i
MODEL MATEMATIKA SISTEM KONTROL MOTOR
PENGGERAK GENERATOR BERDASARKAN
BEBAN LISTRIK KONSUMEN
TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Syarat
Gelar Sarjana (S-1) Teknik Elektro
Disusun oleh :
AGUSRIADI
NIM : 08530119
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
ii
LEMBAR PERSETUJUAN
MODEL MATEMATIKA SISTEM KONTROL MOTOR
PENGGERAK GENERATOR BERDASARKAN
BEBAN LISTRIK KONSUMEN
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Agusriadi
NIM : 08530119
Diperikasa dan Disetujui oleh :
Dosen Pembimbing I
Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT NIP : UMM.108.9109.0233
Dosen Pembimbing II
Ir. Nurhadi, MT
iii
LEMBAR PENGESAHAN
MODEL MATEMATIKA SISTEM KONTROL MOTOR
PENGGERAK GENERATOR BERDASARKAN
BEBAN LISTRIK KONSUMEN
Tugas Akhir ini Disusun Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik (ST) Di Universitas Muhammadiyah Malang
Oleh :
AGUSRIADI NIM : 08530119
Tanggal Ujian : 30 April 2011 Periode Wisuda : September 2011
Disetujui Oleh :
1. Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT
iv
SURAT PERNYATAAN
Yang bertanda tanggan dibawah ini :
Nama : Agusriadi
Tempat, Tgl Lahir : Pandawan, 13 Agustus 1985
N I M : 08530119
Fakultas / Jurusan : Teknik / Elektro
Menyatakan bahwa karya ilmiah / skripsi saya yang berjudul:
“MODEL MATEMATIKA SISTEM KONTROL MOTOR PENGGERAK
GENERATOR BERDASARKAN BEBAN LISTRIK KONSUMEN” adalah
bukan merupakan karya tulis orang lain, baik sebagian maupun keseluruhan,
kecuali dalam bentuk kutipan yang telah saya sebutkan sumbernya.
Demikian Surat Pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya dan
apabila pernyataan ini tidak benar, saya bersedia mendapat sanksi akademis.
Malang, 8 Mei 2011 Yang Menyatakan,
Agusriadi
Mengetahui,
Pembimbing I
Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT NIP : UMM.108.9109.0233
Pembimbing II
v
ABSTRAK
Penggunaan program komputer untuk menganalisis suatu sistem kontrol dengan menggunakan program Matlab, yaitu dengan menggunakan simulink pada salah satu program yang terdapat pada matlab. Program ini akan sangat membantu dalam menganalisis suatu sistem kontrol motor dalam menyelesaikan berbagai permasalahan menyangkut motor listrik dengan membuat simulasi dengan
simulink dari sebuah rangkaian motor listrik. Menggunkan program simulink
matlab akan sangat membantu untuk mengetahui karakteristik motor antara lain kecepatan, arus, dan torsi terhadapat perubahan beban dalam bentuk visual (grafik).
Motor DC dengan penguat terpisah masih banyak digunakan di indutri pada kondisi tertentu, karena motor DC mempunyai kinerja yang baik untuk pengaturan kecepatan berbeban yang dinamis. Pengaturan kecepatan motor DC dengan penguat terpisah telah banyak dilakukan dan diselesaikan dengan menggunakan metode kontrol konvensional maupun otomatis. Karena motor DC dengan penguat terpisah lebih mudah dalam hal pengaturanya sehingga penulis menggunakan motor DC penguat terpisah dalam penyusunan tugas akhir dengan judul ” Model Matematika Sistem Kontrol Motor Penggerak Generator Berdasarkan Beban Listrik Konsumen”. Pada tugas akhir ini dilakukan simulasi tanpa beban, perubahan beban, beban induktif, beban kapasitif, dan beban penuh
vi ABSTRACT
The use of a computer program to analyze a control system by using Matlab, by using Simulink in one of the programs contained in matlab. This program will be hefpul inanalyzing a system of motor control in solving various problem related to electric motor to created simulation with Simulink from a series if electric motors. Using Matlab Simulink program will be hefpul to know the motor characteristics such asspeed, current, and torque to the load change in a visual rorm (charts).
