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.
