PENGATURAN KECEPATAN MOTOR INDUKSI SATU PHASA DENGAN
MENGGUNAKAN SAKELAR PEMULIH ENERGI MAGNETIK
1
Fauzan dan
2Zamzami
1,2
Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Lhokseumawe
Jl. Banda Aceh-Medan Km. 280 P.O. Box 90, Buketrata, Lhokseumawe 24301
*E-mail: ozan.pnl@gmail.com
Abstract
Dalam melakukan proses disuatu industri untuk menggerakkan beban kebanyakan menggunakan motor listrik. Motor yang paling banyak digunakan dalam melakukan proses di industri adalah motor induksi. Pada saat menggerakkan beban motor induksi tidak selalu bekerja dengan kecepatan konstan, tetap harus bekerja juga pada kecepatan yang bervariasi. Oleh karena itu motor induksi perlu dilakukan pengaturan kecepatan agar bisa dioperasikan pada kecepatan yang bervariasi. Salah satu peralatan yang dapat digunakan untuk mengatur kecepatan motor induksi satu phasa adalah sakelar pemulih energi magnetik (MERS) yang bekerja untuk mengatur waktu pengisian dan pengosongan muatan kapasitor dengan mengontrol pergeseran sudut penyalaan gerbang mosfet pada rangkaian sakelar pemulih energi magnetik. MERS dipasang di antara sumber tegangan dan motor induksi satu phasa sebagai beban sehingga dapat mengatur supply tegangan ke motor induksi yang dapat mengakibatkan perubahan kecepatan putaran motor induksi. Hasil studi menunjukkan bahwa MERS dapat mengatur kecepatan motor induksi satu phasa dari 6629 rpm sampai dengan 17373 rpm tetapi tidak semua dapat dioperasikan karena tegangannya tidak sesuai dengan tegangan nominal motor induksi.
Kata Kunci : Pengaturan kecepatan, Motor induksi, MERS
Abstract — In the industrial sector in the process to move a load mostly use electric motors. The motors are the most widely used in the process industry are induction motors. At the time of induction motors drive the load does not always work with a constant speed, still have to work also at varying speeds. Therefore, the induction motor speed regulation is necessary to be able to operate at variable speeds. One of the equipment can be used to adjust the speed of single phase induction motor is the magnetic energy recovery switch (MERS) who worked to set the time charging and discharging the capacitor by controlling the firing angle shift gate mosfet in the circuit the magnetic energy recovery switch. Mers installed between the source voltage and single phase induction motor as a load so as to regulate the supply voltage to the induction motor that can lead to changes in rotation speed of an induction motor. The study shows that Summers can adjust the speed of single phase induction motor from 6629 rpm up to 17373 rpm but not all can be operated as voltage is not within the nominal voltage induction motors.
Key words - Setting speed, induction motor, Mers
PENDAHULUAN
Dalam melakukan proses disuatu industri untuk menggerakkan beban kebanyakan menggunakan motor listrik. Motor yang paling banyak digunakan dalam melakukan proses di industri adalah motor induksi.
Motor induksi banyak digunakan karena murah pada waktu membeli dan mudah dalam melakukan perawatan. Pada saat
menggerakkan beban motor induksi tidak selalu bekerja dengan kecepatan konstan, tetapi harus bekerja juga pada kecepatan yang bervariasi. Oleh karena itu motor induksi perlu dilakukan pengaturan kecepatan agar bisa dioperasikan pada kecepatan yang bervariasi. Pengaturan kecepatan motor induksi dapat dikukan dengan beberapa metode antara lain:
1. Merubah jumlah kutub 2. Mengatur frekuensi
3. Mengatur tegangan terminal
4. Menggunakan rheostat atau menggunakan tahanan.[6]
Penelitian ini melakukan pengaturan kecepatan motor induksi dengan mengatur tegangan terminal motor induksi dengan memakai Sakelar Pemulih Energi Magnetik (MERS). Sakelar Pemulih Energi magnetik dipasang diantara Sumber tegangan dengan terminal tegangan pada motor induksi.
Tujuan penelitian ini adalah menggunakan sakelar pemulih energi magnetik untuk melakukan pengaturan kecepatan putaran pada motor induksi dengan merubah besaran tegangan terminal motor induksi dengan mengatur sudut penyalaan pada mosfet.
Penelitian ini diharapkan dapat melakukan pengaturan kecepatan putaran motor induksi dengan mudah dan memerlukan biaya murah dengan perubahan putaran yang smooth walaupun range pengaturan kecepatan puatarannya tidak terlalu lebar.
METODE
Tahapan Langkah-langkah penelitian terlebih dahulu menetukan parameter beban yang akan digunakan dalam melakukan penelitian. Parameter beban dapat diketahui dengan mengukur variabel pada beban mengunakan sumber tegangan satu phasa dan memakai alat ukur.
