PERANCANGAN DAN SIMULASI CYCLOCONVERTER SEBAGAI PENGENDALI KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU FASA BERBASIS MIKROKONTROLLER AT89S52.

(1)

PERANCANGAN DAN SIMULASI CYCLOCONVERTER SEBAGAI PENGENDALI KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU FASA BERBASIS

MIKROKONTROLLER AT89S52

SKRIPSI

Diajukan untuk Memenuhi Sebagian dari Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro S1

Oleh

IMAM ARIF RAHMAN E.5051.1000614

DEPARTEMEN PENDIDIKAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS PENDIDIKAN TEKNOLOGI DAN KEJURUAN

(2)

Perancangan dan Simulasi Cycloconverter Sebagai Pengendali Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa Berbasis Mikrokontroller AT89S52

Oleh

Imam Arif Rahman

Sebuah skripsi yang diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana pada Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan

November 2014

Hak Cipta dilindungi undang-undang.

(3)

(4)

(5)

Imam Arif Rahman, 2014

Perancangan dan simulasi Cycloconverter sebagai pengendali kecepatan motor induksi satu fasa berbasis mikrokontroller AT 89S52

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu

ABSTRAK

Untuk menjalankan motor-motor listrik pada industri, terkadang dibutuhkan sumber tegangan listrik AC dengan amplituda dan frekuensi yang berbeda dengan sumber tegangan listrik AC yang disediakan oleh jaringan jala-jala/grid. Dalam hal ini jala-jala yang disediakan oleh PT. PLN adalah bertegangan 220 V dengan frekuensi 50 Hz. Pada penelitian ini dilakukan simulasi dan perancangan rangkaian elektronika daya cycloconverter satu fasa berbasis mikrokontroller AT89S52 yang mereduksi frekuensi fundamental 50 Hz menjadi frekuensi variabel. Tujuannya untuk mengurangi kecepatan motor induksi dengan cara mereduksi frekuensi masukan motor induksi tersebut. Komponen yang digunakan dalam pembuatan rangkaian cycloconverter adalah SCR (Silicon Controlled Rectifier). SCR merupakan keluarga dari komponen elektronika daya thyristor. Spesifikasi motor induksi satu fasa yang digunakan dalam pengujian rangkaian cycloconverter ini adalah motor dengan merk Oriental Motor tipe USM560-502W, 1200 rpm, 220 V, 50 Hz, 0.57 A, 1/12 hp. Hasil pengujian pada beban motor induksi satu fasa untuk output f/2 nilai rpm motor induksi berkisar antara 650 hingga 700 rpm atau setengah dari kecepatan nominal motor. Untuk output f/3 nilai rpm motor induksi berkisar antara 480 hingga 560 rpm. Dan untuk output f/4 nilai rpm motor induksi berkisar antara 620 hingga 680 rpm.

Kata kunci: Motor induksi satu fasa, cycloconverter, SCR, mikrokontroller AT89S52

ABSTRACT

To operate electric motors in the industry, sometimes it takes the AC power supply with amplitudes and frequencies which are different from AC power supply provided by the grid. In this case, the grid provided by PT. PLN uses the voltage of 220 V with the frequency of 50 Hz. In this research, the simulation and the design of power electronic circuits single phase cycloconverter AT89S52 microcontroller based which can reduce the fundamental frequency of 50 Hz into the variable frequency were conducted. The aim is to reduce the speed of an induction motor by reducing the input frequency of the induction motor. Component used in the manufacture of cycloconverter circuits is SCR (Silicon Controlled Rectifier). SCR is a member of the power electronic components thyristor family. Specification of the single phase induction motor used in the circuit cycloconverter test is a motor branded Oriental Motor type USM560-502W, 1200 rpm, 220 V, 50 Hz, 0.57 A, 1/12 hp. The result of testing on the loads of single phase induction motor to the output f/2, the induction motor values ranged from 650 to 700 rpm or half of rated motor speed. For the output f/3, the induction motor values ranged from 480 to 560 rpm. And for the output f/4, the induction motor values ranged from 620 to 680 rpm.

Keywords: Single phase induction motor, cycloconverter, SCR, AT89S52

(6)

KATA PENGANTAR

Dengan mengucapkan rasa syukur alhamdulillah, penulis ucapkan

kehadirat Allah SWT, karena berkat rahmat dan karunianya yang begitu besar

penulis dapat menyelesaikan penulisan skripsi yang berjudul “Perancangan dan

Simulasi Cycloconverter sebagai Pengendali Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa

Berbasis Mikrokontroller AT89S52” dengan lancar serta sesuai dengan yang

diharapkan.

Penulisan Skripsi ini bertujuan untuk memenuhi syarat mendapatkan gelar

Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Pendidikan Teknologi

dan Kejuruan (FPTK) Universitas Pendidikan Indonesia (UPI).

Penyusunan skripsi ini tidak lepas dari bimbingan dan dorongan berbagai

pihak. Dalam penyusunan skripsi ini penulis telah berusaha semaksimal mungkin

untuk memperoleh hasil yang terbaik, namun penulis menyadari bahwa masih

banyak kekurangan dalam penyusunan skripsi ini karena keterbatasan penulis.

Dengan segala kerendahan hati, penulis mengucapkan terimakasih dan

penghargaan yang mendalam kepada semua pihak yang membantu dengan saran

dan kritiknya yang dapat membangun motivasi penulis dan memungkinkan skripsi

ini selesai tepat pada waktunya.

Akhirnya dengan terselesaikannya skripsi ini, penulis berharap kiranya

dapat memberi manfaat dan tambahan wawasan dalam bidang elektro.

Bandung, 9 Oktober 2014

(7)

UCAPAN TERIMA KASIH

Untuk itu, pada kesempatan ini penulis sampaikan rasa terimakasih dan

rasa hormat yang sedalam-dalamnya kepada

1. Kedua orang tua atas segala pengorbanan, doa, dan dukungan yang tak

ternilai harganya.

2. Bapak Ir. H. Dadang Lukman Hakim, MT. selaku dosen pembimbing I,

yang telah dengan ikhlas memberikan bimbingan, arahan dan motivasi

kepada penulis dalam mengerjakan skripsi ini.

