikukan dengan beberapa metode antara lain:
1. Merubah jumlah kutub
2. Mengatur frekuensi
29
Jurnal Teknologi, Vol. 13, No.12, April 2013 : 29-33
3. Mengatur tegangan terminal
4. Menggunakan
rheostat atau
menggunakan tahanan.[6]
Penelitian ini melakukan pengaturan
kecepatan motor induksi dengan mengatur
tegangan terminal motor induksi dengan
memakai Sakelar Pemulih Energi Magnetik
(MERS). Sakelar Pemulih Energi magnetik
dipasang diantara Sumber tegangan dengan
terminal tegangan pada motor induksi.
Tujuan
penelitian
ini
adalah
menggunakan sakelar pemulih energi magnetik
untuk melakukan pengaturan kecepatan
putaran pada motor induksi dengan merubah
besaran tegangan terminal motor induksi
dengan mengatur sudut penyalaan
pada
mosfet.
Penelitian
ini
diharapkan
dapat
melakukan pengaturan kecepatan putaran
motor induksi dengan mudah dan memerlukan
biaya murah dengan perubahan putaran yang
smooth walaupun range pengaturan kecepatan
puatarannya tidak terlalu lebar.
METODE
Tahapan Langkah-langkah penelitian
terlebih dahulu menetukan parameter beban
yang akan digunakan dalam melakukan
penelitian. Parameter beban dapat diketahui
dengan mengukur variabel pada beban
mengunakan sumber tegangan satu phasa dan
memakai alat ukur.
Setelah melakukan pengukuran data
awal, dilakukan perhitungan untuk mengetahui
data-data yang belum terukur dengan
menggunakan alat ukur. Data-data tersebut
dijadikan
acuan
dalam
merencanakan
rangkaian MERS dan rangkaian pendukung
lainnya.
Rangkaian catu daya
Rangkaian catu daya berfungsi untuk
menyuplai tegangan dc ke tegangan kontrol.
Besar tegangan keluaran yang dihasilkan
rangkaian catu daya berkisar antara 4-6 volt dc.
Rangkaian catu daya yang digunakan
pada penelitian ini terdiri dari dua jenis
transformator sebagai sumber tegangan ac
adalah:
1. Transformator nol
2. Transformator CT (center tap)
Rangkaian catu daya yang menggunakan
transformator nol sebagai sumber tegangan di
searahkan menggunakan dioda jembatan
sebagai
penyearah
gelombang
penuh.
Sedangkan untuk meratakan keluaran tegangan
dc menggunakan kapasitor elco 1000μF/16
volt sebagai filter.
Gambar 1. Rangkaian catu daya
Rangkaian catu daya jenis ini
dibutuhkan 6 unit, masing-masing 4 unit
digunakan untuk menggerakkan 4 buah mosfet
pada rangkaian MERS yang terhubung secara
floating.
Rangkaian zero crossing detektor
Untuk menentukan besar pergeseran
sudut penyalaan dengan tepat untuk
mendapatkan hasil pengaturan yang akurat,
rangkaian pewaktu mono stabil IC 555 harus
mendeteksi saat dimulainya titik nol (zero
crossing). Zero crossing detector adalah
rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi
gelombang sinus AC 220 volt saat melewati
titik tegangan nol.
Menentukan dimulainya titik nol yang
dideteksi adalah peralihan dari positif menuju
negatif dan peralihan dari negatif menuju
positif. Dimulainya titik nol ini merupakan
acuan yang digunakan sebagai pemberian nilai
awal pergeseran sudut penyalaan mosfet.
Rangkaian zero crossing detector ditunjukkan
pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian zero crossing detektor
Rangkaian monostabil
Pada penelitian ini menggunakan
rangkaian pewaktu mono stabil sebanyak 2
unit dengan IC NE555-1 dan IC NE555-2.
30
Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Satu Phasa dengan Menggunakan Sakelar (Fauzan dan Zamzami)
Gambar 3
memperlihatkan rangkaian
monostabil yang terdiri dari 2 IC NE555,
kapasitor dan potensio meter sebagai pengatur
besaran pulsa keluaran.
