PENGATURAN KECEPATAN DAN POSISI MOTOR AC

PENGATURAN KECEPATAN DAN POSISI MOTOR AC 3 PHASA
MENGGUNAKAN DT AVR LOW COST MICRO SYSTEM
Fandy Hartono1 – 2203 100 067
Dr. Tri Arief Sardjono, ST. MT.2-1970 02 12 1995 12 1001
1
Penulis, Mahasiswa S-1 Teknik Elektro-ITS, Surabaya
2
Dosen Pembimbing, Staff Pengajar Pada Jurusan Teknik Elektro-ITS, Surabaya
Jurusan Teknik Elektro-FTI, Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Kampus ITS. Surabaya-60111
ABSTRAKSI - Motor AC 3 phasa adalah
suatu jenis motor listrik yang banyak
digunakan dalam industri. Di dalam
penggunaan motor AC 3 phasa ini diperlukan
suatu sistem kontrol yang dapat mengatur
kecepatan dan posisi putar dari motor AC 3
phasa untuk dapat digunakan lebih lanjut.
Kecepatan putar dari motor AC 3 phasa dapat
dipengaruhi oleh nilai frekuensi tegangan AC
yang masuk ke dalam motor, sedangkan
pengaturan posisi putar dari motor AC 3 phasa
dilakukan dengan cara mengontrol lama
berputarnya motor AC 3 phasa tersebut.
Pengaturan kecepatan dan posisi dari motor
AC 3 phasa akan dilakukan oleh VSD
(Variable Speed Drive) yang dihubungkan
dengan mikrokontroler yang berfungsi sebagai
pengendali tegangan dan waktu aktif yang
akan menggerakkan motor AC 3 phasa
tersebut.
Hasil pengujian menunjukkan bahwa
tegangan output dari VSD dapat diubah
frekuensinya menggunakan mikrokontroler
dengan cara mengkonversi output digital 8 bit
dari mikrokontroler menjadi sinyal analog
dengan batas tegangan antara 0-5 volt. Dimana
semakin besar tegangan analog yang diberikan
oleh mikrokontroler kepada VSD akan
menyebabkan
frekuensi
output
VSD
meningkat sehingga kecepatan putar motor
juga
meningkat.
Sedangkan
untuk
menghentikan perputaran motor dapat
dilakukan dengan cara memberikan tegangan
analog sebesar 0 volt dari mikrokontroler.
Kata kunci: Motor AC 3 phasa, Variable
Speed Drive, Mikrokontroler
I.
Pendahuluan
Motor AC memiliki keunggulan dalam
hal kesederhanaan dan murahnya biaya
perawatan sehingga jenis motor ini banyak
dipakai di lingkungan industri maupun rumah
tangga. Pengendalian kecepatan putaran motor
AC dapat dilakukan dengan beberapa cara
diantaranya dengan kendali tegangan dan
frekuensi.
Inverter adalah konverter DC ke AC
dengan tegangan dan frekuensi keluaran dapat
diatur sehingga motor AC dapat dikendalikan
dengan fleksibel. Jenis inverter yang sering
dipakai untuk mengontrol kecepatan dari
motor AC 3 phasa adalah VSD(Variable
Speed Drive). VSD adalah sebuah alat yang
terdiri rectifier, filter, inverter, dan panel
kontrol untuk mengontrol nilai output yang
dihasilkan. Nilai yang dapat dikontrol oleh
VSD adalah nilai frekuensi dari tegangan
output yang akan masuk ke motor AC 3 phasa.