3. Bapak Erik Haritman, S.Pd., MT. selaku dosen pembimbing II, yang telah

memberikan bimbingan, arahan dan motivasi kepada penulis dalam

mengerjakan skripsi ini.

4. Bapak Prof. Dr. H. Bachtiar Hasan, S.T., MSIE. selaku Ketua Departemen

Pendidikan Teknik Elektro, Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan,

Universitas Pendidikan Indonesia.

5. Bapak Dr. Jaja Kustija, M.Sc. selaku Ketua Program Studi Teknik

Elektro-S1, Fakultas Pendidikan Teknologi dan Kejuruan, Universitas Pendidikan

Indonesia.

6. Ibu Dr. Hj. Budi Mulyanti, M.Si. Selaku pembimbing akademik yang

dengan penuh kesabaran membimbing sejak masa awal perkuliahan

hingga proses penyusunan skripsi ini selesai.

7. Pihak laboratorium Departemen Pendidikan Teknik Elektro FPTK UPI

terutama kepada para asisten lab di laboratorium listrik tenaga dan

laboratorium elektronika dasar.

8. Seluruh staf pengajar di Departemen Pendidikan Teknik Elektro FPTK

(8)

9. Staf Tata Usaha di Departemen Pendidikan Teknik Elektro FPTK UPI,

terutama Bapak Komar dan Ibu Sri yang telah memberikan kelancaran

administrasi.

10.Seluruh rekan-rekan Mahasiswa Teknik Elektro FPTK UPI tanpa

terkecuali, tetap semangat untuk menyelesaikan studinya di kampus

tercinta ini.

11.Keluarga besar “Shark In Your Mouth!” khususnya Ryan Hafiez, Tommi

Siswono, Restu Awwaliddin, Najam Yardo.

Saya menyadari bahwa penyusunan skripsi ini bukanlah proses akhir,

tetapi merupakan langkah awal yang masih banyak memerlukan perbaikan. Kritik

dan saran yang bersifat membangun sangat saya harapkan. Saya berharap skripsi

ini dapat bermanfaat bagi penulis dan khususnya bagi pembaca. Akhirnya hanya

kepada Yang Maha Pengasih dan Maha Penyayang segalanya dikembalikan.

Semoga amal baik semuanya diterima Allah SWT sebagai suatu ibadah.

Amin.

Bandung, 9 Oktober 2014

(9)

DAFTAR ISI

PERNYATAAN ... i

ABSTRAK ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

UCAPAN TERIMAKASIH ... iv

DAFTAR ISI ... vi

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xii

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Penelitian ... 1

1.2 Rumusan Masalah Penelitian ... 2

1.3 Tujuan Penelitian ... 2

1.4 Manfaat Penelitian ... 3

1.5 Struktur Organisasi Skripsi ... 3

BAB II KAJIAN PUSTAKA 2.1 Tinjauan Umum ... 5

2.2 Kajian Penunjang Penelitian ... 6

2.2.1 Motor Induksi Satu Fasa ... 6

2.2.2 Cycloconverter ... 20

2.2.3 Silicon Controlled Rectifier ... 24

2.2.4 Mikrokontroller AT89S52 ... 30

(10)

2.2.6 Optocoupler ... 33

BAB III METODE PENELITIAN 3.1 Tahap Proses Perancangan Alat ... 35

3.2 Tahap Pengujian dan Analisis ... 36

3.3 Blok Diagram Sistem Cycloconverter ... 3.4 Perancangan Perangkat Keras ... 37 38 3.4.1 Pemilihan Motor dan Karakteristik Motor ... 3.4.2 Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroller ... 3.4.3 Rangkaian Zero Crossing Detector ... 3.4.4 Rangkaian Pemicuan SCR ... 3.4.5 Penentuan Komponen Elektronika Daya SCR ... 39 40 42 43 45 3.5 Perancangan Perangkat Lunak ... 47

3.5.1 Simulasi Rangkaian Cycloconverter ... 47

3.5.2 Sistem Mikrokontroller ... 49

3.5.3 Cara Penulisan Bahasa Assembly 8051 IDE ... 52

BAB IV TEMUAN DAN PEMBAHASAN 4.1 Hasil Simulasi Rangkaian Cycloconverter PSIM ... 56

4.2 Hasil Pengujian Rangkaian Regulator Mikrokontroller ... 4.3 Hasil Pengujian Rangkaian Zero Crossing Detector ... 4.4 Hasil Pengujian Output Mikrokontroller ... 61 62 63 4.5 Hasil Pengujian Keseluruhan Sistem Cycloconverter ... 65

BAB V SIMPULAN, IMPLIKASI DAN REKOMENDASI 5.1 Simpulan ... 73

5.2 Implikasi dan Rekomendasi ... 73

(11)

DAFTAR TABEL

Tabel

3.1 Spesifikasi Motor Induksi Satu Fasa ... 39

3.2 Titik Penyulutan pada Gating Block untuk Vout f/2 ... 48

3.3 Titik Penyulutan pada Gating Block untuk Vout f/3 ... 49

3.4 Titik Penyulutan pada Gating Block untuk Vout f/4 ... 49

3.5 Pemakaian Port Mikrokontroller AT89S52 ... 50

3.6 Urutan Penyalaan SCR Untuk Output f/2 ... 52

4.1 Hasil Pengujian Rangkaian Regulator Mikrokontroller ... 62

4.2 Data Pengukuran Pertama Output Cycloconverter ... 67

4.3 Data Pengukuran Kedua Output Cycloconverter ... 67

4.4 Data Pengukuran Ketiga Output Cycloconverter ... 67

4.5 Data Pengukuran Keempat Output Cycloconverter ... 68

4.6 Data Pengukuran Kelima Output Cycloconverter ... 68

4.7 Nilai Rata-rata Tegangan pada 5 kali Pengukuran untuk f/2 ... 70

4.8 Nilai Rata-rata Tegangan pada 5 kali Pengukuran untuk f/3 ... 70

(12)

