bab vii final kontrol - Teknik Elektro Undip

BAB VII
FINAL KONTROL
TUJUAN PEMBELAJARAN
Di dalam bab ini, diperkenalkan teknik yang umum digunakan untuk implementasi
fungsi elemen kontrol. Setelah membaca bab ini, anda harus bisa:
1. Mendefinisikan ketiga bagian dari operasi kontrol akhir.
2. Memberi dua contoh konversi sinyal listrik.
3. Menguraikan prinsip operasi ac, dc, dan motor stepper.
4. Menjelaskan bagaimana suatu aktuator pnematik posisi baik yang langsung
maupun yang membalikkan.
5. Membedakan control valve(control valve)yang quick-opening, linier, dan
persentase dalam kaitan dengan aliran versus posisi stem.
6. Menjelaskan bagaimana teknik perekat control valve mengijinkan pemilihan
ukuran control valve yang sesuai.
7.1
PENGENALAN
Komponen sistem kontrol pada kontrol bagian akhir adalah tranduser. Ada
beberapa jenis trnduser yang dapat digunakan pada proses kontrol. Dalam pemilihan
tranduser harus dipertimbangkan di lingkungan yang bagaimana tranduser tersebut
akan diguanakan.
7.2
OPERASI KONTROL AKHIR
Operasi Elemen kontrol akhir melibatkan langkah-langkah yang diperlukan
untuk mengkonversi sinyal kontrol (yang dihasilkan oleh suatu kontroler proses) ke
dalam tindakan proporsional pada proses itu sendiri. Jadi, untuk menggunakan suatu
sinyal kontrol tertentu 4-20 mA untuk mengubah suatu laju alir besar 10.0 m3/min
sampai 50.0 m3/min, tentu memerlukan beberapa operasi perantara (intermediate).
Operasi Intermediate yang spesifik sangat tergantung pada disain kontrol proses,
tetapi penyamarataan tertentu dapat dibuat mengenai langkah-langkah yang
membawa sinyal kontrol kepada elemen kontrol akhir. Untuk suatu aplikasi kontrol
proses tertentu, konversi suatu sinyal process-controller kepada suatu fungsi kontrol
dapat diwakili oleh langkah-langkah yang ditunjukkan Gambar 7.1. Sinyal Masukan
boleh dapat berupa macam-macam bentuk, mencakup suatu arus listrik, sinyal
digital, atau tekanan pnematik.
110
Gambar 7.1 Elemen operasi kontrol akhir
7.2.1 Konversi Sinyal
Langkah ini mengacu pada modifikasi yang harus dibuat pada sinyal kontrol untuk
terhubung dengan baik dengan langkah kontrol berikutnya, yaitu aktuator. Sehngga,
jika suatu elemen kontrol valve dioperasikan oleh suatu aktuator motor listrik, maka
sinyal kontrol 4-20 mA dc harus dimadifikasi untuk mengoperasikan motor itu. Jika
suatu motor dc digunakan, modifikasi boleh jadi adalah konversi arus ke tegangan
dan penguatan.
Bentuk standar modifikasi sinyal dibahas Bagian 7.3. Alat yang
melaksanakan konversi sinyal seperti itu sering disebut transduser sebab ia
mengkonversi sinyal kontrol dari satu bentuk ke bentuk lain, seperti arus ke tekanan,
arus ke tegangan, dan semacamnya.
7.2.2 Aktuator
(Lihat Gambar 7.1) Hasil konversi sinyal menyediakan suatu sinyal yang dikonversi
dan/atau diperkuat yang dirancang untuk beroperasi/menggerakkan suatu mekanisme
untuk merubah suatu variabel kontrol di dalam proses itu. Efek langsung pada
umumnya diterapkan oleh sesuatu dalam proses, seperti suatu valve atau heater yang
harus dioperasikan oleh beberapa alat. Aktuator adalah suatu terjemahan sinyal
kontrol (yang dikonversi) ke dalam tindakan pada elemen kontrol. Jadi, jika suatu
valve dioperasikan, maka aktuator adalah suatu alat yang mengkonversi sinyal
kontrol ke dalam tindakan fisik membuka atau menutup valve. Beberapa contoh
aktuator bersama-sama penggunaan kontrol proses dibahas Bagian 7.4.