Setelah melakukan pengukuran data awal, dilakukan perhitungan untuk mengetahui data-data yang belum terukur dengan menggunakan alat ukur. Data-data tersebut dijadikan acuan dalam merencanakan rangkaian MERS dan rangkaian pendukung lainnya.
Rangkaian catu daya
Rangkaian catu daya berfungsi untuk menyuplai tegangan dc ke tegangan kontrol. Besar tegangan keluaran yang dihasilkan rangkaian catu daya berkisar antara 4-6 volt dc. Rangkaian catu daya yang digunakan pada penelitian ini terdiri dari dua jenis transformator sebagai sumber tegangan ac adalah:
1. Transformator nol
2. Transformator CT (center tap)
Rangkaian catu daya yang menggunakan transformator nol sebagai sumber tegangan di
searahkan menggunakan dioda jembatan sebagai penyearah gelombang penuh. Sedangkan untuk meratakan keluaran tegangan dc menggunakan kapasitor elco 1000μF/16 volt sebagai filter.
Gambar 1. Rangkaian catu daya
Rangkaian catu daya jenis ini dibutuhkan 6 unit, masing-masing 4 unit digunakan untuk menggerakkan 4 buah mosfet pada rangkaian MERS yang terhubung secara floating.
Rangkaian zero crossing detektor
Untuk menentukan besar pergeseran sudut penyalaan dengan tepat untuk mendapatkan hasil pengaturan yang akurat, rangkaian pewaktu mono stabil IC 555 harus mendeteksi saat dimulainya titik nol (zero crossing). Zero crossing detector adalah rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi gelombang sinus AC 220 volt saat melewati titik tegangan nol.
Menentukan dimulainya titik nol yang dideteksi adalah peralihan dari positif menuju negatif dan peralihan dari negatif menuju positif. Dimulainya titik nol ini merupakan acuan yang digunakan sebagai pemberian nilai awal pergeseran sudut penyalaan mosfet. Rangkaian zero crossing detector ditunjukkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Rangkaian zero crossing detektor
Rangkaian monostabil
Pada penelitian ini menggunakan rangkaian pewaktu mono stabil sebanyak 2 unit dengan IC NE555-1 dan IC NE555-2.
Gambar 3 memperlihatkan rangkaian monostabil yang terdiri dari 2 IC NE555, kapasitor dan potensio meter sebagai pengatur besaran pulsa keluaran.
Gambar 3. Rangkaian monostabil Rangkaian mono stabil yang pertama berfungsi membangkitkan pulsa high dan low yang diterima dari keluaran rangkaian zero crossing setelah di inverter. Lebar pulsa dapat diatur dengan memvariasikan nilai hambatan pada potensio meter. Pengaturan pulsa digunakan untuk mengeser pulsa dari titik persilangan nol (0 derajat) sampai ke titik setengah perioda waktu ( 180 derajat).
Rangkaian mono stabil yang kedua berfungsi untuk membangkitkan pulsa high dan low yang diterima dari keluaran rangkaian mono stabil pertama (kaki 3 IC NE555-1). Lebar pulsa high dan low diatur masing-masing 10 ms dikarenakan frekuensi yang digunakan 50 hz, lebar pulsa yang dihasilkan konstan.
Rangkaian Pemisah antara driver dengan power
Mosfet supaya dapat dioperasikan sebagai sakelar, sumber tegangan harus diberikan pada kaki-kaki gerbang (gate) sakelar. Tegangan kontrol harus diberikan antara terminal gerbang dan sumber (source) atau antara terminal basis dan emitter tergantung dari jenis mosfet yang digunakan.Tegangan DC utama adalah tegangan pulsa 5 volt keluaran dari rangkaian pewaktu monostabil.
Terminal ground pada rangkaian kendali dihubungkan dengan terminal ground dari sumber DC dari rangkaian optokopler. Terminal tegangan Vcc 5 volt terhadap ground untuk mendriver mosfet dibuat terpisah dari sumber tegangan DC utama. Perangkat untuk memisahkan kedua sumber tegangan tersebut diperlukan rangkaian antarmuka antara rangkaian kendali dan sakelar daya yang
digunakan (agar tidak terjadi short circuit antara rangkaian power dan rangkaian kontrol).
Gambar 4. Rangkaian pemisah driver dengan power
Blok Diagram Sistem Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Satu Phasa
Pengaturan kecepatan motor induksi satu phasa dapat dilakukan dengan rangkaian MERS mengatur besarnya reaktans kapasitif yang dihasilkan oleh rangkaian MERS untuk mengimbangi reaktans induktif yang dihasilkan oleh motor induksi dengan cara mengatur waktu pengisian dan pengosongan muatan kapasitor pada rangkaian MERS sehingga tegangan terminal motor dapat berubah dan diikuti oleh perubahan kecepatan putaran motor.