DC motors with separately exited is still widley used in industry in certain circumstances, because DC motors have good performance for dynamic load speedsettings. DC motors with separately exited er easier in terms of its settings so that the author uses a separately exited DC motors in the preparation of this thesis with title “ Mathematical Model Motor Drive Control System Generator Based on Cinsumer Electricity Charges”. In this final simulation without load, change load, inductive load, capacitive load, and full load.
vii
KATA PENGANTAR
Assalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh.
Segala puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah
memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga penulis mampu menyelesaikan
hasil Tugas Akhir ini. Shalawat serta salam tak lupa penulis haturkan kepada
junjungan kita Nabi Muhammad SAW yang telah memberikan pencerahan dan
suri teladan yang baik di muka bumi ini semoga kita selalu memdapatkan syafaat
dari beliau amin ya robbal’alamin.
Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi S1
Jurusan Teknik Elktro Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas Akhir yang
berjudul “Model Matematika Sistem Kontrol Motor Penggerak Generator
Berdasarkan Beban Listrik Konsumen” ini masih jauh dari kesempurnaan,
namun penulis tetap berharap ada sebuah itikat baik bagi pembaca untuk lebih
mengembangkan software ini dengan aplikasi yang variatif dan semoga tulisan ini
bermanfaat bagi semuanya.
Selama proses penyusunan tugas akhir ini banyak hal yang menjadi kendala
dan rintangan, tetapi dengan bantuan berbagai pihak Alhamdulillah telah
terselesaikan satu kewajiban penulis sebagai Mahasiswa Universitas
Muhammadiyah Malang. Ucapan terima kasih tidak lupa penulis haturkan kepada
viii
dapat dijadikan bahan untuk pengembangan diri dalam mengikuti perkembangan
teknologi pada saat ini, antara lain :
1. Ir. Nur kasan, MT dan Machmud Effendy, ST. M.Eng selaku Kepala Jurusan dan Skretaris Jurusan Elektro.
2. Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT dan Ir. Nurhadi, MT selaku Dosen Pembimbing I dan II terima kasih penulis haturkan yang sebesar-besarnya atas ilmu dan bimbingannya.
3. Ir. Diding Suhardi, MT dan Ir. M. Irfan, MT selaku Dosen Penguji I dan II terima kasih penulis haturkan atas saran, kritik dan bimbingannya.
4. Serta kepada seluruh Dosen dan Staf TU khususnya Teknik Elekto yang telah membimbing, mengarahkan dan membantu penulis dalam menyelesaikan studi di Universitas Muhammadiyah Malang ini.
5. Kedua Orang tua yang telah membesarkan dengan kasih sayang dan memberikan pendidikan yang terbaik untuk ananda sehingga dapat kuliah di kampus tercinta Universitas Muhammadiyah Malang, serta tak henti- henti-nya memberikan dukungan moril, materil dan restu selama ini, sehingga dapat terselesaikannya pendidikan ini.
6. Kepada Keluarga yang telah banyak membantu melalui do’a, materi dan supportnya, saya mengucapkan banyak-banyak terima kasih tak terhingga.
7. Bayu, Hakim, Uwin, Waghe, mas Arik, ibu dan bapak kos, teman- teman APAM (Alumni Politeknik negeri banjarmasin Antero Malang) serta teman- teman jurusan teknik elektro UMM yang selalu menjadi tempat bertukar pikiran dan selalu mendo’akan, semoga silaturahmi kita akan selalu terjaga.
Masih banyak pihak-pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu- persatu
dalam proses penyusunan laporan ini, semoga apa yang telah di berikan tercatat
ix
Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh.