7.2.3 Elemen Kontrol
Lihat Gambar 7.1) Pada akhirnya kita mendapatkan elemen kontrol akhir sendiri.
Alat ini mempunyai pengaruh langsung pada variabel dinamis proses dan dirancang
sebagai suatu bagian integral dari proses itu sendiri. Jadi, jika aliran dikontrol, maka
elemen kontrol, suatu valve, harus dibangun secara langsung pada sistem aliran.
Dengan cara yang sama, jika temperatur dikontrol, maka beberapa mekanisme atau
elemen kontrol yang mempunyai suatu pengaruh langsung pada temperatur harus
dilibatkan pada proses itu. Ini bisa jadilah kombinasi suatu heater/cooler yang secara
elektris digerakkan oleh rele atau suatu valve pnematik untuk mengendalikan influks
reaktan.
111
Pada Gambar 7.2, suatu sistem kontrol ditunjukkan untuk mengendalikan
derajat tingkat baking (tingkat kematangan/bakaran) dari, katakanlah, biskuit, yang
ditentukan oleh warna biskuit. Sistem Pengukuran optis menghasilkan suatu sinyal
pengkondisii 4-20 mA yang merupakan suatu representasi analog warna biskuit (dan,
oleh karena itu, menunjukkan baking yang sesuai). Kontroler membandingkan
pengukuran itu dengan setpoint dan suatu sinyal keluaran 4-20 mA yang mengatur
konveyer menumpan m kecepatan motor untuk melakukan penyesuaian waktu
membakar biskuit. Operasi Kontrol akhir kemudian direpresentasikan dengan suatu
konversi sinyal yang mengubah bentuk sinyal 4-20 mA ke dalam suatu sinyal 50-100
volt seperti yang diperlukan untuk kontrol kecepatan motor. Motor sendiri adalah
aktuator, sedangkan perakitan ban berjalan konveyer adalah elemen kontrol.
Disebabkan aplikasi teknik kontrol proses di dalam industri adalah bervariasi
seperti industri itu sendiri, [adalah tidak praktis untuk mempertimbangkan lebih dari
beberapa teknik pengendalian akhir. Dengan mempelajari beberapa contoh, pembaca
seharusnya disiapkan untuk meneliti dan memahami banyak teknik lain yang muncul
di industri.
Gambar 7.2 Sebuah sistem kontrol proses yang memperlihatkan operasi kontrol akhir
7.3 KONVERSI SINYAL
Sasaran konversi sinyal yang prinsip adalah untuk mengkonversi sinyal kontrol lowenergy kepada suatu sinyal energi tinggi untuk men-drive aktuator. Sinyal Keluaran
Kontroler secara khusus adalah salah satu dari tiga bentuk: (1) arus listrik, pada
umumnya 4-20 mA; (2) tekanan pnematik, pada umumnya 3-15 psi atau 20-100 kPa;
dan (3) sinyal digital, pada umumnya tegangan LEVEL TTL dalam bentuk paralel
atau serial. Ada banyak pola yang berbeda untuk konversi sinyal ini kepada bentuk
lain, tergantung pada bentuk akhir yang diinginkan dan tergantung pada teknologi
untuk menghasilkan konversi seperti ini. Di bagian berikut, sejumlah pola konversi
yang lebih umum diperkenalkan. Anda perlu selalu mau menerima kemajuan
teknologi dan metoda baru pengkondisii dan konversi sinyal yang akan datang
dengan kemajuan ini.
112
7.3.1 Sinyal Listrik Analog
Berbagai metoda pengkondisi sinyal analog yang dibahas pada Bab 2 digunakan
dalam konversi yang penting bagi kontrol akhir. Paragrap berikut meringkas
sebagian dari pendekatan yang lebih umum.
RELAY
Suatu konversi umum untuk digunakan sinyal kontroler [itu] untuk mengaktipkan
suatu relay ketika suatu ON/OFF sederhana atau kontrol dua-position adalah cukup.
Dalam beberapa hal, sinyal arus rendah adalah tidak cukup untuk men-drive suatu
relay industri berat, dan suatu amplifier digunakan untuk menaikkan tegangan sinyal
kontrol tersebut kepada suatu level yang cukup untuk melakukan pekerjaan itu.