Pengaturan waktu pengisian dan pengosongan muatan kapasitor dengan cara mengatur sudut pemicuan sinyal pada gerbang mosfet dengan mengunakan rangkaian kontrol yang dikendalikan dengan rangkaian pewaktu monostabil IC555.
Rangkaian pewaktu monostabil IC555 mengatur sudut pemicuan dengan mendeteksi tegangan persilangan nol (zero crossing) sebagai input trigger rangkaian pewaktu monostabil IC555. Mosfet pada rangkaian MERS berfungsi sebagai fungsi switching yang bekerja untuk mengendalikan aliran arus dalam mengkompensi reaktans seri pada sisi motor.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian dilakukan mengunakan sumber tegangan satu phasa PLN dengan memakai motor induksi satu phasa (kipas CPU) sebagai beban. Pada rangkaian MERS penulis menggunakan mosfet tipe N IRF820 Daya 80 watt, VDS 500 volt, RDS maksimum 3
dan pada suhu 1000 = 2,5 ampere ( jelasnya lihat data sheet)
Nilai resistor (R) dan Induktor (L) dapat ditentukan dengan mengetahui parameter-parameter pada beban induktif adalah:
Vs = 225 volt
Is = 120,70 mA = 0,1207 ampere Cos φ = 0,802 = 36,680
Besaran Vs, Is dan cos ϕ hasil pengukuran pada objek beban.
Z = 1495+ j1113,53 ohm XL = 1113,53 ohm
L = 3,546 henry
Menentukan nilai C awal
Penentuan nilai C awal ditentukan dengan menganggap rangkaian mers pada mode balance, rangkaian dalam keadaan resonan Xc/XL = 1.[1]
C = 2,86 μF
Berdasarkan diagram vector kapasitas kapasitor yang optimal yang digunakan dapat diketahui dengan menggunakan aturan sinus:
β = 53,32o
dan α (sudut antara Vmers dengan Vsumber atau sudut penyalaan), Vb diperoleh simulasi dengan menggunakan nilai C awal pada posisi mode balance, besar sudut yang diperoleh α = 86,850
Kemudian, ϒ (sudut antara Vsumber dan
Vbeban) dapat ditentukan dengan Persamaan
ϒ = 180
o- ( β + α )
ϒ = 39,830sedangkan Tegangan MERS dapat dihitung
V
mers= V
sx
Vmers = 203,745 volt
dan kapasitans kapasitor yang optimal yang dihasilkan adalah
Cmers =
= 2,150 μF ≈ 2,2 μF
Pengukuran data awal objek penelitian
Data pengukuran awal sebelum menggunakan MERS didapatkan dengan cara melakukan pengukuran pada objek penelitian dengan tidak mengaktifkan rangkaian switching MERS. Data tersebut digunakan sebagai data awal untuk melakukan simulasi dengan menggunakan sofware Power Simulator 9.0.3.400
Tabel 1. Data tanpa mengunakan MERS
f P Q S pf Ib Vb Kecepatan
Vrms Vpeak Hz Watt VA VAR Amp Volt rpm
225 318.198 50 21.78 16.316 27.158 0.802 0.1207 225 17133
Sumber Kondisi awal
Vs
Hasil Pengujian Modul Penelitian
Setelah menentukan parameter-parameter yang diperlukan dalam melakukan pengukuran dengan alat ukur.
Kemudian menentukan sudut penyalaan gerbang mosfet dari 0 sampai 180 untuk gerbang mosfet Q2 dan Q4, sudut penyalaan dari 180 sampai 360 untuk gerbang mosfet Q1 dan Q3.
Pergeseran sudut penyalaan pada gerbang mosfet dilakukan dengan cara menggeser sudut sesuai dengan kebutuhan.Nilai kapasitor ditentukan berdasar perhitungan nilai C optimum sebesar 2,2 μF
Tabel 2. Hasil Pengujian nilai C = 2,2 μF
Sumber Mers + Kondisi awal Kecepatan
Vs f sudut Vc Vmers
Mode Pf
I Vb putaran
volt hz (derajat) volt volt mA volt (rpm)
225 50 0 179.3 202.5 dc-offset 0.833 50.04 121.3 6629 225 50 20 209.7 235.0 dc-offset 0.790 64.83 139.4 9971 225 50 40 224.1 251.3 dc-offset 0.786 92.15 177.0 15195 225 50 60 214.7 237.3 dc-offset 0.855 110.09 215.0 16996 225 50 80 194.7 215.0 balance 0.909 116.19 232.0 17180 225 50 100 135.8 152.5 not-continous 0.983 122.70 256.0 17354 225 50 120 107.9 121.2 not-continous 0.986 122.97 259.0 17373 225 50 140 65.1 74.3 not-continous 0.955 118.53 256.2 17354 225 50 160 31.3 36.4 not-continous 0.898 110.84 244.6 17099 225 50 180 8.0 10.4 not-continous 0.847 103.06 228.8 16841
Berdasarkan tabel 2 hasil menunjukkan pada sudut penyalaan 00 sampai sudut 800 menunjukkan mode dc-offset, berarti reaktans MERS lebih besar dari reaktans kapasitor. Mode balance adalah reaktans MERS sama dengan reaktans kapasitor ditunjukkan pada sudut penyalaan 800, sedangkan pada sudut penyalaan diatas 800 reaktans MERS lebih kecil dari reaktans kapasitor dan menunjukkan bentuk gelombang tegangan di kapasitor Vc dengan mode not-continous.