DAFTAR GAMBAR

Gambar

2.1 Konstruksi Umum Motor Induksi Satu Fasa ... 7

2.2 Konsep Medan Putar Ganda ... 8

2.3 Kurva Fluks Resultan Terhadap θ ... 9

2.4 Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa ... 10

2.5 Rangkaian dan Diagram Vektor Motor Split Fasa ... 11

2.6 Karakteristik Torsi vs Kecepatan Motor Split Fasa ... 12

2.7 Rangkaian dan Diagram Vektor Motor Kapasitor Start ... 13

2.8 Karakteristik Torsi vs Kecepatan Motor Kapasitor Start ... 13

2.9 Rangkaian dan Diagram Vektor Motor Kapasitor Permanen ... 14

2.10 Karakteristik Torsi vs Kecepatan Motor Kapasitor Permanen ... 14

2.11 Rangkaian dan Diagram Vektor Motor Kapasitor Ganda ... 15

2.12 Karakteristik Torsi vs Kecepatan Motor Kapasitor Ganda ... 15

2.13 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Satu Fasa ... 16

2.14 Perubahan Jumlah Kutub Stator ... 18

(13)

2.16 Kendali Kecepatan dengan Pengaturan Tahanan Luar ... 19

2.17 Diagram Blok Cycloconverter ... 20

2.18 Rangkaian Daya Single Phase Bridge Cycloconverter ... 21

2.19 Gelombang Input dan Output Cycloconverter dari f ke f/3 ... 22

2.20 Gelombang Input dan Output Cycloconverter dari f ke f/5 ... 23

2.21 Gelombang Tegangan dan Arus pada Cycloconverter ... 23

2.22 (a). Struktur Fisik dari Thyristor (b). Simbol Thyristor ... 24

2.23 Pemodelan Thyristor Menggunakan Dua Buah Transistor ... 25

2.24 Kurva Karakteristik Thyristor ... 26

2.25 Rangkaian Snubber ... 29

2.26 Konfigurasi Pin AT89S52 ... 31

2.27 Diagram Blok AT89S52 ... 32

2.28 Hasil Deteksi Zero Point oleh Rangkaian Zero Crossing Detector ... 33

2.29 Rangkaian Zero Crossing Detector ... 33

2.30 Beberapa Contoh Detektor Optik Aplikasi Elektronika Daya ... 34

3.1 Diagram Alir Penelitian Global ... 35

3.2 Tahap Pengujian Rangkaian Cycloconverter ... 36

3.3 Blok Diagram Sistem Cycloconverter ... 37

3.4 Tahap Perancangan Perangkat Keras ... 39

3.5 Rangkaian Power Supply 5 volt DC ... 40

3.6 Rangkaian Sistem Minimum AT89S52 ... 41

3.7 Rangkaian Simulasi Zero Crossing Detector... 42

3.8 Output Simulasi Rangkaian Zero Crossing Detector ... 42

3.9 Skematik Rangkaian Zero Crossing Detector ... 43

3.10 Rangkaian Pemicuan SCR ... 44

3.11 Konfigurasi SCR BT-151-500R ... 45

3.12 Rangkaian Snubber RC ... 46

3.13 Diagram Alir Simulasi Cycloconverter Satu Fasa Menggunakan PSIM 47

3.14 Rangkaian Simulasi Cycloconverter Satu Fasa ... 48

(14)

3.16 Diagram Alir Sub Rutin Delay f/2 ... 51

3.17 Tampilan Jendela Program 8051 IDE ... 53

3.18 Proses Compile Program 8051 IDE ... 53

3.19 Tampilan Jendela ISP Programmer ... 54

3.20 Prolific USB Downloader ... 54

3.21 Proses Pengisian Program Mikrokontroller ... 55

4.1 Output Vin dan Vout untuk keluaran f/2 ... 56

4.10 Output Gelombang Zero Crossing Detector ... 62

4.11 Output Gelombang Mikrokontroller untuk f/2 ... 63

4.14 Output Gelombang Cycloconverter f/2 dengan Beban Resistor 100 Ω .. 65

4.17 Grafik RPM pada Output Cycloconverter Hasil Pengukuran ... 68

4.18 Grafik Tegangan pada Output Cycloconverter Hasil Pengukuran ... 69

(15)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran Gambar Rangkaian dan Pengujian Rangkaian Cycloconverter

Lampiran Skematik Rangkaian Cycloconverter

Lampiran Rangkaian Simulasi PSIM

Lampiran Tabel Urutan Penyalaan SCR

Lampiran Flowchart Program Mikrokontroller

Lampiran Source Code Program Mikrokontroller

Lampiran Lembar Bimbingan Tugas Akhir

Lampiran ACC Perbaikan Draft Pra Sidang Skripsi

(16)

(17)

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang Penelitian

Pada era industri modern saat ini, kebutuhan terhadap alat produksi yang

tepat guna sangat diperlukan untuk meningkatkan efisiensi waktu dan biaya.

Sebagian besar alat industri seperti motor induksi menggunakan tenaga listrik

sebagai energi penggerak utamanya. Dengan demikian maka dirasakan sangat

perlu untuk meningkatkan keandalan dari motor induksi tersebut dengan suatu

sistem pengendalian kecepatan. Maka peranan peralatan elektronika daya dan

teknologi mikroprossesor sebagai penunjang kelancaran proses otomatisasi

produksi sangat menentukan.

Diperlukan suatu peralatan untuk mengendalikan kecepatan putar motor

induksi sebagai salah satu metode untuk meningkatkan efisiensi kerja dari motor

tersebut. Dalam dunia industri, pengaturan kecepatan putaran motor induksi

sangat dibutuhkan karena pada penggunaannya, adakalanya dibutuhkan

usaha-usaha pengaturan putaran yang diinginkan sesuai dengan jenis-jenis kebutuhan

dan penggunaannya. Dengan tercapainya efisiensi motor induksi ini akan

memberi dampak yang signifikan bagi industri.

Untuk menjalankan motor-motor listrik pada industri, terkadang

dibutuhkan suatu sumber tegangan listrik AC dengan amplituda dan frekuensi

yang berbeda dengan sumber tegangan listrik AC yang disediakan oleh jaringan

jala-jala/grid. Dalam hal ini jala-jala yang disediakan oleh PT. PLN adalah

bertegangan 220 volt dengan frekuensi 50 Hz.