Sistem kontrol kecepatan motor AC 3 phasa
dengan menggunakan VSD hamper sama
dengan sistem kontrol motor AC 3 phasa
menggunakan PWM, hal ini dikarenakan
tegangan output dari VSD merupakan sinyal
PWM yang dibangkitkan oleh inverter di
dalam VSD. Keuntungan operasi inverter
PWM sebagai teknik konversi disbanding
jenis-jenis inverter lainnya adalah rendahnya
distorsi harmonik pada tegangan keluaran
dibanding dengan jenis inverter lainnya. Selain
itu teknik PWM sangat praktis dan ekonomis
untuk diterapkan berkat semakin pesatnya
perkembangan
semikonduktor
(terutama
komponen daya yang mempunyai waktu
penyaklaran sangat cepat). Pada pengendalian
kecepatan motor AC, inverter PWM
mempunyai
kelebihan
yang
mampu
1
2
menggerakkan motor induksi dengan putaran
halus dan rentang yang lebar.
II. Tinjauan pustaka
Motor induksi pada dasarnya dapat
mempunyai kecepatan yang beragam dengan
cara (1) mengubah frekuensi sumber daya, (2)
mengubah tegangan terminal, (3) mengubah
jumlah kutubnya.[4]
Pengaturan kecepatan putar motor induksi
secara konvensional dengan mengubah jumlah
kutub yaitu membagi belitan stator menjadi
beberapa
bagian
yang
sama
dan
menghubungkannya
dengan
saklar
penghubung yang menentukan hubungan
jumlah kutubnya. Kelemahannya, hasil
pengaturan kecepatannya bertingkat tidak
kontinyu, dengan dua atau lebih tingkat
kecepatan. Motor dengan hubungan seperti ini
biasa disebut motor Dahlander.[4]
Pengaturan kecepatan putar motor induksi
konvensional lainnya ialah mengubah nilai
tegangan
stator,
dilakukan
dengan
menggunakan reaktor atau variac. Cara ini
mengubah torsi motor induksi yang
menyebabkan perubahan kecepatan, tetapi
efisiensinya menurun tajam yang membuat
metoda ini tidak banyak dipakai. Metoda ini
digunakan untuk mengurangi arus awal motor
induksi berdaya besar.[4]
Pengaturan kecepatan putar motor induksi
dengan mengubah frekuensi sumber tegangan
pada stator dapat menghasilkan pengaturan
lebih baik dibanding dengan dua metoda
lainnya. Kecepatan motor lebih halus, tetapi
sangat rumit dalam rangkaian pengaturannya.
Konsep dasar pengubah frekuensi adalah
mengubah sumber daya AC menjadi DC
melalui penyearah yang dikontrol atau tidak,
dan kemudian diubah kembali menjadi AC
untuk memberi tegangan pada motor, yang
dapat
diatur
besar
tegangan
dan
frekuensinya.[4]
Untuk mengkonversi sumber daya DC ke
AC dengan tegangan dan frekuensi yang dapat
diatur menggunakan salah satu cara yaitu
mengatur lebar pulsa modulasi atau PWM
(pulsa-width-modulation). Bentuk gelombang
tegangan keluaran idealnya sinusoida, akan
tetapi dalam prakteknya tidak sinusoidal dan
mengandung komponen harmonik. Untuk
aplikasi daya sedang dan rendah, bentuk
gelombang tegangan masih berbentuk kotak
yang masih dapat diterima, tetapi untuk
aplikasi daya besar dibutuhkan bentuk
gelombang
tegangan
sinusoida
yang
distorsinya rendah. Untuk mengurangi
komponen harmonik tegangan keluaran dapat
digunakan komponen switching yang cepat.[5]
Pada tugas akhir ini menggunakan VSD
(Variable Speed Drive) dan mikrokontroler
untuk
mengontrol
VSD
yang
akan
membangkitkan sinyal PWM pada outputnya.
Mikrokontroler digunakan agar frekuensi
output dan lama aktif dari VSD dapat
ditentukan secara manual.
III. Dasar Teori
Sistem kontrol kecepatan dan posisi dari
motor AC 3 phasa dapat menggunakan
inverter PWM yang membangkitkan sinyal
AC 3 phasa yang dapat dikontrol frekuensinya.
VSD atau Variable Speed Drive adalah
suatu alat kontrol yang digunakan untuk
mengatur kecepatan putar dari sebuah motor
AC agar dapat berputar dengan kecepatan
yang diinginkan. VSD ini biasa banyak dijual
bebas di pasaran dan digunakan sebagai alat
kontrol motor AC 3 phasa dalam industri.
