1
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Mataram, Nusa Tenggara Barat, Indonesia
PERANCANGAN SOFT STARTING PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASE
MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA328
Design of Soft Starting for Three Phase Induction Motor Using ATMega328 Microcontroller
Rizki Ardiansyah11, I Made Ari Nrartha21, I Made Budi Sukmadana31
ABSTRAK
Motor induksi adalah mesin listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Motor induksi tiga phase tipe sangkar bajing banyak digunakan karena konstruksi yang sederhana dan perawatan yang mudah. Kendala operasi motor induksi ini adalah arus pengasutannya mencapai lima sampai tujuh kali arus nominal, sehingga diperlukan suatu metode pengasutan untuk mengatasi hal tersebut.
Metode soft starting pada penelitian ini memberikan tegangan input ke motor secara bertahap. Pemberian tegangan input diatur menggunakan triac yang ditrigger dengan mikrokontroler Atmega328. Rangkaian Soft starting digunakan pada saat pengasutan, dan motor terhubung secara langsung ke sumber tenaga ketika running.
Penelitian ini menghasilkan modul soft starting untuk kapasitas motor 1 kW. Arus pengasutan dalam kondisi tanpa beban didapatkan 2.19 A, dan kondisi berbeban 5.80 A. Arus pengasutan tersebut masih lebih kecil dibandingkan dengan arus pengasutan secara langsung yaitu 6.59 A dalam kondisi tanpa beban, dan 8.61 A pada kondisi berbeban.
Kata Kunci : Motor Induksi Tiga Phase, Soft Starting, Triac, Mikrokontrroller ATMega328
ABSTRACT
Induction motors is an electrical machines that convert electrical energy into mechanical energy. Three phase squirrel cage induction motor a widely used because it has a simple construction, and easy maintenance. Operating it’s problem is a starting currents that are five to seven times the nominal current. Therefore, we need a method to overcome this it.
Soft starting method in this research is provides an input voltage to the motor gradually. Giving the input voltage is set using a triac triggered by the microcontroller ATmega328. Soft starting circuit is used at starting time, and the motor connected directly to the power source while it’s running.
The result of this research is soft starting module for 1kW motor capacity. Starting current in the no-load condition is 2.19 A, and 5.80 A on the load condition. Starting current is still smaller than the direct starting current is 6.59 A in the no-load condition, and 8.61 A on the load condition.
Keywords : Three Phase Induction Motor, Soft Starting, Triac, Mikrokontroller ATMega328
PENDAHULUAN
Penggunaan motor-motor listrik sudah umum dalam kehidupan, baik untuk rumah tangga, industri, transportasi, dll. Motor AC yang banyak digunakan terutama dalam bidang industri adalah motor induksi tiga phase tipe sangkar bajing, karena mempunyai konstruksi yang sederhana, kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah.
Motor induksi selain memiliki kelebihan juga memiliki kekurangan diantaranya adalah ketika pengasutan secara langsung, arus
awal motor besarnya antara lima sampai tujuh kali dari arus nominal. Metode untuk mengurangi tingginya arus pengasutan secara langsung diantaranya adalah dengan menggunakan metode star-delta, auto transformator, dan soft starting. Metode soft starting dilakukan dengan mengatur tegangan
dan arus dari sumber tenaga agar mengalir masuk ke dalam motor secara bertahap. Tegangan dan arus yang masuk ke dalam motor induksi diatur dengan memberikan sinyal tunda dan waktu sulut pada komponen utama penyusun soft starting yaitu Triode
Sinyal tunda dan waktu sulut yang diberikan ke TRIAC diatur menggunakan mikrokontroler ATMega328.
Motor Induksi. Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi gerak menggunakan gandengan magnetik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor.
Gambar 1. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phase
Metode Pengasutan (Starting) Motor Induksi. Metode pengasutan motor induksi harus dirancang dengan tepat, hal ini dikarenakan motor induksi memiliki arus
starting mencapai tujuh kali arus nominal.
Motor memerlukan arus untuk membangkitkan medan magnet di kumparan stator yang selanjutnya medan magnet ini akan terinduksikan ke rotor sehingga rotor dapat berputar.
Berbagai metode untuk pengasutan
(starting) pada motor induksi, antara lain:
1. Metode Direct On Line (DOL)
Starting
2. Metode Star-Delta (Y - ∆) Starting 3. Metode Auto-Transformator Starting 4. Metode Pengasutan Soft Staring Metode Soft Starting. Soft starting
merupakan metode pengasutan yang bekerja dengan cara mengurangi tegangan pengasutan motor induksi, kemudian menaikkan tegangan secara bertahap sampai tegangan penuh. Metode soft starting ini menjadi solusi tingginya nilai arus saat pengasutan motor induksi dan merupakan metode dengan nilai arus pengasutan yang rendah.