AMPLIFIER
amplifier ac atau dc daya tinggi sering dapat menyediakan konversi yang perlu dari
sinyal kontrol daya rendah bagi suatu bentuk energi tinggi. amplifier seperti itu bisa
melayani kontrol motor, kontrol panas, kontrol level cahaya, dan sejumlah besar lain
kebutuhan industri.
CONTOH
Suatu penguat magnet memerlukan suatu sinyal masukan 5-10 volt dari suatu sinyal
kontrol 4-20 mA. Disain suatu sistem konversi sinyal untuk menyediakan hubungan
ini.
SOLUSI
Kita pertama harus mengkonversi arus kepada suatu tegangan, dan kemudian
menyediakan penguat dan bias yang diperlukan. Kita biasa mendapatkan suatu
tegangan dengan menggunakan suatu resistor dalam garis arus, misalnya, 100 Ω.
Sehingga yang 4-20 mA menjadi 0.4-2.0 volt. Sekarang, Sistem Amplifier harus
menyediakan suatu keluaran yang diberikan oleh:
Vout = KVin + VB
di mana jika K adalah gain dan VB adalah suatu tegangan bias yang sesuai. Kita
mengetahui bahwa 0.4 volt masukan harus menyediakan 5 volt keluaran, dan 2 volt
masukan harus menyediakan 10 volt keluaran. Ini mengijinkan kita untuk memukan
K dan VB, menggunakan persamaan simultan sebagai:
5 = 0.4 K + VB
10 = 2 K + VB
dengan pengurangan, kita mendapatkan
5 = 1,6 K
113
K = 3,125
yang kita gunakan dalam persamaan di atas yang mana saja untuk mendapatkan
VB= 3.75
Sehingga, hasilnya adalah
Vout = 3.125 Vin + 3.75
Rangkaian Gambar 7.3 memperlihatkan bagaimana ini dapat diterapkan dengan
menggunakan suatu konfigurasi op amp.
Gambar 7.3 Rangkaian opamp untuk menghasilkan pengkondisi sinyal yang diperlukan pada Contoh
7.1
KONTROL MOTOR
Banyak rangkaian kontrol motor dirancang sebagai unit yang dikemas yang
menerima suatu sinyal dc level rendah secara langsung untuk mengendalikan
kecepatan motor. Jika sistim yang demikian tidak tersedia, [itu] adalah mungkin
untuk membangun rangkaian yang menggunakan amplifier bersama dengan SCR
atau TRIAC untuk melaksanakan kontrol ini. Elemen-elemen dasar motor listrik dan
beberapa kata-kata tentang kontrolnya didiskusikan nanti dalam bab ini.
7.3.2 Sinyal Listrik Digital
Konversi sinyal digital ke bentuk yang diperlukan oleh operasi kontrol akhir secara
umum dilaksanakan menggunakan sistem yang telah dibahas Bab 3. Bagaimanapun
kiita menyebutkan lagi, elemen-elemen dasar interface keluaran antara komputer
dan kontrol akhir.
114
KONTROL ON/OFF
Ada banyak kasusdalam kontrol proses dimana algoritma kontrol terpenuhi oleh
perintah sederhana ke peralatan luar untuk mengubah kecepatan, menyalakan (atau
mematikan), bergerak naik, dan seterusnya. Dalam kasus yang demikian, komputer
dapat dengan mudah memuat/men-load suatu garis keluaran dengan suatu l atau 0
yang sesuai. Maka, ini merupakan suatu perihal sederhana untuk menggunakan
sinyal ini untuk menutup suatu relay atau mengaktipkan beberapa rangkaian luar
lain .
DAC
Ketika keluaran digital harus menyediakan suatu kontrol yang lembut, seperti terjadi
dalam memposisikan valve, komputer harus menyediakan suatu masukan bagi suatu
DAC yang kemudian menentukan suatu keluaran analog yang sesuai. Ketika suatu
komputer harus menyediakan keluaran bagi banyak elemen kontrol akhir, suatu
modul keluaran data atau sistem seperti yang uraikan Bab 3 dapat dipakai. Modul
yang terintegrasi ini berisi saluran pengalamatan, DAC, dan elemen-elemen yang
diperlukan lainnya dari sistem interface output yang terisi sendir/selfcontained.