Gambar 3. Rangkaian monostabil
Rangkaian mono stabil yang pertama
berfungsi membangkitkan pulsa high dan low
yang diterima dari keluaran rangkaian zero
crossing setelah di inverter. Lebar pulsa dapat
diatur dengan memvariasikan nilai hambatan
pada potensio meter. Pengaturan pulsa
digunakan untuk mengeser pulsa dari titik
persilangan nol (0 derajat) sampai ke titik
setengah perioda waktu ( 180 derajat).
Rangkaian mono stabil yang kedua
berfungsi untuk membangkitkan pulsa high
dan low yang diterima dari keluaran rangkaian
mono stabil pertama (kaki 3 IC NE555-1).
Lebar pulsa high dan low diatur masingmasing 10 ms dikarenakan frekuensi yang
digunakan 50 hz, lebar pulsa yang dihasilkan
konstan.
Rangkaian Pemisah antara driver dengan
power
Mosfet supaya dapat dioperasikan
sebagai sakelar, sumber tegangan harus
diberikan pada kaki-kaki gerbang (gate)
sakelar. Tegangan kontrol harus diberikan
antara terminal gerbang dan sumber (source)
atau antara terminal basis dan emitter
tergantung
dari
jenis
mosfet
yang
digunakan.Tegangan DC utama adalah
tegangan pulsa 5 volt keluaran dari rangkaian
pewaktu monostabil.
Terminal ground pada rangkaian kendali
dihubungkan dengan terminal ground dari
sumber DC dari rangkaian optokopler.
Terminal tegangan Vcc 5 volt terhadap ground
untuk mendriver mosfet dibuat terpisah dari
sumber tegangan DC utama. Perangkat untuk
memisahkan kedua sumber tegangan tersebut
diperlukan rangkaian antarmuka antara
rangkaian kendali dan sakelar daya yang
digunakan (agar tidak terjadi short circuit
antara rangkaian power dan rangkaian kontrol).
Gambar 4. Rangkaian pemisah driver
dengan power
Blok Diagram Sistem Pengaturan
Kecepatan Motor Induksi Satu Phasa
Pengaturan kecepatan motor induksi satu
phasa dapat dilakukan dengan rangkaian
MERS mengatur besarnya reaktans kapasitif
yang dihasilkan oleh rangkaian MERS untuk
mengimbangi
reaktans
induktif
yang
dihasilkan oleh motor induksi dengan cara
mengatur waktu pengisian dan pengosongan
muatan kapasitor pada rangkaian MERS
sehingga tegangan terminal motor dapat
berubah dan diikuti oleh perubahan kecepatan
putaran motor.
Pengaturan waktu pengisian dan
pengosongan muatan kapasitor dengan cara
mengatur sudut pemicuan sinyal pada gerbang
mosfet dengan mengunakan rangkaian kontrol
yang dikendalikan dengan rangkaian pewaktu
monostabil IC555.
Rangkaian pewaktu monostabil IC555
mengatur sudut pemicuan dengan mendeteksi
tegangan persilangan nol (zero crossing)
sebagai input trigger rangkaian pewaktu
monostabil IC555. Mosfet pada rangkaian
MERS berfungsi sebagai fungsi switching
yang bekerja untuk mengendalikan aliran arus
dalam mengkompensi reaktans seri pada sisi
motor.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian
dilakukan
mengunakan
sumber tegangan satu phasa PLN dengan
memakai motor induksi satu phasa (kipas
CPU) sebagai beban. Pada rangkaian MERS
penulis menggunakan mosfet tipe N IRF820
Daya 80 watt, VDS 500 volt, RDS maksimum 3
ohm dengan arus ID pada suhu 250 = 4 ampere
31
Jurnal Teknologi, Vol. 13, No.12, April 2013 : 29-33
dan pada suhu 1000 = 2,5 ampere ( jelasnya
lihat data sheet)
Nilai resistor (R) dan Induktor (L) dapat
ditentukan dengan mengetahui parameterparameter pada beban induktif adalah:
Vs = 225 volt
Is = 120,70 mA = 0,1207 ampere
Cos φ = 0,802 = 36,680
Besaran Vs, Is dan cos ϕ hasil pengukuran
pada objek beban.