Malang, 13 Mei 2011
x DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ... i
LEMBAR PERSETUJUAN ... ii
LEMBAR PENGESAHAN ... iii
SURAT PERNYATAAN ... iv
1.6. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1. Pendahuluan ... 5
2.2. Generator Sinkron ... 6
2.2.1. Kecepatan Putar Generator Sinkron ... 10
xi
2.2.3. Alternator Berbeban ... 11
2.2.4. Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron ... 12
2.2.5. Menentukan Parameter Generator Sinkron ... 13
2.2.6. Diagram Fasor... 15
2.3. Motor DC ... 16
2.3.1 Prinsip Kerja ... 17
2.3.2 Konstruksi Motor DC... ... 19
2.3.3 Torsi Motor ... 20
2.3.4 Motor DC Penguat Terpisah ... 22
2.3.5 Karakteristik Motor DC Dengan Penguat Terpisah ... 23
2.3.6 Prinsip Kontrol Kecepatan Motor DC Penguat Terpisah ... 25
2.4. Model Dinamik Motor ... 26
2.4.1. Karakteristik dan Pengaturan Kecepatan Motor ... 26
2.4.2. Pemodelan Sistem Motor ... 28
2.4.3. Model Dinamik ... 31
2.5. Teori Daya ... 32
2.5.1. Daya Rata-Rata ... 34
2.5.2. Faktor Daya dan Daya Kompleks ... 35
2.5.3. Arus Bolak-Balik dengan Beban Induktor Murni ... 39
2.5.4. Arus Bolak-Balik dengan Beban Kapasitor Murni ... 40
2.5.5. Arus Bolak-Balik dengan Beban Umum ... 41
2.6. Pemrograman Grafik ... 43
xii
2.6.2. Aplikasi Matlab ... 46
2.6.3. Simulink Matlab ... 46
BAB III PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PROGRAM ... 49
3.1. Pendahuluan...49
3.2. Perencanaan Pengatur Kecepatan Motor DC Sumber Daya Terpisah (Separately Exited)...50
3.2.1. Pengendalian dengan Tahanan Seri ... 51
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ... 55
4.1. Pendahuluan ... 55
4.2. Pengujian Pengendali Kecepatan Motor Dengan Perubahan Beban ... 55
4.3. Pengujian Pengendali Kecepatan Motor Dengan Beban Induktif ... 60
4.4. Pengujian Pengendali Kecepatan Motor Dengan Beban Kapasitif ... 62
4.5. Pengujian Pengendali Kecepatan Motor Dengan Beban Penuh ... 63
4.6. Pengujian Pengendali Kecepatan Motor Dengan Tanpa Beban ... 65
4.7. Pengujian Kuat Arus Jangkar ... 66
4.8. Pengujian Torsi ... 68
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 65
5.1. Kesimpulan ... 65
5.2. Saran-saran ... 66
xiii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Rangkaian Mekanik Dalam Generator ... 9
Gambar 2.2. Generator ... 9
Gambar 2.3. Karakteristik Tanpa Beban Generator Sinkron ... 11
Gambar 2.4. Karakteristik Alternator Berbeban Induktif ... 12
Gambar 2.5. Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron Perfasa ... 13
Gambar 2.6. Karakteristik Tanpa Beban ... 14
Gambar 2.7. Karakteristik Hubung Singkat Alternator ... 14
Gambar 2.8. Diagram Fasor ... 16
Gambar 2.9. Gelombang Arus Searah ... 17
Gambar 2.10. Prinsip Kerja Motor dc... 18
Gambar 2.11. Konstruksi Motor dc ... 20
Gambar 2.12. Arah Arus Aarmatur Untuk Putaran Searah Jarum Jam ... 21
Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Motor dc Penguat Terpisah ... 23
Gambar 2.14. Karakteristik Torsi dan Kecepatan dengan ... 24
Gambar 2.15. Rangkaian Ekivalen Motor dc Penguat Terpisah ... 25
Gambar 2.17. Pengaturan Kecepatan Motor um ... 28
Gambar 2.18. Rangkaian ekuevalen motor dc ... 29
Gambar 2.19. Modeling motor dc ... 31
Gambar 2.20. Reperesentasi bagan kotak motor DC ... 31
Gambar 2.21. Sebuah Beban dengan (Cos ϕ) Yang Berbeda ... 33
xiv