Gambar 2. Perbandingan Ist 1. Metode DOL, 2. Wye Delta dan 3. Soft Starting
Triode Alternating Current (TRIAC). TRIAC merupakan singkatan dari Triode Alternating
Current Switch, yang berarti saklar elektronik
untuk arus bolak-balik. TRIAC merupakan suatu komponen yang mempunyai susunan lima lapisan bahan jenis P dan N dalam arah lain antara terminal T1 dan T2 dan dapat menghantarkan dalam arah yang lain sebagaimana ditunjukkan secara jelas pada simbolnya.
Gambar 3. Triode Alternating Current (TRIAC) TRIAC Optoisolators. Triode Alternating
Current (TRIAC) Optoisolators merupakan
jenis TRIAC yang mempunyai prinsip kerja seperti saklar elektronik yang diaktifkan oleh cahaya (LED). TRIAC ini tertanam bersama sebuah LED dalam sebuah rangkaian terintegrasi (Integrated Circuit).
Gambar 4. Konfigurasi IC MOC 3041 Sensor Arus ACS712. Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena di dalamnya terdapat rangkaian
low-offset linear hall dengan satu lintasan yang
terbuat dari tembaga. Cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat di dalamnya dan menghasilkan medan magnet yang ditangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional.
Gambar 5. Sensor Arus ACS712
Minimum Sistem Arduino. Arduino adalah minimum sistem yang menggunakan
mikrokontroller ATMega328 sebagai komponen utama. Arduino merupakan pengendali mikro single-board yang bersifat
open-source, diturunkan dari Wiring platform,
dirancang untuk memudahkan penggunaan elektronik dalam berbagai bidang.
Gambar 6. Board Arduino METODE PENELITIAN
Perancangan Sistem. Penelitian ini bertujuan untuk membangun sebuah sistem soft starter yang dapat memperkecil arus motor induksi tiga phase ketika menggunakan metode pengasutan secara langsung, dengan melakukan pengukuran nilai-nilai kerja motor berupa tegangan, arus dan kecepatan dari motor induksi tiga phase, serta akan ditampilkan pada komputer dan kemudian dijadikan sebagai pembanding dari metode pengasutan motor induksi yang lain. Berdasarkan hal tersebut, maka dalam perancangan perangkat keras pada tugas akhir ini akan dibangun sebuah sistem dengan blok diagram sebagai berikut:
Gambar 7. Blok Diagram Rancangan Sistem Perancangan Perangkat Keras. Perangkat keras penelitian ini menggunakan mikrokontroler ATMega328 yang tersedia dalam minimum sistem Arduino. Perancangan rangkaian driver menggunakan Optoisolator MOC 3041 untuk pentriggeran power TRIAC dan perancangan sensor sebagai deteksi variabel motor.
Perancangan Perangkat Lunak. Perancang-an perPerancang-angkat lunak ini terbagi dalam pemrograman untuk mikrokontroller ATMega-328 dan pemrograman untuk interface hasil pembacaan arus soft starting.
Proses kerja metode soft starting motor induksi tiga phase ini pada dasarnya adalah membaca karakteristik arus pada saat start kemudian dibandingkan dengan karakteristik arus starting metode yang lain yaitu metode
Direct On-Line (DOL).
Gambar 8. Diagram Alir Perancangan Sistem HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian untuk mengetahui kinerja dan kemampuan dari sistem yang telah dibuat meliputi pengujian hardware (perangkat keras) dan pengujian software (perangkat lunak). Untuk memudahkan penulis dalam melakukan proses pengujian sistem, maka dilakukan pengujian secara terpisah dan secara keseluruhan. Adapun proses pengujian yang dilakukan meliputi:
1. Pengujian Rangkaian Sensor Arus 2. Pengujian Rangkaian Sensor
Tegangan
3. Pengujian Rangkaian Sensor Kecepatan
4. Pengujian Sinyal Kontrol TRIAC
5. Pengujian Rangkaian Pensaklaran Sebagai Driver Kontaktor
6. Pembuatan Antar Muka (Interface) pada PC (Personal Computer)
7. Pengukuran dan Pengujian Keseluruhan Sistem
a. Metode Direct On-Line (DOL) dan
Soft Starting Tanpa Beban
b. Metode Direct On-Line (DOL) dan
Soft Starting Dikopel Generator DC
Pengujian Rangkaian Sensor Arus. Pengujian rangkaian sensor arus ini bertujuan untuk mengetahui kelinearan dari sensor arus yang digunakan. Pengujian dilakukan dengan mengubah-ubah nilai resistor variabel yang digunakan sebagai beban sehingga arus yang melewati sensor akan berubah-ubah juga.