DIRECT ACTING
Karena penggunaan digital dan teknik komputer dalam kontrol proses
menjadi semakin tersebar luas metoda baru dari kontrol akhir telah dikembangkan
dimana dapat digerakkan secara langsung oleh komputer. Sehingga, suatu motor
stepper, untuk dibahas kemudian, dengan mudah berhubungan dengan sinyal digital
yang merupakan keluaran komputer. Di dalam pengembangan lain, IC khusus dibuat
dengan berada di dalam elemen kontrol akhir dan mengijinkan sinyal digital untuk
dihubungkan secara langsung.
7.3.3
Sinyal Pneumatik
Bidang pnematik yang umum meliputi suatu spektrum yang lebar dari
aplikasi tekanan fluida ke kebutuhan industri. Salah satu aplikasi yang paling umum
adalah untuk menyediakan suatu gaya oleh tekanan gas yang bertintak pada suatu
piston atau diafragma. Kemudian dalam bab ini, kita akan berhadapan dengan
aplikasi ini dalam kontrol proses. Akan tetapi, di dalam bagian ini, kita tertarik akan
pnematik sebagai alat perambatan informasi, yaitu, sebagai pembawa sinyal, dan
bagaimana sinyal tersebut dapat dikonversi ke dalam bentuk lain.
PRINSIP- PRINSIP
Di dalam suatu sistem pnematik, informasi dibawa oleh tekanan gas dalam suatu
pipa. Jika kita mempunyai suatu pipa dengan panjang berapa saja dan menaikkan
tekanan gas pada satuujungnya, peningkatkan tekanan ini akan menyebarn sepanjang
pipa sampai tekanan sepanjang/seluruhnya dinaikkan kepada nilai yang baru. Sinyal
Tekanan menjalar sepanjang pipa pada suatu kecepatan di sekitar kelajuan bunyi di
(dalam) gas (udara), sekitar 330 m/s (1082 ft/s). jadi, jika suatu transduser
memvariasi tekanan gas pada satu ujung 330-meter pipa (sekitar 360 yard), sebagai
jawaban atas beberapa variabel terkontrol, maka tekanan yang sama terjadi di ujung
pipa lain setelah suatu penundaan kira-kira l detik. Untuk banyak instalasi kontrol
115
proses, penundaan waktu ini] tidak tatap, walaupun itu adalah sangat lambat
dibandingkan dengan sinyal listrik. Perkembangbiakan Sinyal jenis ini telah
digunakan selama bertahun-tahun dalam kontrol proses sebelum teknologi
electrical/electronic dikembangkan sampai suatu level keandalan dan keselamatan
untuk memungkinkan penggunaannya dengan konfidens. Pnematik masih digunakan
banyak instalasi baik oleh karena bahaya pada perlengkapan listrik atau sebagai suatu
carryover dari tahun sebelumnya, di mana konversi ke metoda listrik tidak hemat
biaya. Secara umum, sinyal pnematik dibawa dengan udara kering sebagai gas dan
informasi sinyal disesuaikan untuk berada di dalam cakupan 3-15 psi. Di dalam
sistem unit SI, digunakan cakupan 20-100 kPa. Ada tiga jenis konversi sinyal dari
perhatian utama dan dibahas dibawah..
AMPLIFIKASI (PENGUATAN)
Suatu amplifier pnematik, juga disebut suatu booster atau relay, menaikkan
tekanan dan/atau volume arus udara oleh beberapa jumlah proporsional secara linier
dari sinyal masukan. Jadi, jika pendorong mempunyai suatu gain tekanan 10,
keluaran akan 30-150 psi untuk suatu masukan 3-15 psi. Ini terpenuhi via suatu
regulator yang diaktipkan oleh sinyal kontrol. Sebuah diagram bagan/pola salah satu
jenis booster tekanan ditunjukkan Gambar 7.4. perahtikan bahwa, karena tekanan
sinyal bervariasi, gerakan diafragma akan menggerakkan busi/penyumbat dalam blok
bodi dari booster. Jika gerakan adalah ke bawah, kebocoran gas dikurangi dan
tekanan di luar garis akan meningkat. Alat yang ditunjukkan adalah bertindak
reverse/kebalikan, sebab suatu tekanan high-signal akan menyebabkan tekanan
keluaran berkurang. Banyak disain lainnya juga digunakan.