Rangkaian dalam VSD pada umumnya terdiri
dari sebuah rectifier untuk mengubah
masukkan dari tegangan AC menjadi tegangan
DC, sebuah inverter untuk merubah kembali
tegangan DC menjadi tegangan AC dengan
frekuensi yang diinginkan, serta sebuah
rangkaian driver untuk mengontrol inverter
agar dapat bekerja sesuai dengan perintah
yang diberikan.
Inverter dalam VSD berfungsi untuk
mengontrol nilai frekuensi dari sinyal
tegangan output AC yang keluar dari VSD.
Sedangkan kecepatan putar dari motor AC
bergantung pada nilai frekuensi sinyal
tegangan AC yang masuk ke dalam motor.
Sehingga frekuensi dari tegangan AC yang
digunakan untuk menggerakan motor AC 3
phasa mempengaruhi kecepatan putar dari
motor AC 3 phasa tersebut.
VSD yang dijual bebas di pasaran dapat
dikontrol melalui panel kontrol yang tersedia
pada VSD untuk pemakaian sederhana,
maupun menggunakan pemrograman PLC
3
untuk aplikasi pemakaian yang lebih rumit.
Untuk panel kontrol manual yang tersdia pada
VSD biasa hanya mampu untuk mengontrol
keaktifan dan frekuensi output dari VSD,
sedangkan
jika
digabungkan
dengan
pemrograman PLC dapat digunakan untuk
mengontrol variable yang lebih rumit.
IV. Metode Penelitian
Langkah-langkah yang dilakukan dalam
penulisan tugas akhir ini adalah sebagai
berikut:
1.Studi literatur tentang motor AC 3 phasa,
rangkaian driver motor AC 3 phasa,
komponen-komponen
yang
umum
digunakan dalam rangkaian driver, dan cara
pemrograman mikrokontroler.
2.Mendesain rancangan rangkaian driver
motor AC 3 phasa dan menentukan
komponen-komponen penyusunnya.
3.Pembuatan rangkaian driver motor AC 3
phasa dengan rancangan yang telah dibuat
sebelumnya.
4.Membuat program pada mikrokontroler
untuk dapat mengatur kerja dari rangkaian
driver yang telah dibuat.
5.Pengujian rangkaian yang telah dibuat
dengan cara menggunakannya untuk
mengontrol kecepatan dan posisi putar dari
sebuah motor AC 3 phasa.
6.Menganalisa hasil dan membuat kesimpulan.
V. Perancangan Alat
1. Diagram Blok Sistem
Diagram Blok sistem secara umum dapat
dilihat pada gambar berikut ini
Gambar 1. Diagram Blok Sistem
2. VSD (Variable Speed Drive)
VSD yang digunakan dalam tugas akhir
ini adalah VSD produk Schneider dengan tipe
Altivar 31. Memiliki fungsi interface dengan
PLC ataupun mikrokontroler. Tegangan input
yang digunakan oleh VSD ini adalah antara
380-500 Volt AC. Fungsi lain yang terdapat
dalam VSD ini adalah panel kontrol untuk
mengatur sistem kerja dari VSD dan
potensiometer untuk mengatur besarnya
frekuensi output dari VSD.
Modul VSD ini akan diberikan suplay
tegangan AC 3 phasa dari jala-jala sebesar 380
Volt AC pada masing-masing input phasanya,
serta
diberikan
input
kontrol
oleh
mikrokontroler pada pin analog input agar
dapat mengatur waktu aktif dari VSD. Hal ini
dikarenakan VSD ini tidak memiliki fungsi
timer untuk mengatur keaktifan dari motor AC
3 phasa yang digerakkan.