D IG IT A L ( ~ P W M ) A N A L O G IN ATM E G A 32 8P -P U 11 21 ~ ~ ~ ~ ~ ~ m ic ro c o n tro la n d o s .b lo g s p o t.c o m TX RXPD0/RXDPD1/TXD 0 1 PD2/INT0 2 PD3/INT1 3 PD4/T0/XCKPD5/T1 4 5 PD6/AIN0 6 PD7/AIN1 7 PB0/ICP1/CLKOPB1/OC1A 8 9 PB2/SS/OC1B 10 PB3/MOSI/OC2A 11 PB4/MISO 12 PB5/SCK 13 AREF PC5/ADC5/SCL A5 PC4/ADC4/SDA A4 PC3/ADC3 A3 PC2/ADC2 A2 PC1/ADC1 A1 PC0/ADC0 A0 RESET DUINO1 ARDUINO UNO R3 IP+ 1/2 IP-3/4 VIOUTVCC 7 8 GND 5 FILTER 6 U1 ACS712ELCTR-05B-T V3 C1 0.1uF C2 1nF R1 2k D1 DIODE C3 10uF R2 10k V1 V3PHASE O F F O N 123 654 SOFT STARTING DIPSW_3 + 8 8 .8
Gambar 9. Rangkaian Sensor Arus Pengujian Rangkaian Sensor Tegangan. Tegangan input dari motor induksi agar dapat terukur dan terbaca oleh mikrokontroller sehingga mampu dijadikan sebagai variabel yang masuk ke dalam motor induksi 3 phasa, maka perlu dirancang sebuah rangkaian yang mampu mengukur dan membaca tegangan tersebut. D IG IT A L (~ P W M ) A N A L O G IN ATMEGA328 P -P U 11 21 ~ ~ ~ ~ ~ ~ m ic ro c o n tro la n d o s .b lo g s p o t.co m TX RXPD0/RXDPD1/TXD0 1 PD2/INT0 2 PD3/INT1 3 PD4/T0/XCK 4 PD5/T1 5 PD6/AIN0 6 PD7/AIN1 7 PB0/ICP1/CLKOPB1/OC1A8 9 PB2/SS/OC1B 10 PB3/MOSI/OC2APB4/MISO 11 12 PB5/SCK13 AREF PC5/ADC5/SCL A5PC4/ADC4/SDA A4PC3/ADC3 A3PC2/ADC2 A2PC1/ADC1 A1PC0/ADC0 A0 RESET DUINO1 ARDUINO UNO R3 TR1 TRAN-2P2S BR1 BRIDGE C1 470uF C2 2200uF R1 220 R2 330 R3 330 R4 330 V1 V3PHASE O F F O N 1 2 3 6 5 4 SOFT STARTING DIPSW_3 + 8 8 .8
Gambar 10. Rangkaian Sensor Tegangan Pengujian Rangkaian Sensor Kecepatan. Sensor kecepatan yang digunakan pada penelitian ini adalah tacho generator. Tacho generator dikopel langsung pada motor DC
Shunt. Pada penelitian ini digunakan Motor
DC Shunt sebagai objek pengujian karena lebih mudah dalam pengaturan kecepatan. Saat motor DC Shunt berputar, tachogenerator ikut berputar dan menghasilkan tegangan keluaran DC.
Gambar 11. Tachogenerator Sebagai Sensor Kecepatan
Pengujian Sinyal Kontrol TRIAC. Pada pengujian sinyal kontrol TRIAC digunakan sebuah osiloskop untuk melihat hasil perpotongan sinyal yang terjadi pada TRIAC untuk berbagai pengaturan sinyal kontrol yang diberikan dari Mikrokontoller.