Pada penelitian ini akan dilakukan simulasi dan perancangan rangkaian

elektronika daya cycloconverter satu fasa yang dapat mereduksi frekuensi

fundamental 50 Hz menjadi frekuensi variabel. Tujuannya adalah untuk

(18)

2

motor induksi tersebut. Komponen yang biasanya digunakan dalam pembuatan

rangkaian cycloconverter adalah SCR (Silicon Controlled Rectifier). SCR

merupakan keluarga dari komponen elektronika daya thyristor.

Seiring dengan pertumbuhan dan perkembangan teknologi dewasa ini,

peralatan kontrol berkembang dengan pesatnya, salah satu contohnya adalah

mikrokontroller. Hal ini membuat banyak industri untuk melakukan perubahan

peralatan dari manual ke otomatisasi. Salah satu aplikasi dari penggunaan

mikrokontroller yang dilakukan pada penelitian ini adalah sebagai perangkat

pengendalian sudut penyalaan gate SCR. Implementasi penggunaan

mikrokontroller ini dilakukan dengan menggunakan instruksi seperti operasi

aritmatik, operasi logika dan register yang tersedia pada mikrokontroller.

Dengan memanfaatkan mikrokontroller, sudut penyalaan SCR dapat diatur

sedemikian rupa sehingga rangkaian cycloconverter tersebut dapat mereduksi

frekuensi masukan yang selanjutnya dapat mengendalikan kecepatan motor

induksi satu fasa.

1.2 Rumusan Masalah Penelitian

Pada penelitian ini penulis fokus terhadap masalah dibawah ini:

1. Bagaimana peranan mikrokontroller dalam pemicuan gate SCR pada

rangkaian cycloconverter yang telah dirancang ?

2. Bagaimana perbandingan tegangan output hasil pengukuran dengan

tegangan output hasil simulasi PSIM ?

3. Bagaimana pengaruh pengurangan frekuensi masukan sumber tegangan

terhadap kecepatan motor induksi satu fasa ?

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Mampu merancang alat yang dapat mereduksi frekuensi masukan sumber

(19)

3

2. Mengetahui pengaturan penyulutan SCR menggunakan mikrokontroller

pada rangkaian cycloconverter satu fasa yang telah dirancang.

3. Mampu merancang alat yang dapat mengendalikan kecepatan motor

induksi satu fasa untuk berbagai macam keperluan.

1.4 Manfaat Penelitian

Kegunaan ilmiah dari penelitian ini adalah memberi sumbangan pemikiran

mengenai metode pengaturan kecepatan motor induksi dengan cara mereduksi

frekuensi input motor menggunakan rangkaian cycloconverter, serta memberi

informasi mengenai cara melakukan simulasi dan perancangan rangkaian

cycloconverter satu fasa. Untuk kedepannya, penulis berharap penelitian ini dapat

dijadikan suatu referensi untuk pengembangan penelitian selanjutnya pada bidang

elektronika daya di lingkungan Departemen Pendidikan Teknik Elektro FPTK

UPI khususnya. Kegunaan praktis dari penelitian ini adalah untuk membuat suatu

alat yang dapat mengendalikan kecepatan motor induksi satu fasa, yang

kedepannya diharapkan dapat digunakan untuk berbagai macam aplikasi.

1.5 Struktur Organisasi Skripsi 1. Bab I Pendahuluan

Membahas tentang latar belakang penelitian, rumusan masalah penelitian,

tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan struktur organisasi skripsi.

2. Bab II. Kajian Pustaka

Membahas tentang tinjauan umum mengenai metode pengendalian

kecepatan motor listrik, dan kajian penunjang penelitian seperti motor

induksi satu fasa, cycloconverter, SCR, mikrokontroller, metode zero

crossing detector, dan optocoupler.

3. Bab III. Metode Penelitian

Membahas tentang tahap proses perancangan alat, tahap pengujian alat,

blok diagram sistem cycloconverter, perancangan perangkat keras, dan

(20)

4

4. Bab IV. Temuan dan Pembahasan

Berisi tentang analisis data hasil simulasi menggunakan PSIM dan hasil

perancangan rangkaian cycloconverter, mulai dari pengujian regulator

tegangan mikrokontroller, pengujian blok rangkaian zero crossing

detector, pengujian blok rangkaian mikrokontroller, dan pengujian

rangkaian cycloconverter keseluruhan.

5. Bab V. Simpulan, Implikasi dan Rekomendasi

Berisi tentang kesimpulan dari pembahasan, perencanaan, pengukuran,

dan analisa berdasarkan hasil pengujian sistem yang dibuat. Untuk

meningkatkan hasil yang lebih baik untuk kedepannya diberikan saran

terhadap hasil dari penelitian dalam pembahasan cycloconverter sebagai

(21)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1 Tahap Proses Perancangan Alat

Penelitian ini didasarkan pada masalah yang bersifat aplikatif, yang dapat

dirumuskan menjadi 3 permasalahan utama, yaitu bagaimana merancang dan

melakukan simulasi rangkaian cycloconverter satu fasa, bagaimana pengaturan

penyulutan SCR pada rangkaian cycloconverter satu fasa menggunakan

mikrokontroller dan bagaimana hasil pengujian dari rangkaian cycloconverter

yang telah dirancang. Untuk itu langkah-langkah pelaksanaan penelitian ini akan

mencakup studi literatur untuk mempelajari teori penunjang yang dibutuhkan,

perencanaan sistem, perancangan dan pembuatan alat, pengujian dan analisis,

serta penarikan kesimpulan.

Studi Literatur

Perencanaan Sistem (Simulasi PSIM 9.0)

Perancangan Perangkat Keras (Skematik dan PCB)

Pengujian dan Analisis

Perancangan Perangkat Lunak (Program Mikrokontroller)

Hasil Penelitian

(22)

36

Gambar 3.1 Diagram Alir Penelitian Global

Tahap persiapan meliputi pencarian data dan bahan mengenai cycloconverter dan data mengenai rangkaian trigger untuk SCR, dilakukan dengan cara

berselancar di internet, membaca buku literatur dan diskusi. Pada bagian ini

dijelaskan mengenai tahapan/proses perancangan cycloconverter, terlihat pada

gambar 3.1. Pada tahap pertama juga dilakukan analisis situasi dengan

mendefinisikan kebutuhan yang harus dipenuhi oleh sistem yang akan dibangun.