Z = 1495+ j1113,53 ohm
XL = 1113,53 ohm
L = 3,546 henry
Menentukan nilai C awal
Penentuan nilai C awal ditentukan
dengan menganggap rangkaian mers pada
mode balance, rangkaian dalam keadaan
resonan Xc/XL = 1.[1]
C = 2,86 μF
Berdasarkan diagram vector kapasitas
kapasitor yang optimal yang digunakan dapat
diketahui dengan menggunakan aturan sinus:
β = 53,32o
dan α (sudut antara Vmers dengan Vsumber
atau sudut penyalaan), Vb diperoleh simulasi
dengan menggunakan nilai C awal pada
posisi mode balance, besar sudut yang
diperoleh α = 86,850
Kemudian, ϒ (sudut antara Vsumber dan
Vbeban) dapat ditentukan dengan Persamaan
ϒ = 180o - ( β + α )
ϒ = 39,83
sedangkan Tegangan MERS dapat dihitung
0
Vmers = Vs x
Vmers = 203,745 volt
dan kapasitans kapasitor yang optimal yang
dihasilkan adalah
Cmers =
= 2,150 μF ≈ 2,2 μF
Pengukuran data awal objek penelitian
Data
pengukuran
awal
sebelum
menggunakan MERS didapatkan dengan cara
melakukan pengukuran pada objek penelitian
dengan
tidak
mengaktifkan
rangkaian
switching MERS. Data tersebut digunakan
sebagai data awal untuk melakukan simulasi
dengan
menggunakan
sofware
Power
Simulator 9.0.3.400
Tabel 1. Data tanpa mengunakan MERS
Sumber
Vs
Kondisi awal
f
P
Q
S
Vrms
Vpeak
Hz
Watt
VA
VAR
225
318.198
50
21.78
pf
Ib
Vb
Kecepatan
Amp
Volt
rpm
16.316 27.158 0.802 0.1207
225
17133
Hasil Pengujian Modul Penelitian
Setelah
menentukan
parameterparameter yang diperlukan dalam melakukan
pengukuran dengan alat ukur.
Kemudian menentukan sudut penyalaan
gerbang mosfet dari 0 sampai 180 untuk
gerbang mosfet Q2 dan Q4, sudut penyalaan
dari 180 sampai 360 untuk gerbang mosfet Q1
dan Q3.
Pergeseran sudut penyalaan pada
gerbang mosfet dilakukan dengan cara
menggeser
sudut
sesuai
dengan
kebutuhan.Nilai kapasitor ditentukan berdasar
perhitungan nilai C optimum sebesar 2,2 μF
Tabel 2. Hasil Pengujian nilai C = 2,2 μF
Sumber
Mers + Kondisi awal
Vs
f
sudut
Vc
Vmers
volt
hz
(derajat)
volt
volt
225
50
0
179.3
202.5
dc-offset
225
50
20
209.7
235.0
225
50
40
224.1
225
50
60
225
50
80
225
50
225
Kecepatan
I
Vb
putaran
mA
volt
(rpm)
0.833
50.04
121.3
6629
dc-offset
0.790
64.83
139.4
9971
251.3
dc-offset
0.786
92.15
177.0
15195
214.7
237.3
dc-offset
0.855
110.09
215.0
16996
194.7
215.0
balance
0.909
116.19
232.0
17180
100
135.8
152.5
0.983
122.70
256.0
17354
50
120
107.9
121.2
0.986
122.97
259.0
17373
225
50
140
65.1
74.3
0.955
118.53
256.2
17354
225
50
160
31.3
36.4
0.898
110.84
244.6
17099
225
50
180
8.0
10.4
0.847
103.06
228.8
16841
Mode
notcontinous
notcontinous
notcontinous
notcontinous
notcontinous
Pf
Berdasarkan tabel 2 hasil menunjukkan
pada sudut penyalaan 00 sampai sudut 800
menunjukkan mode dc-offset, berarti reaktans
MERS lebih besar dari reaktans kapasitor.
Mode balance adalah reaktans MERS sama
dengan reaktans kapasitor ditunjukkan pada
sudut penyalaan 800, sedangkan pada sudut
penyalaan diatas 800 reaktans MERS lebih
kecil dari reaktans kapasitor dan menunjukkan
bentuk gelombang tegangan di kapasitor Vc
dengan mode not-continous.