Sinyal TRIAC 15 % Sinyal Triac 25 %
Sinyal TRIAC 50 % Sinyal TRIAC 75 % Gambar 12. Sinyal Kontrol Dengan Berbagai Sudut Picu
Pengujian Rangkaian Pensaklaran Sebagai Driver Kontaktor. Rangkaian pensaklaran ini berfungsi agar rangakain soft starting yang dibuat bekerja ketika motor induksi distart saja, ketika running maka kontaktor yang akan bekerja sehingga motor akan terhubung secara langsung ke sumber tegangan tiga phase. Berikut adalah driver kontaktor yang telah dibuat. D IG IT A L (~ P W M ) A N A L O G IN ATMEG A3 28 P-P U 11 21 ~ ~ ~ ~ ~ ~ m ic roc o n tr o lan d o s .b log s p o t.c o m TX RXPD0/RXDPD1/TXD 0 1 PD2/INT02 PD3/INT13 PD4/T0/XCKPD5/T14 5 PD6/AIN0 6 PD7/AIN1 7 PB0/ICP1/CLKOPB1/OC1A 8 9 PB2/SS/OC1B10 PB3/MOSI/OC2APB4/MISO 1112 PB5/SCK 13 AREF PC5/ADC5/SCL A5 PC4/ADC4/SDA A4 PC3/ADC3 A3 PC2/ADC2 A2 PC1/ADC1 A1 PC0/ADC0 A0 RESET DUINO1 ARDUINO UNO R3 RL1 RLY-SPCO D2 DIODE R3 8.2k Q1 NPN V V1 V3PHASE O FF O N 123 654 SOFT STARTING DIPSW_3 + 8 8 .8 1234 8765 KONTAKTOR SW-DIP4 V2 VSINE
Gambar 13. Rangkaian pensaklaran untuk driver kontaktor
Pembuatan Antar Muka (Interface) pada PC (Personal Computer). Hasil pengukuran dan pengujian yang dilakukan membutuhkan media sebagai tempat ditampilkannya hasil pengukuan dan pengujian tersebut, untuk itu diperlukan suatu program untuk menampilkan secara visual nilai dari ADC (Arduino) pada port serial. Software yang digunakan untuk menampilkan secara visual tegangan, arus dan kecepatan dari Motor Induksi Tiga Phase ini adalah MATLAB.
Pengukuran dan Pengujian Keseluruhan Sistem. Pengujian keseluruhan sistem dimaksudkan untuk melihat kinerja dari setiap perangkat yang telah dirancang mulai dari perangkat keras berupa sensor-sensor untuk pengukuran, dan perangkat lunak berupa antarmuka yang dirancang pada PC, apakah telah mampu bekerja sesuai dengan yang diingikan. BTA16_R Q201E4 R1_R 360 R4_R 820 C1_R 33 nF Zero Crossing 1 2 6 4 OPT_R MOC3041M V1 V3PHASE R3_R 330 R2_R 360 V2 DIGITAL (~PWM) ANALOG IN AT ME GA 3 28 P-P U2111 ~~ ~ ~ ~ ~ microcontrolandos.blogspot.com TX R X PD 0 /R XD 0 P D 1/T XD 1 PD 2/I N T0 2 PD 3/I N T1 3 P D 4/T 0 /X C K 4 P D 5/T 1 5 P D 6/A IN 0 6 P D 7/A IN 1 7 P B 0/IC P 1/C LKO 8 P B 1/O C1 A 9 PB 2/S S /O C1 B 10 P B 3/M O SI/ O C2 A 11 PB 4/M IS O 12 P B5 /S C K 13 A RE F P C 5/A DC 5 /S CL A 5 P C 4/A DC 4 /S DA A 4 P C 3/A DC 3 A 3 P C 2/A DC 2 A 2 P C 1/A DC 1 A 1 P C 0/A DC 0 A 0 R E SE T DUINO1 ARDUINO UNO R3 BTA16_S Q201E4 R1_S 360 R4_S 820 C1_S 33 nF Zero Crossing 1 2 6 4 OPT_S MOC3041M R3_S 330 R2_S 360 BTA16_T Q201E4 R1_T 360 R4_T 820 C1_T 33 nF Zero Crossing 1 2 6 4 OPT_T MOC3041M R3_T 330 R2_T 360 IP+1/2 IP-3/4 VIOUT 7VCC 8 GND 5FILTER 6 U1 ACS712ELCTR-05B-T V3 C1 0.1uF C2 1nF R1 2k D1 DIODE C3 10uF R2 10k RL1 RLY-SPCO D2 DIODE R3 10k Q1 NPN D2(K) TR1 TRAN-2P2S BR1 BRIDGE C1 470uF C2 2200uF R1 220 R2 330 R3 330 R4 330 + 88 .8 O FF ON 1234 8765 KONTAKTOR DIPSW_4 V2 VSINE
Gambar 14. Rangkaian Keseluruhan Sistem Perbandingan Metode Direct On-Line (DOL) dengan Metode Soft Starting Tanpa Beban
Gambar 15. Perbandingan Metode Direct On-Line
(DOL) dengan Metode Soft Starting tanpa beban
Grafik pada Gambar 15 memperlihat-kan bahwa arus starting maksimal dengan Metode Direct On-Line (DOL) mencapai
6.58919 Ampere dan Energi tiap satuan waktu 0.683998 Watt. Sedangkan arus starting maksimal dengan Metode Soft
Starting mencapai 2.191074 Ampere dengan
Energi tiap satuan waktu 0.462584 Watt. Sehingga dapat dilihat selisih arus maksimal adalah 4.39812 Ampere dan selisih energi tiap satuan waktu adalah 0.221414 Watt. Perbandingan Metode Direct On-Line (DOL) dengan Metode Soft Starting
Gambar 16. Perbandingan Metode Direct On-Line
(DOL) dengan Metode Soft Starting dikopel
Generator DC
Grafik pada Gambar 16 memperlihat-kan bahwa arus starting maksimal dengan Metode Direct On-Line (DOL) mencapai 8.610901 Ampere dan Energi tiap satuan waktu 1.02625 Watt. Sedangkan arus starting maksimal dengan Metode Soft Starting mencapai 5.80888 Ampere dengan Energi tiap satuan waktu 0.811874 Watt. Sehingga dapat dilihat selisih arus maksimal adalah 2.80203 Ampere dan selisih energi tiap satuan waktu adalah 0.214376 Watt.