Gambar 2.23. Bentuk Gelombang Tegangan, Arus dan Daya ... 38
Gambar 2.24. Rangkaian Bolak-Balik dengan Beban Induktor Murni ... 39
Gambar 2.25. Gelombang V, I dan W dengan Beban Induktor Murni ... 40
Gambar 2.26. Rangkaian Bolak-Balik dengan Beban Kapasitor Murni... 41
Gambar 2.27. Gelombang Tegangan, Arus dan Daya Beban Kapasitor Murni .... 41
Gambar 2.28. Rangkaian Bolak-Balik dengan Beban Umum ... 42
Gambar 2.29. Tampilan Program Matlab 7.1... 44
Gambar 2.30. Simulink Library Browser ... 47
Gambar 2.31. Blok Simulink... 47
Gambar 2.32 Blok Continous ... 48
Gambar 3.1 Rangakain Ekuivalen Pemodelan Matematik Motor DC Sumber .... 50
Gambar 3.2 Rangkaian Skematis Motor DC Sumber Daya Terpisah (SeparatelyExited) dengan Tahanan Seri Untuk Pengaturan Kecepatan ... 53
Gambar 3.3 Model Mekanis dari Analisis Menggunakan Simulink MATLAB ... 53
Gambar 3.4 Model Simulink Subsistem Pengendali Motor ... 54
Gambar 3.5 Model Simulink Pada Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Perubahan Beban ... 54
Gambar 4.1 Blok Program Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Perubahan Beban ... 56
Gambar 4.2 Perubahan Sinyal Kecepatan Motor ... 56
Gambar 4.3 Subsystem Mekanik ... 57
xv
Gambar 4.5 Sinyal Tanggapan Kecepatan Motor Terhadap Beban Induktif ... 61
Gambar 4.6 Pemodelan Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Beban Kapasitif ... 62
Gambar 4.7 Sinyal Tanggapan Kecepatan Motor Terhadap Beban Kapasitif ... 63
Gambar 4.8 Pemodelan Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Beban Penuh ... 64
Gambar 4.9 Sinyal Tanggapan Kecepatan Motor Terhadap Beban Penuh ... 64
Gambar 4.10 Pemodelan Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Tanpa Beban ... 65
Gambar 4.11 Sinyal Tanggapan Kecepatan Motor Terhadap Tanpa Beban ... 66
Gambar 4.4 Sinyal Respon Kuat Arus ... 67
xvi
DAFTAR TABEL
Tabel 3.1. Data Karakteristik Motor ... 51
Tabel 4.1. Hasil Pengujian Kecepatan Motor ... 56
Tabel 4.2. Hasil Perhitungan Kecepatan Motor Tanpa Penguatan ... 59
Tabel 4.3. Hasil Perhitungan Penguatan Torsi ... 59
Tabel 4.4. Hasil Perhitungan Kecepatan (n) ... 60
Tabel 4.5. Hasil Pengujian Kuat Arus Motor ... 67
Tabel 4.6. Hasil Pengujian Torsi ... 69
xvii
DAFTAR PUSTAKA
1) El-Sharkawi, M.A, Tony C. Huang, El-Samahi, Adel, “Intelligent Control
for High Performance Drives”, IEEE Transactions on Energy Convertion
1997.
2) El-Sharkawi, M.A, Tony C. Huang, “Induction Motor EfficiencyMaximizer
Using Multi-Layer Fuzzy Control”, IEEE Transactions on Energy
Convertion 1996.
3) El-Sharkawi, M.A, Tony C. Huang, “High Performance Speed and Position
Tracking of Induction Motors”, IEEE Transactions on Energy Convertion
1996.
4) Fitzerald, A.E, Charles Kingsley, Jr, Stephen D. Umans, Djoko Achyanto,
Msc.EE, Ir, “Mesin Mesin Listrik”, Erlangga, edisi ke empat.
5) J. Edyanto, 2002, “Matlab Bahasa Komputasi Teknis”, Andi, Yogyakarta. 6) Mohan, Undeland, Robbins, “Power Electronic: Converter, Aplication and
Design”, John Willey & Sons, Inc, New York, second edition 1995.
7) Muhammad H, Rashid, “Power Electronic: Circuit, Device and Aplication”, Prentice Hall International, Inc, Second edition.
8) Ogata, “Modern Control Enggineering”, Prentice Hall International, Inc, 1997.
9) Sumanto, 2001, “Elektronik Industri”, Andi, Yogyakarta,1998.