3. Mikrokontroler
Mikrokontroler yang digunakan pada
tugas akhir ini adalah modul DT-AVR LOW
COST MICRO SYSTEM dengan IC
ATMEGA16. Mikrokontroler ini tidak
memiliki fitur DAC, sehingga output dari
mikrokontroler yang akan masuk ke VSD
harus dikonversi dulu oleh DAC agar sinyal
kontrol dari mikrokontroler dapat dibaca oleh
VSD. Sinyal 8 bit yang dikirimkan oleh
mikrokontroler akan dikonversi menjadi
tegangan DC yang berkisar antara 0 sampai 5
volt oleh modul DAC.
Program
yang
digunakan
dalam
mikrokontroler berfungsi untuk memilih range
kecepatan putar motor yang diinginkan atau
untuk mengatur frekuensi dari sinyal tegangan
output VSD. Sebagai rangkaian bantuan
digunakan rangkaian LCD sebagai display dan
rangkaian keypad untuk memberikan inputan
range kecepatan dan jarak putar yang
diinginkan. Selain itu juga terdapat encoder
sebagai feedback dari motor untuk mengetahui
jarak putar yang telah dijalankan. Sehingga
jika telah tercapai jarak putar yang diinginkan
mikrokontroler akan mengirimkan sinyal
untuk menghentikan putaran motor pada VSD.
4. Keypad
Rangkaian keypad berfungsi untuk
memberikan inputan pada mikrokontroler
sehingga dapat memberikan sinyal kontrol
yang sesuai pada output. Keypad yang
4
digunakan adalah jenis rangkaian keypad 3x4
dengan model rangkaian sebagai berikut.
Gambar 2. Rangkaian Keypad
Input yg diberikan oleh rangkaian keypad
adalah pemilihan range kecepatan yang
diinginkan dan jarak putar yang harus
dijalankan oleh motor AC 3 phasa. Nilai
variable yang diinputkan pada keypad akan
ditampilkan pada rangkaian display.
5. Display
Display yang digunakan adalah rangkaian
LCD 2x16 yang mempunyai 16 pin konektor,
yang didefinisikan sebagai berikut.
Gambar 3. Rangkaian LCD
Display yang akan ditampilkan oleh LCD
adalah perintah untuk memasukkan inputan
melalui keypad dan nilai input dari keypad
yang telah diinputkan pada mikrokontroler.
Selain itu juga ditampilkan progres jarak yang
ditempuh oleh perputaran motor sesuai dengan
input yang diberikan.
6. Encoder
Encoder yang digunakan berfungsi
sebagai sensor jumlah putaran motor yang
telah ditempuh. Ketika motor melakukan
putaran, maka encoder akan mengirimkan
sinyal pulse pada mikrokontroler untuk
diproses lebih lanjut. Data pulse dari encoder
akan menentukan jumlah putaran motor yang
telah tercapai, sekaligus juga menentukan
panjang bahan yang telah tergulung pada
motor. Ketika data pulse dari encoder sudah
mencapai nilai yang sama dengan nilai data
input
pada
mikrokontroler,
maka
mikrokontroler akan berhenti mengirimkan
sinyal pada VSD untuk memutar motor.
7. Program Mikrokontroler
Program mikrokontroler yang digunakan
bertujuan untuk memberikan input panjang
bahan yang harus digulung dan range
kecepatan yang ingin digunakan. Dalam tugas
akhir ini menggunakan software codevision
untuk memprogram IC mikrokontroler
ATMEGA 16 yang digunakan. Data range
kecepatan motor dan jarak putaran yang
diinginkan diinputkan pada keypad utnuk
memberikan
nilai
variabel
pada
mikrokontroler. Ketika data telah diinputkan,
maka mikrokontroler akan mengirimkan sinyal
kepada VSD untuk memutar motor dengan
kecepatan yang diinputkan pada keypad.
Motor akan terus berputar hingga jarak putar
yang telah diinputkan pada keypad tercapai.
Encoder akan memberikan sinyal pada
mikrokontroler untuk mengetahui jarak putar
motor AC 3 phasa yang telah tercapai. Ketika
sinyal dari encoder telah sesuai dengan jarak
putar yang diinputkan pada keypad, maka
mikrokontroler akan berhenti mengirimkan
sinyal pada VSD. Diagram blok dari program
mikrokontroler ditunjukkan pada gambar di
bawah ini.