Gambar 7.4 Sebuah amplifier pnematik atau booster mengkonversi tekanan sinyal kepada tekanan
yang lebih tinggi atau beberapa dengan volume udara yang lebih besar.
SISTEM NOZZLE/FLAPPER
Suatu konversi sinyal yang sangat penting adalah dari tekanan ke gerakan
mekanis dan sebaliknya. Konversi ini dapat disajikan oleh suatu sistem
nozzle/flapper (kadang-kadang disebut suatu sistem nozzle/baffle). Suatu diagram
116
alat ini ditunjukkan Gambar 7.5a. Suatu persediaan tekanan yang ter-regulasi, pada
umumnya di atas 20 psig, menyediakan suatu sumber udara melalui
restriksi/pembatasan. Alat pemercik (nozzle) terbuka pada ujung di mana gap ada
antara nozzle dan flapper, dan udara lepas dalam daerah ini. Jika flapper bergerak
menurun dan menutup flapper yang terbuka sehingga tidak ada udara bocor, tekanan
sinyal akan naik kepada tekanan supply/persediaan. Ketika flappere pindah, tekanan
sinyal akan turun oleh karena kebocoran gas. Akhirnya, ketika flapper adalah jauh
sekali (terbuka), tekanan akan stabil pada beberapa nilai yang ditentukan oleh
kebocoran yang maksimum melalui nozzle itu. Gambar 7.5b menunjukkan hubungan
antara tekanan sinyal dan jarak gap. Perhatikan sesitivitas yang besar dalam daerah
pusat . Suatu nozzle/flapper dirancang untuk beroperasi dalam daerah pusat, di mana
keniringan garis adalah terbesar. Di daerah ini, tanggapan akan seperti sedemikian
hingga suatu gerakan yang sangat kecil dari flapper dapat merubah tekanan oleh
suatu ordemagnitude. Diskusi lebih lebar tentang sistem ini diberikan pada Bab 10
mengenai diskusi tentang kontroler pnematik.
Gambar 7.5 Prinsip-prinsip sistem flapper/nozzle.
KONVERTER0 ARUS KE TEKANAN (CURRENT-TO-PRESSURE CONVERTER)
Current-To-Pressure Converter, atau disingkat l/P converter, adalah suatu
elemen penting dalam kontrol proses. Sering, ketika kita ingin menggunakan sinyal
arus listrik level rendah untuk bekerja, adalah lebih mudah untuk dibiarkan pekerjaan
dilaksanakan oleh suatu sinyal pnematik. I/P Converter memberi kita suatu cara yang
linier menterjemahkan arus 4-20 mA ke dalam suatu sinyal 3-15 psig. Ada banyak
disain untuk konverter ini, tetapi prinsip dasar dasar hampir selalu melibatkan
penggunaan suatu sistem nozzle/flapper. Gambar 7.6 menggambarkan suatu cara
sederhana untuk membangun konverter seperti itu. Perhatikan bahwa arus melalui
117
suatu kumparan menghasilkan suatu gaya yang akan cenderung untuk menarik
flappere itu turun dan menutup gap. Ini beras\rti bahwa suatu arus yang besar akan
menghasilkan tekanan yang besar sewhingga ini merupakan direct acting.
Penyesuaian pegas dan barangkali posisi relatif terhadap poros memungkinkan unit
itu untuk dikalibrasi sedemikian sehingga 4 mA sesuai dengan 3 psig dan 20 mA
sesuai dengan 15 psig.
7.4
AKTUATOR
Jika suatu valve digunakan untuk kontrol aliran fluida, beberapa mekanisme
harus secara fisik membuka atau menutup valve itu. Jika suatu heater adalah
menghangatkan suatu sistem, beberapa alat harus membuat heater itu ON atau OFF
beberapa eksitasinya. Ini adalah contoh-contoh yang dibutuhkan untuk suatu keduaaktuator dalam loop kontrol proses. Perhatikan perbedaan alat ini dari masukan
sinyal kontrol dan elemen kontrol sendiri (valve, heater, dan seterusnya, seperti
ditunjukkan Gambar 7.1). Aktuator mempunyai banyak bentuk berbeda untuk sesuai
kebutuhan loop kontrol proses tertentu. Kita akan melihat beberapa jenis aktuator
pnematik dan listrik.