1 BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Pendahuluan
Penggunaan program komputer untuk menganalisis suatu sistem kontrol
dewasa ini telah berkembang sangat pesat, tak terkecuali untuk menganalisis suatu
sistem kontrol motor baik itu motor induksi satu phase ataupun tiga phasa dan
motor DC baik yg berdaya kecil hingga yg mempunyai daya yang besar dengan
menggunakan program Matlab, yaitu dengan menggunakan simulink pada salah satu program yg terdapat pada matlab. Program ini akan sangat membantu dalam
menganalisis suatu sistem kontrol motor dalam menyelesaikan berbagai
permasalahan menyangkut motor listrik dengan membuat simulasi dengan
simulink dari sebuah rangkaian motor listrik. Menggunkan program simulink
matlab akan sangat membantu untuk mengetahui karakteristik motor antara lain
kecepatan, arus, dan torsi terhadapat perubahan beban dalam bentuk visual
(grafik).
Penulis dalam tugas akhir ini membahas tentang “Model matematika
sistem kontrol motor penggerak generator berdasarkan beban konsumen. Yang
mana motor yg digunakan adalah motor DC penguat terpisah (Separately Exited) dan generator diasumsikan sebagai rangkaian beban pada simulink matlab. Motor
DC dengan penguat terpisah masih banyak digunakan di indutri pada kondisi
tertentu, karena motor DC mempunyai kinerja yang baik untuk pengaturan
2
pada program MATLAB versi 7.1. Simulink akan mencari data optimasi yang didasari oleh mekanika ilmiah untuk menghasilkan suatu nilai optimal suatu
fungsi atau sistem, serta pengaruh perubahan dari nilai parameter-parameter yang
digunakan pada motor.
1.2. Rumusan Masalah
1) Bagaimana menggunakan simulink matlab untuk membuat simulasi sistem
kontrol motor penggerak generator?
2) Bagaimana menganalisa secara matematis kondisi motor terhadap perubahan
beban ?
3) Bagaimana menampilkan data hasil analisis dalam bentuk grafik dengan
menggunakan permograman simulink MATLAB?
1.3. Tujuan Penyusunan
Penyusunan tugas akhir ini bertujuan untuk menganalisa secara
matematis perubahan-perubahan kecepatan dan arus serta torsi terhadap
perubahan beban (generator) yang diberikan pada motor, dan ditampilkan dalam
bentuk visual (grafik).
1.4. Batasan Masalah
Pembatasan permasalahan diperlukan agar dalam penyusunannya tidak
jauh menyimpang dari pokok permasalahan, yakni dengan asumsi masing-masing
3
1) Tegangan jaringan 500V DC.
2) Daya motor 20 HP.
3) Beban pengujian dari 1000 W sampai 5000 W.
1.5. Metodologi
Metodologi yang digunakan dalam penyusunan tugas akhir ini adalah:
1) Studi literatur:
Mempelajari sistem pengendalian motor otormatis dan maupun manual, serta
komponen-komponen penunjang.
2) Perencanaan dan pembuatan pemrograman:
Merencanakan sistem pemrograman dengan terlebih dahulu membuat blok
diagram, dilanjutkan penyesuaian parameter-parameter analisis dan
penyusunan laporan.
3) Pengujian dan anailisis sistem:
Menguji sistem pemrograman dengan memasukkan data-data analisis serta
menganalisa bentuk-bentuk tampilan yang ditampilkan secara visual (grafik).
4) Kesimpulan:
Menyimpulkan hasil dari pengujian sebagai penentu keberhasilan sistem
pemrograman simulink MATLAB.
1.6. Sistematika Penulisan
Sistematika penulisan dalam tugas akhir ini terdiri antara lain:
4
Pemahaman latar belakang, rumusan masalah, tujuan penyusunan,
batasan masalah, metodologi dan sistematika penulisan.
BAB II : TIJAUAN PUSTAKA
Pada bab ini membahas mengenahi prinsip-prinsip dasar sistem
pemrograman MATLAB dan sistem kelistrikan.
BAB III : PERENCANAAN DAN PEMBUATAN PROGRAM
Pembahasan proses perencanaan program yang diawali dari
perencanaan pembuatan simulasi pada blok simulink MATLAB.
BAB IV : PENGUJIAN DAN ANALISIS
Pengujian serta analisis hasil pengujian akan dibahas dalam bab ini
untuk mengetahui tingkat keberhasilan pemrograman.
BAB V : PENUTUP
Pada bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil analisa dan
saran-saran yang diperlukan untuk melengkapi hasil pemrograman.
DAFTAR PUSTAKA