5
•
Set range kecepatan (3)
Tegangan DAC terukur = 4,75 Volt
Kecepatan putar motor = 2800 rpm
Frekuensi output VSD = 23,5 Hz
Ketika digunakan untuk menggulung
bahan dengan panjang 200cm, bahan
tergulung dengan sempurna dan
motor melakukan 2 putaran berlebih
sebelum berhenti.
VII. Kesimpulan
Dari hasil simulasi, pengamatan dan
pengujian pada rancangan yang dibuat, dapat
diambil kesimpulan sebagai berikut :
1.
2.
Gambar 4. Diagram alir program utama
VI. Pengujian Alat
Dari hasil pengujian alat yang telah
dilakukan diperoleh data sebagai berikut.
• Set range kecepatan (1)
Tegangan DAC terukur = 1,56 Volt
Kecepatan putar motor = 1180 rpm
Frekuensi output VSD = 7,5 Hz
Ketika dipakai untuk menggulung
bahan dengan panjang 200cm, bahan
tidak tergulung sempurna tetapi
masih tersisa sekitar 1 putaran motor
untuk dapat tergulung sempurna.
•
Set range kecepatan (2)
Tegangan DAC terukur = 3,15 Volt
Kecepatan putar motor = 2010 rpm
Frekuensi output VSD = 15,6 Hz
Ketika digunakan untuk menggulung
bahan dengan panjang 200cm, bahan
tergulung dengan sempurna dan
motor melakukan 1 putaran berlebih
sebelum pada akhirnya berhenti.
3.
Kecepatan putar motor AC 3 phasa dapat
dikontrol dengan cara mengontrol
frekuensi tegangan AC 3 phasa yang
digunakan untuk menggerakkan motor.
Frekuensi tegangan output dari VSD
dapat dikontrol oleh mikrokontroler
dengan cara memberikan tegangan antara
0 volt hingga 5 volt pada pin analog input
pada VSD.
Posisi putar motor AC 3 phasa dapat
dikontrol dengan cara mengatur waktu
aktif dari motor AC 3 phasa.
VIII.
1.
Daftar Pustaka
Richard Valentine, “Motor Control
Electronics Handbook”, Mc Graw
Hill. 1998.
2.
Hendri Andrianto, “Pemrograman
Mokrokontroler AVR ATMEGA 16
Menggunakan Bahasa C (CodeVision
AVR)”, Informatika, Bandung. 2008.
3.
“Motor
Listrik”,
www.energyefficiencyasia.com. Juni
2009.
4.
Ismail Muchsin ST., MT., Journal
“Motor
Induksi”,
Pusat
Pengembangan Bahan Ajar-UMB.
2009.
5.
Hasrudin Usman dan Bambang
Sutopo,
Makalah
“Aplikasi
Mikrokontroler ATMEGA 8535
Sebagai Pembangkit PWM Sinusoida
6
1 Fasa Untuk Mengendalikan Putaran
Motor Sinkron”, UGM, Yogjakarta.
Oktober 2009.
6.
“Guide Book Altivar 31” Schneider.
VI. Riwayat Penulis
Fandy Hartono dilahirkan di kota
Mataram, 29 January 1986. Penulis adalah
putra sulung dari empat bersaudara pasangan
Budi Hartono dan Oen Mie Lian.
Penulis memulai karir akademisnya di TK
DON BOSCO dan SDN 1 Cakranegara hingga
lulus tahun 1997. Setelah itu penulis
melanjutkan studinya di SLTP Negeri II
Mataram. Tahun 2000, penulis diterima
sebagai murid SMA Negeri 1 Mataram hingga
lulus tahun 2003. Setelah menamatkan SMU,
penulis melanjutkan studinya di Jurusan
Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh
Nopember Surabaya melalui jalur SPMB pada
tahun itu juga.