Gambar 7.1 Prinsip-prinsip suatu konverter arus ke tekanan
7.4.1
Aktuator Listrik
Paragrap berikut memberi suatu uraian pendek beberapa jenis aktuator listrik
yang umum. Tujuannya adalah untuk menyajikan hanya corak yang penting dari alat
dan bukan suatu studi yang mendalam tenteng prinsip dan karakteristik operasional.
Di dalam suatu aplikasi spesifik, orang akan diharapkan untuk mengkonsultasikan
spesifikasi produk terperinci dan buku yang berhubungan dengan masing-masing
jenis aktuator.
SOLENOID
Suatu solenoid adalah suatu alat dasar yang mengkonversi suatu sinyal listrik
ke dalam gerakan mekanis, pada umumnya seperti garis. Seperti ditunjukkan Gambar
7.7, solenoid terdiri dari suatu kumparan dan alat pengisap. Pengisap tersebut
mungkin adalah free-standing atau dimuati pegas. Kumparan mempunyai beberapa
rating tegangan atau arus dan tipenya mungkin dc atau ac. Spesifikasi Solenoid
meliputi rating listrik dan gaya pengisap menarik atau mendorong ketika yang diberi
118
tegangan tertentu]. Gaya ini mungkin dinyatakan dalam newton atau kilogram di
dalam sistem SI, dan dalam pound atau ons dalam Sistem Inggris. Beberapa solenoid
terbatas hanya untuk tugas sebentar-sebentar oleh karena batasan yang berkenaan
dengan panas. Dalam hal ini, duty cycle maksimum (persentase total waktu) akan
ditetapkan. Solenoid digunakan ketika suatu gaya mendadak yang besar harus
dipakai untuk melaksanakan beberapa pekerjaan. Di dalam Gambar 7.8, suatu
solenoid digunakan untuk perubahan gigi persneling suatu transmisi dua-position.
Suatu SCR digunakan untuk mengaktipkan kumparan solenoid tersebut.
Gambar 7.7 Sebuah solenoid mengkonversi suatu sinyal listrik ke perpindahan fisik
Gambar 7.8 Sebuah solenoid digunakan untuk mengubah gigi perseneling
MOTOR LISTRIK
Motor listrik adalah alat yang menerima masukan listrik dan menghasilkan
suatu perputaran kontinu sebagai hasilnya. Jenis motor dan ukurannya bermacammacam tergantung pada hal kecepatan putaran (jumlah putaran tiap menit, atau rpm),
tenaga awal putaran (torsi), tenaga putaran, dan macam-macam spesifikasi lainnya.
Motor listrik banyak dipakai sebagai aktuator dalam kontrol proses. Mungkin situasi
kontrol yang paling umum adalah di mana kecepatan motor men-drive beberapa
bagian suatu proses, dankecepatan tersebut harus dikontrol untuk mengendalikan
beberapa variabel di dalam pross tersebut, ebagai contoh suatu sistem konveyer.
Banyak jenis motor listrik, masing-masing dengan kekhususan karakteristiknya. Kita
akan mendiskusikan ke tiga variasi yang paling umum: motor dc, motor ac, dan
motor stepper.
119
MOTOR DC
Dalam bentuk paling sederhana, suatu motor dc menggunakan suatu magnet
tetap (PM) untuk menghasilkan suatu medan magnet statis melintasi dua kutub.