Pada sudut penyalaan 0 sampai 600 rangkaian bersifat kapasitif yaitu reaktans MERS lebih besar daripada reaktans beban atau XC > XL. Pada saat rangkaian bersifat kapasitif
dengan faktor daya leading tegangan beban bertambah secara linier seiring dengan bertambah faktor daya sampai nilai maksimum
dan pada sudut penyalaan >1200 sampai 1800 rangkaian bersifat induktif atau XC < XL
dengan faktor daya lagging, tegangan beban berkurang seiring dengan mengecilnya nilai faktor daya.
Gambar 5. Perbandingan tegangan beban dan kecepatan putaran terhadap sudut penyalaan
Berdasarkan gambar 5 perbandingan kecepatan putaran terhadap tegangan beban berdasarkan sudut penyalaan adalah tegangan beban terkecil 121,30 volt pada sudut penyalaan 00 dengan kecepatan putaran 6629 rpm dan tegangan beban terbesar 259 volt pada sudut penyalaan 1200 dengan kecepatan putaran 17373 rpm.
Tegangan beban dari sudut 0 sampai 100 naik agak linier dengan perubahan sudut sedangkan dari sudut 100 sampai 120 hanya bertambah 3 volt, dari sudut 120 sampai 180 tegangan beban mulai berkurang dengan faktor daya bersifat induktif. Sedangkan untuk kecepatan putaran dari sudut 0 sampai 60 kecepatan bertambah secara signifikan karena perubahan tegangan beban, setelah tegangan mencapai 215,0 volt yaitu tegangan hampir sama dengan tegangan tegangan kerja motor 220 – 240 volt, perubahan kecepatan putaran hanya bertambah mengikuti perubahan tegangan.
KESIMPULAN
Pada saat nilai reaktans kapasitor lebih besar dari nilai reaktans MERS bentuk gelombang tegangan kapasitor adalah mode not-continous, nilai reaktans kapasitor sama dengan nilai reaktans MERS adalah mode balance dan ketika nilai reaktans kapasitor lebih kecil dari nilai reaktans MERS bentuk gelombangnya adalah mode dc-offset.
Nilai kapasitans kapasitor mempengaruhi sudut penyalaan gerbang
mosfet rangkaian MERS, nilai C = 2,2 μF menghasilkan bentuk gelombang tegangan di C pada rangkaian MERS mode balance terjadi pada sudut penyalaan 800.
MERS dapat mengatur kecepatan motor induksi satu phasa dari 6629 rpm sampai dengan 17373 rpm, tetapi tidak semua bisa dioperasikan karena tegangan terminalnya tidak sesuai dengan tegangan nominal motor.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Fonstelien, Olav J, 2008 “Magnetic Energy Recovery Switch Implemented as Light Dimmer”, Project Work (TET4520), Spring.
[2] J. A. Wiik, T. Isobe, T. Takaku, F. D. Wijaya, K. Usuki, N. Arai, R. Shimada, 2007, “Feasible series compensation applications using Magnetic Energy Recovery Switch (MERS)”, European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-9.
[3] Jun Narushima, Kouta Inoue, Taku Takaku, Takana Isobe, Tadayuki Kitahara, Ryuichi Shimada, 2005 “Application of Magnetic Energy recovery Switch (MERS) for Power Factor Correction” IPEC- Niigata April 4-8, Toki Messe Niigata, Japan
[4] Prihartiningsih, M. M, 2010, “Specifying and Using Synchronous Condensers for PFC and Voltage Support by Ideal Electric” www. Nakahoma. Com
[5] T. Isobe, J. A. Wiik, T. Kitahara, S. Kato, K. Inoue, 2007, “Control of series compensated induction motor using magnetic energy recovery switch”, European Conference on Power Electronics and Applications, pp. 1-10. [6] Yadi Yunus, Suyamto, 2008, “Rancang
Bangun Alat Pengatur Kecepatan Motor Induksi Dengan Cara Mengatur Frekuensi”, Seminar nasional IV, SDM Teknologi Nuklir, 25-26 Agustus, Yogyakarta