Tahap berikutnya dibuat perencanaan sistem berdasarkan hasil tahap sebelumnya.

Dalam tahap perencanaan sistem ini, dilakukan simulasi berdasarkan rangkaian

yang telah didapatkan melalui studi literatur. Selanjutnya proses penerjemahan

perencanaan sistem ke dalam konsep rancangan alat baik perangkat keras maupun

perangkat lunak. Tahap berikutnya adalah implementasi hasil rancangan dalam

bentuk pembuatan alat. Di dalam proses pembuatan alat, senantiasa dilakukan uji

coba parsial.

3.2 Tahap Pengujian dan Analisis

Pengujian dilakukan pada setiap blok rangkaian dan hasil pada

masing-masing blok diamati. Pengujian dilakukan dalam beberapa tahap:

Pengujian regulator

(23)

37

Setelah pengujian tiap blok dilakukan kemudian dilakukan pengujian pada

keseluruhan sistem cycloconverter satu fasa yang dibagi ke dalam dua tahap.

Pertama pengujian rangkaian cycloconverter dengan beban resistor 100 Ω. Kedua

pengujian rangkaian cycloconverter dengan beban motor induksi satu fasa dengan

kondisi tidak berbeban.

3.3 Blok Diagram Sistem Cycloconverter

Regulator

Gambar 3.3 Blok Diagram Sistem Cycloconverter

Sistem pada gambar 3.3 dimulai dengan deteksi fasa yang dilakukan oleh

rangkaian zero cross detector untuk mendapatkan titik persimpangan antara

gelombang tegangan bolak-balik dengan titik nol. Sinyal keluaran rangkaian zero

cross detector ini akan diolah mikrokontroller. Rangkaian optocoupler berfungsi

sebagai jembatan pemisah antara rangkaian elektronika daya SCR tegangan 220

(24)

38

mikrokontroller. Sinyal dari optocoupler ini diberikan dari mikrokontroller dan

diteruskan ke gate SCR.

Mikrokontroller diprogram dengan bahasa assembly selanjutnya

memberikan sinyal picu bagi SCR dengan bantuan rangkaian zero cross detector.

Tegangan keluaran cycloconverter diberikan kepada motor induksi untuk

dikendalikan kecepatannya dengan pilihan 3 frekuensi yang berbeda (f/2, f/3, f/4).

Berikut adalah cara kerja dari masing-masing blok rangkaian:

1. Rangkaian cycloconverter satu fasa yang terdiri dari 8 buah SCR,

berfungsi untuk mengatur frekuensi input AC.

2. Rangkaian zero crossing detector sebagai pendeteksi kapan sinyal

tegangan AC bernilai nol yang selanjutnya digunakan sebagai sinyal

masukan ke mikrokontroller.

3. Push button untuk memberikan input pilihan kecepatan: f/2 (25 Hz), f/3

(16,66 Hz), f/4 (12,5 Hz)

4. Mikrokontroller AT89S52 mengolah seluruh data menjadi waktu picu

SCR.

5. Optocoupler mengubah sinyal picu SCR dari mikrokontroller menjadi

sinyal picu bagi SCR sekaligus sebagai perangkat isolasi antara rangkaian

kontrol dengan rangkaian daya.

6. Komponen daya SCR akan konduksi setelah mendapatkan sinyal picu

pada kaki gate.

3.4 Perancangan Perangkat Keras

Tahap perancangan perangkat keras didasarkan pada proses persiapan

meliputi pencarian data dan bahan mengenai rangkaian cycloconverter dan data mengenai rangkaian trigger untuk SCR, dilakukan dengan cara studi literatur.

Dalam perancangan perangkat keras juga di dalamnya diturunkan menjadi

(25)

39

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu Pembuatan rangkaian

skematik (program Eagle)

Pembuatan jalur PCB (program Eagle)

Pencetakan jalur PCB

Pemasangan komponen

Gambar 3.4 Tahap Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras terbagi menjadi beberapa bagian, antara lain:

3.4.1Pemilihan Motor dan Spesifikasi Motor

Pemilihan motor berdasarkan kondisi motor yang terdapat di laboratorium

listrik tenaga FPTK UPI, dan motor yang digunakan adalah jenis motor induksi

satu fasa. Tabel 3.1 berikut merupakan spesifikasi dari motor induksi satu fasa

yang digunakan dalam pengujian rangkaian cycloconverter.

Tabel 3.1 Spesifikasi Motor Induksi Satu Fasa

Single-Phase Induction Motors

Merk Oriental Motor

Tipe USM560-502W

P 1/12 hp

V 220 volt

f 50 Hz

I 0,57 ampere

C 4 µF

(26)

40

3.4.2Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroller AT89S52

Sistem minimum mikrokontroller dirancang untuk memenuhi kebutuhan

karakteristik mikrokontroller. Kebutuhan karakteristik ini ditentukan oleh

pabrikan mikrokontroller tersebut dan terdapat pada datasheet. Ada beberapa

blok dasar yang harus ada pada sistem minimum mikrokontroller:

1. Blok mikrokontroller

2. Blok power supply

3. Blok clock

4. Blok reset

Power supply merupakan bagian terpenting dari sistem minimum, kerena

tanpa power supply maka seluruh rangkaian tidak akan dapat berjalan dengan

semestinya. Pada perancangan alat ini daya yang digunakan sebesar 5 volt DC,

daya tersebut digunakan untuk suplay daya mikrokontroller. Rangkaian power

supply dapat dilihat pada gambar 3.5 di bawah ini:

Gambar 3.5 Rangkaian Power Supply 5 volt DC

Cara kerja dari rangkaian ini yaitu, tegangan AC 220 volt diturunkan

melalui transformator step down dari 220 volt menjadi 9 volt dan kemudian

disearahkan menggunakan diode bridge. Penggunaan kapasitor berfungsi

(27)

41

Untuk menstabilkan tegangan, maka digunakan IC regulator seri 78xx. Karena

yang dibutuhkan oleh mikrokontroller AT89S52 adalah tegangan yang sebesar 5

VDC, maka dibutuhkan IC regulator seri 7805. Mikrokontroller akan

mendapatkan tegangan yang diperlukan dari rangkaian ini melalui pin 40

(VCC).