Antara kutub-kutub dihubungkan suatu kumparan kawat yang bebas untuk berputar
(armature) dan kumparan kawat ini dihubungkan ke suatu sumber arus dc melalui
suatu tombol yang tertempel pada batang (komutator). Sistem ini ditunjukkan secara
skematis di dalam Gambar 7.9a. Untuk kondisi yang diperlihatkan, arus di dalam
kumparan akan menghasilkan suatu medan magnet dengan suatu orientasi
utara/selatan seperti itu ditunjukkan Gambar 7.9b. Penolakan selatan PM dan selatan
kumparan (dan yang utara) akan menyebabkan suatu tenaga putaran yang akan
memutar kumparan tersebut seperti yang ditunjukkan. Jika komutator tidak dipisah,
kumparan hanya akan berputar sampai PM dan kumparan kutub utara dan selatan
terletak di atas dan kemudian berhenti, tetapi karena komutator, kumparan tersebut
mendapati bahwa saat berputar arah arus yang melalui melalui kumparan membalik
sedemikian sehingga kondisi yang ditunjukkan Gambar 7.9c terjadi. Jadi, tenaga
putaran muncul lagi, dan kumparan terus berputar. Dari model yang sederhana ini
anda dapat melihat bahwa kumparan akan terus berputar. Kecepatan akan tergantung
pada arus. Pada kenyataannya, arus jangkar tidaklah ditentukan oleh resistansi
kumparan, oleh karena suatu emf lawan yang diproduksi oleh perputaran kawat di
dalam suatu medan magnet. Sehingga, tegangan yang efektif, yang menentukan arus
dari resistansi kawat dan Hukam Ohm, adalah perbedaan antara tegangan yang
diterapkan dan emf lawan yang diproduksi oleh perputaran tersebut.
Gambar 7.9 Motor dc magnet permanen
Banyak Motor dc menggunakan suatu elektromagnet sebagai ganti dari PM
untuk menyediakan medan statis. Kumparan yang digunakan untuk menghasilkan
medan ini disebut kumparan medan. Arus untuk kumparan-medan ini dapat disajikan
dengan penempatan kumparan tersebut secara seri atau paralel. Dalam beberapa hal
medan adalah terdiri atas dua lilitan, salah satu dari masing-masing tipe. Ini adalah
120
suatu motor dc compound/campuran. Lambang skematik dari tiap jenis motor
ditunjukkan Gambar 7.10. Karakteristik motor dc dengan suatu kumparan medan
sebagai berikut.
1. Medan seri. Motor ini mempunyai tenaga putaran awal yang besar tetapi sukar
untuk mempercepat kontrol. Baik untuk aplikasi starting ringan, nonmobile loads
dan di mana kontrol kecepatan tidaklah penting, seperti untuk quick-opening valve.
2. Medan shunt. Motor ini mempunyai suatu starting tenaga putaran yang lebih
kecil, tetapi karakteristik speed-control yang sangat baik yang dengan bermacammacam arus eksitasi jangkar. Baik untuk aplikasi di mana kecepatan hendak
dikontrol, seperti sistem konveyor.
3. Medan Campuran/Compound. Motor ini mencoba untuk memperoleh corak
yang terbaik daridua jenis sebelumnya. Biasanya, tenaga awal putaran dan
kemampuan speed-control berkisar antara kedua kasus murni di atas.
Gambar 7.10 Tiga konfigurasi motor dc
MOTOR AC
Ada banyak jenis motor ac. Kita akan memberikan prinsip-prinsip dasar dari
beberapa tipe. Suatu kecepatan putaran motor ac synchronous ditentukan oleh
frekuensi tegangan arus ac yang men-drive-nya. Aplikasi utamanya adalah di dalam
121
pemilihan waktu, oleh karena stabilitas yang tinggi dari frekuensi saluran listrik.
Operasi motor jenis ini dapat dilihat dari suatu contoh sederhana yang ditunjukkan
Gambar 7.11. Di sini, Rotor adalah suatu PM, dan medan disajikan oleh kumparan
yang di-drive dari saluran arus ac-nya. Oleh karena kelembaman PM, tenaga awal
putaran tidaklah sangat tinggi, tetapi sekali perputaran dimulai PM itu akan berputar
dalam fase dengan pembalikan medan disebabkan oleh osilasi tegangan saluran ac.
Itu telah jelas, kemudian bahwa kecepatan perputaran ditentukan oleh frekuensi
saluran ac. Suatu motor induksi menggantikan PM dengan suatu kumparan kawat
beratyang diinduksi arus dari perubahab medan ac yang dieksitasi kumparan-medan.
Gambar 7.12 menggambarkan motor ini. Seperti sebelumnya, sekali perputaran
dimulai rotor tersebut akan terus berputar di dalam fase dengan frekuensi saluran
yang diinduksi perubahan eksitasi kumparan-medan. Kesukaran dengan motor ini
adalah bahwa motor ini tidak self-starting, dan diperlukan modifikasi khusus untuk
mendapat/kannya mulai berputar. Kemudian, dengan jelas, tenaga putaran permulaan
adalah sangat rendah. Satu metoda untuk menyediakan self-starting adalah mendrive motor dengan dua atau lebih fase eksitasi . Akan tetapi, secara umum, motor
ac tidak mempunyai suatu tenaga awal putaran yang tinggi maupun metoda kontrol
kecepatan baik sekali.