KESIMPULAN
Berdasarkan perancangan, pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada Penelitian ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Antarmuka (Interface) yang dirancang pada komputer telah mampu digunakan untuk mengirim nilai setting penyalaan triac, menampilkan grafik tegangan, arus dan kecepatan hasil pengukuran secara real time.
2. Modul soft starting yang telah dibuat dapat bekerja dengan baik untuk pengasutan motor induksi 3 phase tipe
sangkar bajing kapasitas 1 kW yang ada di Laboratorium Sistem Tenaga. 3. Sesuai dengan datasheet komponen
(triac) yang digunakan, modul soft
starting dapat bekerja sampai arus
maksimal 16 A dan tegangan maksimal 600 V AC.
SARAN
Modul soft starting ini perlu dilakukan pengembangan. Hal-hal yang perlu dilakukan antara lain:
1. Penambahan sistem proteksi pada modul yang berupa sekering, Over
Current Relay, Phase Failure Relay dan Thermal Overload Relay.
DAFTAR RUJUKAN
Almon, 2008, “Metode Starting Motor Induksi”
http://almon- r.blogspot.com/2008/12/metode-starting-motor-induksi.html diakses pada tanggal 18 Januari 2014
Ansori, A.I., 2013, ”Jenis Motor Listrik”,
http://insyaansori.blogspot.com/2013/04/je nis-motor-listrik.html diakses pada tanggal 22 Januari 2014
Citarsa, I.B.F., 2013, ” Buku Ajar Mata Kuliah
Mesin Listrik II” , Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Mataram.
Djuandi, F., 2011, “Pengenalan Arduino”,dari
www.tokobuku.com
Marliska, E.D., Tiyono dan Harnoko, 2009,
”Aplikasi Mikrokontroller ATMega32
Sebagai Pengendali Automatic Soft Starter Motor Induksi 3 Fase”, Yogyakarta.
Petruzella, F.D., 1996, “Industrial Electronics”,
Terjemahan oleh
Sumanto.2001.Yogyakarta: Penerbit Andi. Petruzella, F.D., 2010, “Electric Motor and
Control System ” dari
http://www.freeebookzones.com/electric-motors-and-control-systems-by-petruzella/
Prabowo, A., Suhendi, D. dan Hariansyah, M., 2013, ”Perancangan Dynamic Braking
Pada Motor Induksi Tiga Fasa Berbasis Mikrokontroller ATMega16”, Bogor.
Priahutama, A.B., Sukmadi, T. dan Setiawan, I., 2010, ”Perancangan Modul Soft Starting
Motor Induksi 3 Fasa Dengan ATMega 8535”, Semarang.
Primatama, A., Soeprapto dan Wijono, 2013,
”Perancangan Soft Starter Motor Induksi Satu Fasa Dengan Metode Closed Loop Menggunakan Mikrokontroller Arduino”,
Malang
Purnomo, D.W., Stephanus, H. dan Sarjiya, 2011, ”Memperkecil Arus Starting Motor
Induksi Dengan Kombinasi Wye-Delta Dan Kapasitor”, Yogyakarta.
Universitas Sumatera Utara, “Mesin Induksi
Tiga Fasa”, http://repository.usu.ac.id