Gambar 3.6 Rangkaian Sistem Minimum AT89S52

Rangkaian sistem minimum AT89S52 dapat dilihat pada gambar 3.6

diatas. Pin 18 dan 19 dihubungkan ke XTAL 11,0592 MHz dan dua buah

kapasitor 33 pF. XTAL ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroller

AT89S52 dalam mengeksekusi setiap perintah dalam program. Pin 9 (RST)

merupakan masukan reset (aktif tinggi), berfungsi untuk mereset

mikrokontroller.

Push-button S1-S4 terhubung melalui pin 1-4 (P1.0-P1.3). Push-button ini

(28)

42

rangkaian pemicuan SCR terhubung pada pin 21-28 (P2.0-P2.7). Rangkaian

zero crossing detector terhubung ke pin 14 (P3.4).

3.4.3Rangkaian Zero Crossing Detector

Agar bisa menentukan waktu tunda dengan tepat untuk mendapatkan hasil

pengaturan daya yang akurat, mikrokontroller harus mengetahui saat titik nol

(zero crossing) dari tegangan jala-jala listrik. Zero Crossing adalah rangkaian

yang digunakan untuk mendeteksi perpotongan gelombang sinus AC 220 volt

saat melewati titik tegangan nol. Seberangan titik nol yang dideteksi adalah

peralihan dari positif menuju negatif dan peralihan dari negatif menuju positif.

Dengan demikian diperoleh frekuensi sebesar dua kali frekuensi dari gelombang

sumber sinusoidal. Berikut adalah simulasi rangkaian zero crossing detector

yang ditunjukan oleh gambar 3.7 di bawah ini :

(29)

43

Gambar 3.8 Output Simulasi Rangkaian Zero Crossing Detector

Gambar 3.8 diatas terdapat dua sinyal keluaran, pada bagian atas

merupakan sinyal masukan tegangan 220 volt 50 Hz, sedangkan pada bagian

bawah merupakan sinyal keluaran dari rangkaian zero crossing detector.

Gambar 3.9 Skematik Rangkaian Zero Crossing Detector

Pada gambar 3.9 sumber tegangan 220 volt AC diturunkan tegangannya

menjadi tegangan 9 volt AC menggunakan trafo step-down. Dari trafo kemudian

diseri dengan diode bridge 1N4007 yang mempunyai kemampuan menahan

tegangan balik hingga 1000 volt, dari dioda kemudian masuk ke optocoupler

(OC) 4N35 yang memiliki kemampuan menahan tegangan isolasi sebesar 7500

(30)

44

4N35. Optocoupler disini berfungsi sebagai isolasi antara rangkaian zero

crossing detector dengan rangkaian minimum sistem mikrokontroller. Dari pin

kolektor 4N35 kemudian diseri dengan sumber tegangan mikrokontroller 5 volt

DC. Untuk menghubungkannya dengan pin 14 (P3.4) pada AT89S52, tegangan

+5 volt perlu diberi tahanan pembatas. Disini menggunakan resistor 10kΩ.

3.4.4Rangkaian Pemicuan SCR

Rangkaian utama cycloconverter ini terdiri dari dua rangkaian konverter,

yaitu rangkaian konverter bridge positif dan rangkaian konverter bridge negatif

dengan komponen SCR tipe BT 151. Beban terhubung diantara 2 rangkaian ini,

seperti terlihat dalam gambar 3.10 dibawah. Tiap bridge memiliki 4 SCR. Grup

SCR atas adalah positif dan grup SCR bawah adalah negatif. Gerbang SCR ini

dikendalikan penyalaannya oleh mikrokontroller.

(31)

45

Dalam rangkaian pemicuan SCR terpasang 8 buah LED sebagai indikator

berfungsinya rangkaian pemicuan. Sumber DC 5 volt diseri dengan LED warna

merah, yang sebelumnya diberi resistor 560 Ω agar arus yang mengalir pada

LED tidak terlalu besar. Arus dari pin katoda LED menuju kolektor transistor

C945. Untuk mengantisipasi lemahnya arus mikrokontroller menuju MOC3021,

maka digunakan transistor C945 yang merupakan jenis NPN. Penggunaan

transistor jenis C945 dimaksudkan agar nilai arus yang menuju MOC3021

cukup untuk memicu optocoupler tersebut. Kemudian arus dari mikrokontroller

menuju pin basis C945, yang sebelumnya diseri dengan resistor 100 Ω. Pin

emiter C945 lalu terhubung dengan pin anoda MOC3021.

MOC3021 didalamnya terdapat sebuah LED dan DIAC. Ketika LED

menyala, maka DIAC yang terdapat pada MOC3021 menjadi terpicu dan

kemudian menyulut pin gate SCR.

3.4.5Penentuan Komponen Elektronika Daya SCR

Dalam sistem ini menggunakan beberapa komponen utama untuk

pengaturan daya pada rangkaian cycloconverter, yaitu SCR BT151-500R. SCR

BT 151-500R produksi NXP Phillips Semiconductor merupakan komponen

utama yang nantinya akan digunakan dalam rangkaian komutasi thyristor.

Dalam datasheet BT151-500R, IRMS maksimum hingga 12 A dan VPeak

maksimum 500 V. Bentuk dan konfigurasi pin dari SCR BT 151-500R ini dapat

dilihat dari gambar 3.11 dibawah ini.

PIN Keterangan

1 Katoda

2 Anoda

3 Gate

(32)

46

Gambar 3.11 Konfigurasi SCR BT-151-500R

Untuk penentuan nilai resistansi Rs dan kapasitansi Cs dalam rangkaian

snubber yang bertujuan sebagai proteksi SCR dari efek dv/dt dapat dihitung

sebagai berikut: diketahui nilai rating dv/dt komponen SCR BT151-500R pada

datasheet sebesar 130 V/µs, tegangan puncak 220 volt. Maka nilai frekuensi

resonansi f0 adalah:

⁄

Untuk nilai induktansi L pada motor induksi digunakan nilai asumsi L= 25

µH, Sehingga nilai kapasitansi Cs:

(33)

47

Gambar 3.12 Rangkaian Snubber RC

Sehingga digunakan kapasitor sebesar 0,1 µ F yang tersedia di pasaran.