Pada sudut penyalaan 0 sampai 600
rangkaian bersifat kapasitif yaitu reaktans
MERS lebih besar daripada reaktans beban atau
XC > XL. Pada saat rangkaian bersifat kapasitif
dengan faktor daya leading tegangan beban
bertambah secara linier seiring dengan
bertambah faktor daya sampai nilai maksimum
32
Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Satu Phasa dengan Menggunakan Sakelar (Fauzan dan Zamzami)
dan pada sudut penyalaan >1200 sampai 1800
rangkaian bersifat induktif atau XC < XL
dengan faktor daya lagging, tegangan beban
berkurang seiring dengan mengecilnya nilai
faktor daya.
mosfet rangkaian MERS, nilai C = 2,2 μF
menghasilkan bentuk gelombang tegangan di
C pada rangkaian MERS mode balance terjadi
pada sudut penyalaan 800.
MERS dapat mengatur kecepatan motor
induksi satu phasa dari 6629 rpm sampai
dengan 17373 rpm, tetapi tidak semua bisa
dioperasikan karena tegangan terminalnya
tidak sesuai dengan tegangan nominal motor.
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 5. Perbandingan tegangan beban dan
kecepatan putaran terhadap sudut penyalaan
Berdasarkan gambar 5 perbandingan
kecepatan putaran terhadap tegangan beban
berdasarkan sudut penyalaan adalah tegangan
beban
terkecil 121,30 volt pada sudut
penyalaan 00 dengan kecepatan putaran 6629
rpm dan tegangan beban terbesar 259 volt pada
sudut penyalaan 1200 dengan kecepatan
putaran 17373 rpm.
Tegangan beban dari sudut 0 sampai 100
naik agak linier dengan perubahan sudut
sedangkan dari sudut 100 sampai 120 hanya
bertambah 3 volt, dari sudut 120 sampai 180
tegangan beban mulai berkurang dengan faktor
daya bersifat induktif. Sedangkan untuk
kecepatan putaran dari sudut 0 sampai 60
kecepatan bertambah secara signifikan karena
perubahan tegangan beban, setelah tegangan
mencapai 215,0 volt yaitu tegangan hampir
sama dengan tegangan tegangan kerja motor
220 – 240 volt, perubahan kecepatan putaran
hanya bertambah mengikuti perubahan
tegangan.
KESIMPULAN
Pada saat nilai reaktans kapasitor lebih
besar dari nilai reaktans MERS bentuk
gelombang tegangan kapasitor adalah mode
not-continous, nilai reaktans kapasitor sama
dengan nilai reaktans MERS adalah mode
balance dan ketika nilai reaktans kapasitor
lebih kecil dari nilai reaktans MERS bentuk
gelombangnya adalah mode dc-offset.
Nilai
kapasitans
kapasitor
mempengaruhi sudut penyalaan gerbang
[1] Fonstelien, Olav J, 2008 “Magnetic
Energy Recovery Switch Implemented as
Light Dimmer”, Project Work (TET4520),
Spring.
[2] J. A. Wiik, T. Isobe, T. Takaku, F. D.
Wijaya, K. Usuki, N. Arai, R. Shimada,
2007, “Feasible series compensation
applications using Magnetic Energy
Recovery Switch (MERS)”, European
Conference on Power Electronics and
Applications, pp. 1-9.
[3] Jun Narushima, Kouta Inoue, Taku
Takaku,
Takana
Isobe,
Tadayuki
Kitahara, Ryuichi Shimada, 2005
“Application of Magnetic Energy recovery
Switch (MERS) for Power Factor
Correction” IPEC- Niigata April 4-8,
Toki Messe Niigata, Japan
[4] Prihartiningsih, M. M, 2010, “Specifying
and Using Synchronous Condensers for
PFC and Voltage Support by Ideal
Electric” www. Nakahoma. Com
[5] T. Isobe, J. A. Wiik, T. Kitahara, S. Kato,
K. Inoue, 2007, “Control of series
compensated induction motor using
magnetic energy recovery switch”,
European
Conference
on
Power
Electronics and Applications, pp. 1-10.
[6] Yadi Yunus, Suyamto, 2008, “Rancang
Bangun Alat Pengatur Kecepatan Motor
Induksi
Dengan
Cara
Mengatur
Frekuensi”, Seminar nasional IV, SDM
Teknologi Nuklir, 25-26 Agustus,
Yogyakarta
33