Gambar 7.11 Motor ac sederhana dengan rotor pm
Gambar 7.12 Motor induksi tergantung pada sebnuah medan rotor yang diinduksi oleh kumparankumparan medan ac (tidak diperlihatkan
MOTOR STEPPER
Motor stepper tahun-tahun ini telah menjadi semakin penting oleh karena
kemudahannya dihubungkan dengan rangkaian digital. Suatu motor stepper adalah
suatu mesin putar yang sebetulnya berputar penuh oleh/dengan sequencing melalui
serangkaian step-step pemutaran diskrit. Masing-Masing step posisi adalah suatu
posisi keseimbangan yang, tanpa eksitasi lebih lanjut , posisi rotor akan tetap pada
122
step terakhir. Jadi, perputaran yang berlanjut dicapai oleh masukan suatu deretan
pulsa, masing-masing menyebabkan suatu kemajuan satu langkah. Ingat ini
bukanlah perputaran yang benar-benar kontinyu, tetapi perputaran diskrit. Kecepatan
putaran ditentukan oleh banyaknya step satu putaran dan rate pulsa yang dipakai.
Suatu rangkaian driver diperlukan untuk mengkonversi deretan pulsa tersebut ke
dalam sinyal yang sesuai untuk men-drive motor itu.
Gambar 7.13 Sebuah motor stepper dasar
Operasi suatu motor stepper dapat dipahami dari model yang sederhana yang
dituunjukkan Gambar 7.13, yang mempunyai 90° per step. Di dalam motor ini, rotor
adalah suatu PM yang di-drive oleh satu set elektromagnet tertentu. Di dalam posisi
yang ditunjukkan, sistem adalah dalam keseimbangan dan tidak ada gerakan yang
terjadi. Tombol-tombol secara khas adalah divais solid-state, seperti transistor, SCR,
atau TRIAC. Tombol sequencer akan mengarahkan tombol-tombol itu melalui suatu
urutan posisi ketika pulsa diterima. Pulsa berikutnya pada Gambar 7.13 akan
mengubah S2 dari C ke D, menghasilkan kutub elektromagnet tersebut
membalikkan medan. Sekarang, sebab orientasi kutub utara/selatan adalah berbeda,
rotor tertolak dan tertarik sedemikian sehingga bergerak ke posisi keseimbangan
yang baru yang ditunjukkan Gambar 7.14b. Dengan pulsa berikutnya, SI diubah ke
B, menyebabkan yang sama dengan pembalikan kutub dan perputaran PM ke suatu
posisi baru, seperti ditunjukkan Gambar 7.14c. Akhirnya, pulsa berikutnya
menyebabkan S2 switch ke C lagi, dan rotor PM melangkah lagi ke suatu posisi
123
keseimbangan baru, seperti di Gambar 7.14d. Pulsa berikutnya akan mengirimkan
sistem kembali ke status yang asli dan rotor kepada posisi yang asli. Urutan ini
kemudian diulangi seperti urutan pulsa masuk, menghasilkan suatu perputaran yang
berlanjut menurut step rotor PM. Walaupun contoh ini menggambarkan prinsip
operasi, yang paling umum motor stepper tidak menggunakan suatu PM, tetapi lebih
suatu rotor material magnetis (bukan magnet) dengan gigi sejumlah tertentu. Rotor
ini di-drive oleh susunan yang berubah-ubah (phased) dari kumparan-kumparan
dengan sejumlah kutub yang berbeda sehingga rotor tidak pernah bisa benar-benar
lurus dengan ststor. Gambar 7.15 menggambarkan ini untuk rotor dengan delapan
gigi dan stator dengan dua belas kutub. Perhatikan bahwa seperangkat empat gigi
dikelompokkan sedangkan empat lagi tidak. Jika eksitasi ditempatkan pada
kelompok kutub berikutnya (B) dan mengambil alih kelompok pertama (A), maka
rotor akan melangkah sekali sampai lurus dengan kelompok kutub B.
124