Selanjutnya mencari nilai resistansi Rs sebagai berikut:

√

Ω

Nilai resistansi Rs sebesar 43,85 Ω. Untuk nilai Rs yang akan dipasang

pada rangkaian snubber cycloconverter digunakan resistor 100 Ω2 watt_.

3.5Perancangan Perangkat Lunak 3.5.1Simulasi Rangkaian Cycloconverter

Tahap pertama dalam proses perancangan perangkat lunak cycloconverter

ini, dilakukan pemodelan rangkaian elektronika daya cycloconverter

(34)

48

Universitas Pendidikan Indonesia | repository.upi.edu | perpustakaan.upi.edu Mulai

Pemodelan rangkaian cycloconverter 1 fasa

Menentukan sudut penyalaan SCR pada gating block

Pengujian rangkaian

Rekonstruksi rangkaian

Tidak sesuai

Sesuai

Data hasil simulasi

Selesai

Gambar 3.13 Diagram Alir Simulasi Cycloconverter Satu Fasa Menggunakan PSIM

Hasil dari simulasi berupa bentuk gelombang keluaran cycloconverter dan

bentuk gelombang pulsa trigger gate SCR dapat dijadikan acuan dalam

menentukan perancangan alat serta algoritma dan program mikrokontroller

untuk pengaturan sudut penyalaan gate SCR. Rangkaian dasar ditunjukkan pada

gambar 3.14 yang mempunyai dua pulsa fasa konverter kontrol. Satu grup

(35)

49

Gambar 3.14 Rangkaian Simulasi Cycloconverter Satu Fasa

Arus output tiap grup hanya mengalir melalui satu arah. Untuk

menghasilkan arus AC pada beban, kedua grup dihubungkan secara antiparalel.

Grup positif (P1, P2, P3 dan P4) arus beban mengalir positif setengah siklus,

bila Vin positif. Dan grup negatif (N5, N6, N7, dan N8) arus beban mengalir

negatif setengah siklus, bila Vin negatif.

Tabel 3.2 Titik Penyulutan pada Gating Block untuk Vout f/2

No SCR Frequency No. of Points Switching point

1 P1 dan P2 25 2 10 30

2 P3 dan P4 25 2 100 120

3 N5 dan N6 25 2 190 210

4 N7 dan N8 25 2 280 300

(36)

50

1 P1 dan P2 16.66 4 10 30 130 150

penyulutan gate SCR dapat dilihat pada gambar 3.13, gambar 3.14, dan gambar

3.15

No SCR Frequency No. of Points Switching point

Perancangan perangkat lunak pada tugas akhir ini menggunakan

pemrograman bahasa assembly dengan mikrokontroller AT89S52 ditulis dan di

compile menggunakan program 8051 IDE. Mikrokontroller AT89S52

digunakan untuk mengontrol sistem berdasarkan pembacaan data hasil simulasi

PSIM. Hasil simulasi program PSIM berupa sinyal penyulutan gate. Data hasil

simulasi PSIM dan data dari zero crossing detector yang langsung dimasukkan

ke dalam mikrokontroller kemudian diproses untuk dijadikan acuan dalam

pemberian sudut penyalaan SCR. Push-button berfungsi untuk memberikan

input pilihan program yang berbeda.

(37)

51

Tabel 3.5 Pemakaian Port Mikrokontroller AT89S52

PORT BIT I/O Keterangan

Port 1 0-3 Input Push-button

Port 2 0-7 Output Rangkaian pemicuan SCR

Port 3 4 Input Zero crossing detector

(38)

52

Sub Rutin 1 (f/2)

Gambar 3.16 Diagram Alir Sub Rutin Delay f/2

Pada gambar 3.16 diatas dapat dilihat diagram alir sub rutin delay program

mikrokontroller untuk output f/2. Untuk diagram alir sub rutin delay output f/3

dan output f/4 tidak jauh berbeda, hanya urutan penyalaan port P2 saja yang

(39)

53

output gating block masing-masing pilihan output frekuensi. Berikut adalah

tabel urutan penyalaan SCR pada program mikrokontroller untuk output f/2.

Tabel 3.6 Urutan Penyalaan SCR untuk Output f/2

3.5.3Cara Penulisan Bahasa Assembly 8051 IDE

Penulis menggunakan program 8051 IDE untuk menuliskan program ke

ROM AT89S52. Setelah menginstal program 8051 IDE di komputer, buka

program 8051 IDE dengan langkah-langkah sebagai berikut:

1. Buka program 8051 IDE dengan cara klik Start Menu, All Programs, 8051

(40)

54

3. Selanjutnya proses menuliskan program, seperti pada gambar 3.17

dibawah ini.

Gambar 3.17 Tampilan Jendela Program 8051 IDE

4. Setelah program ditulis maka langkah selanjutnya adalah mengcompile

program tersebut. Proses ini bertujuan untuk mengubah program assembly

yang telah ditulis menjadi file hex yang kemudian akan dimasukkan ke

dalam mikrokontroller. Pilih menu assemble pada menu bar atau tekan

ctrl+F7 pada keyboard. Jika dalam proses penulisan tidak terdapat

kesalahan maka akan muncul tampilan seperti gambar 3.18 dibawah ini.

(41)

55

5. Setelah proses compile berhasil, langkah selanjutnya adalah memasukkan

file hex hasil compile ke mikrokontroller menggunakan sebuah USB

Downloader dan program ISP Programmer.

Gambar 3.19 Tampilan Jendela ISP Programmer

Dalam penelitian skripsi ini, penulis menggunakan Prolific USB

Downloader untuk pengisian program mikrokontroller.

(42)

56

6. Buka program ISP Programmer, pada menu bar pilih File lalu klik Load

FLASH File. Pilih file hex hasil compile menggunakan 8051 IDE lalu klik

Open.

7. Pada jendela utama ISP Programmer, pilih Chip Erase dibarengi dengan

menekan tombol ctrl pada keyboard lalu selanjutnya berturut-turut pilih

Write Flash, Verify Flash, dan Lock Device. Lalu klik Run. Selanjutnya

tunggu beberapa saat hingga proses pengisian program mikrokontroller

selesai.

(43)

BAB V

SIMPULAN, IMPLIKASI DAN REKOMENDASI

5.1 Simpulan

Setelah dilakukan proses perencanaan, pembuatan dan pengujian

cycloconverter satu fasa, maka dapat disimpulkan beberapa hal mengenai hasil

dari penelitian ini:

1. Frekuensi masukan sumber tegangan listrik dapat direduksi dengan cara

pengaturan pensaklaran (switching) sudut penyalaan komponen thyristor

jenis SCR melalui rangkaian cycloconverter.

2. Perancangan algoritma pemrograman mikrokontroller untuk pengaturan

penyalaan SCR didasarkan pada hasil simulasi menggunakan program

PSIM berupa gelombang output gating block thyristor.

3. Rangkaian cycloconverter satu fasa yang telah dirancang dapat

mengendalikan kecepatan motor induksi satu fasa dan dapat digunakan

untuk berbagai macam aplikasi seperti kompresor, pompa air, blower,

kipas, air-conditioning equipment, mesin jahit, mesin cuci, dan lain-lain.

5.2 Implikasi dan Rekomendasi

Selama pengerjaan penelitian ini tentu saja tidak terlepas dari berbagai

macam kekurangan dan kelemahan, baik itu pada perangkat keras maupun

perangkat lunak. Untuk mendapatkan hasil yang lebih baik dari penelitian ini,

disarankan:

1. Metode perancangan algoritma program mikrokontroller agar diperbaiki

kembali agar pengaturan sudut penyalaan SCR lebih akurat.

2. Untuk kedepannya dapat dikembangkan perancangan rangkaian

(44)

74

3. Dapat dilakukan pengembangan perancangan pengendalian motor induksi

(45)

DAFTAR PUSTAKA

Arindya, R. (2013). Penggunaan dan Pengaturan Motor Listrik. Yogyakarta: Graha Ilmu.

Arsov, G., & Tasev, G. (1990). Effective Microcomputer Based Control of Naturally Commutated Cycloconverter by Minimum Hardware and Software. Conf. Rec. IEEE/IAS Annual Meeting, Seattle. pp.1869-1872, oct.. 1990.

Atmel. (2008). Atmel AT89S52 Datasheet. Atmel Corporation.

Bakanagari, S., Peddapudi, J., & Kumar., A.M. (2013). A Novel Approach to Speed Control of Induction Motor by Cycloconverter with Thyristor. Int.

Journal of Engineering Research and Applications. ISSN:2248-9622, Vol.

3, Issue 6, Nov-Dec 2013.

Budiharto, W., Firmansyah, S. (2005). Elektronika Digital dan Mikroprosesor. Yogyakarta: Penerbit Andi.

Chen, H.H. (1977). A Microprocessor Control of a Three-Pulse Cycloconverter.

IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrumentation,

Vol. IECI-24, No.3.

Erdani, Y., Setiyawan, A.E., & Pratama, M.A. (2010). Rancang Bangun Kendali Sekuen Untuk Sambungan Jala-jala Listrik Menggunakan Cycloconverter.

Journal of Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology.

Vol. 01, No. 2.

Fairchild Semiconductor. (2002). RC Snubber Design. Fairchild.

Fitzgerald, A.E., Kingsley, C.Jr., & Umans, S.D., (2003). Electric Machinery, 6th ed. New York: McGraw-Hill.

Hidayat, R. (2013). Pengaturan Kecepatan Putaran Motor Induksi 1 Phasa Berbasis Mikrokontroler ATMega8535. Program Studi Teknik Elektro, Universitas Pakuan, Bogor.

Hunter, G.P. (1997). Low Cost Cycloconverter Induction Motor Drives Using

New Modulation Techniques. (Tesis). University of Technology, Sidney.

(46)

75

Luo, F.L., Ye, H., & Rashid, M. (2005). Digital Power Electronics and

Applications. London: Elsevier Academic Press

Mazda, F. (1997). Power Electronics Handbook. Newnes.

Mazidi, M.A., & Mazidi, J.G. (t.t). The 8051 Microcontroller and Embedded

Systems: Using Assembly and C. Dept. of Computer Science and

Information Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan.

Mohan, N., Undeland, TM., & Robbins, WP. (2003). Power Electronics:

Converter, Applications, and Design. John Wiley & Sons, Inc.

NXP Semiconductor. (2009). BT151-500R Datasheet. Philips.

Ozpineci, B., Tolbert, L.M. (t.t) Cycloconverter Tutorials. Department of Electrical and Computer Engineering, University of Tennessee, Knoxville.

Pelly, B.R. (1971). Thyristor Phase-Controlled Converters and Cycloconverters. John Wiley & Sons, Inc.

Petruzella, F.D. (2001). Elektronik Industri. Yogyakarta: Penerbit Andi.

Pressman, R.S. (2010). Software Engineering: A Practitioner’s Approach, 7th ed.

New York: McGraw-Hill.

Rashid, M.H. (2001). Power Electronic Handbook. London: Academic Press.

Sen, P.C. (1997). Principles of Electric Machines and Power Electronics. John Wiley & Sons, Inc.

Setiawan, R. (2006). Mikrokontroler MCS-51. Yogyakarta: Graha Ilmu.

Singh, D., Hoft, Richard G. (1978). Microcomputer-Controlled Single-Phase Cycloconverter. IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control

Instrumentation, Vol. IECI-25, No.3.

Sutrisna, K.F. (2008). Cycloconverter: AC-AC Konverter Penurun Frekuensi [Online]. Diakses dari http://konversi.wordpress.com/2008/11/20/cyclo-converter-ac-ac-konverter-penurun-frekuensi.htm

(47)

75

Zhang, J., Hunter, G.P., & Ramsden, V.P. (1993). A Single Phase Input Cycloconverter Driving a Three Phase Motor. The European Power

Electronics Association, Brighton. pp.128-132, sept. 1993.