240 Volt

Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.2 No. 3, Desember 2013 ISSN 2089-6697

ANALISIS MENGGUNAKAN PEMODELAN UNTUK PENGENDALIAN MOTOR LISTRIK STUDI KASUS MOTOR 1750 RPM/60 HP/240 Volt

Paulus Mangera, Daud Andang Pasalli Email: [email protected] ; [email protected] Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Musamus Merauke

ABSTRAK Untuk kegunuaan analisis secara teoretis, sebuah motor DC dapat direpsesentasikan dalam bentuk sebuah model, dimana model tersebut dapat menggambarkan karakteristik dari ‘fisik’ motor yang sebenarnya. Sebuah motor DC dapat direpresentasikan dalam beberapa jenis model, antara lain: model matematik (model nisbah alih dan ruang keadaan),dan model simulink. Dengan menggunakan spesifikasi data motor DC type Dripproof serta dilakukan pengujian diperoleh nilai 𝜔n = 47,402642 rad/sec dan 𝜉 = 0,360860. Karena nilai 𝜉 lebih kecil dari satu, maka motor DC tersebut akan memiliki karakteristik kurang teredam. Untuk memperoleh karakteristik kecepatan dan arus jangkar yang baik pada motor DC , dapat dilakukan pengendalian pada saat pengasutan (starting), pembebanan dan pengereman (stopping). Kata Kunci: Pemodelan, Pengendali, Motor Listrik

3. celah udara antara kumparan jangkar dan

PENDAHULUAN

kumparan medan.

A. Bentuk Fisik Motor DC Motor arus searah (DC) pada dasarnya

Bentuk fisik dari motor DC dapat dilihat pada

sama dengan mesin arus bolak-balik (AC), gambar berikut: kecuali bahwa mesin arus searah mempunyai suatu komutator, yang berfungsi mengubah tegangan

bolak-balik

menjadi

tegangan

searah. komponen utamanya terdiri dari tiga bagian, yakni: 1. Kumparan (belitan) jangkar yang terletak pada rotor

Gambar 1. Bentuk Fisik Motor DC.

2. Kumparan (belitan) medan yang terletak pada stator, dan 176


motor ini terbagi menjadi dua, yakni:

B. Macam-Macam Motor DC

motor DC kompon pendek dan motor

Motor DC adalah suatu mesin yang

DC kompon panjang.

mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik. Mesin sumber

DC

dibedakan

penguatannya

berdasarkan 1. Pemodelan Jangkar (exciter),

Motor

DC

Terkendali

Penggolongan Motor DC adalah sebagai A. Model Fisik berikut: Model fisik dari sebuah motor DC 1. Motor DC berpenguatan bebas

dapat digambarkan sebagai berikut: Ia(t)

Pada motor DC berpenguatan bebas, sumber

penguatnya

tersendiri,

+

biasanya

Ra

berupa sumber DC yang lain. Oleh karena

La eb(t)

ea(t)

M

B

itu, kumparan medannya terpisah (tidak

J

-

memiliki hubungan listrik) dengan kumparan Gambar 2. Bentuk Fisik Motor DC

jangkarnya. 2. Motor DC berpenguatan sendiri

keterangan: Ra

= tahanan jangkar

La

= induktansi jangkar

dengan

ea(t)

= tegangan jangkar

kumparan jangkar. Bersarkan hubungan itu,

eb(t)

= back emf

motor

Ia(t)

= arus jangkar

M

= motor

J

= momen inersia

B

= beban (friction)

Motor DC berpenguatan sendiri tidak memiliki

sumber

Kumparan

medan

DC

penguat

tersendiri.

dihubungkan

berpenguatan

sendiri

dapat

dibedakan menjadi: a. Motor DC seri (kumparan medan seri dengan kumparan jangkar)

Dari data motor yang diperoleh (lampiran

b. Motor DC shunt (kumparan medan paralel dengan kumparan jangkar)

1) dari U.S. Electrical Motors, diketahui

c. Motor DC kompon (memiliki dua spesifikasinya sebagai berikut : kumparan medan, dimana satu kumparan Dari data motor DC yang

diperoleh

dihubung seri dengan kumparan jangkar, (terlampir), diketahui sebagai berikut: sedangkan kumparan lainnya dihubung paralel dengan kumparan jangkar). Jenis

•

Daya Mekanik ( Pm) = 60 HP

= 60 x 746 Watt = 44760 Watt 177


• Kecepatan nominal (𝜔n ) = 1750 rpm = 1750 x 2𝜋 / 60 =183,26 rad/dt

Bagian elektrik:

e a (t ) eb (t ) =La

• Tegangan jangkar, Ea

= 240 Volt

• Tahanan Jangkar (Ra)

= 0,047 Ohm

• Arus Jangkar (Ia)

= 205 Amp

T (t ) =J

• Induktansi jangkar (La)

= 0,0015 H

Sifat motor:

• Momen Inersia (J ) = 11,0 lb.ft

= 0,4635 kg.m2 Dari data-data tersebut, maka dapat diperoleh parameter-parameter yang lain sebagai berikut: Torsi motor, T

T= 

(1)

Bagian mekanik: d ω(t ) +B ω(t ) dt

T (t ) =K m i a (t )

(2)

(3)

2

= 11,0 x 0,04214 kg.m2



d i a (t ) +Ra i a (t ) dt

Pmek 44760 = =244,24 N .m ω nom 183,26

Beban, B

Sifat generator:

eb (t ) =K b ω(t ) Dengan

menggunakan

(4) Transformasi

Laplace, maka persamaan fungsi waktu diatas, dapat diubah menjadi persamaan Laplace: Bagian elektrik:

E a (s) Eb (s) =La s I a (s) +Ra I a (s) (1) Bagian mekanik:

T P / ωn 44760 B= = m = =1,334 N .m.dtk rad ω ωn 183,26 2

Konstanta motor, Km Km =

T Pm / ωn 44760 / 183,26 = = =1,192 N .m Amp Ia Ia 205

Konstanta generator, Kb Kb =

Ea

I a xRa 240 205x0,047 230,37 = = =1,258Volt .dtk rad ωn 183,26 183,26

T (s) =J s ω(s) +B ω(s)

(2)

Sifat motor:

T (s) =K m I a (s)

(3)

Sifat generator:

Eb (s) =K b ω(s)

(4)

Persamaan matematis motor DC diatas dapat digambarkan dalam model nisbah alih

Dengan mengacu pada spesifikasi data dengan menggunakan bagan kotak seperti diatas, maka motor tersebut dapat kita berikut ini: implementasikan secara ”konseptual” dengan membuat model matematisnya.

178


ξ=

2ξω n 34,2114 = =0,3608 ξω n s + 2 x 47,4026

ω d ≡ω n 1 ξ 2 = 47,4026 √1 − (0,3608)2 ≡44,2086 rad/s

φ ≡cos 1 ξ ≡cos 1 (0,360860 ≡1,2016 rad Selanjutnya, dari perhitungan diatas kita dapat menganalisis kecepatan dan arus jangkar motor DC Gambar 3. Bentuk Bagan kotak Motor DC

•

Analisis Kecepatan Motor DC (t)

ω(s) =G1 (s) E a (s)

Dimana:

K o E a nom = 2 s( s +2 ξ ω n s +ω 2n )

Km ( La s +Ra ) ( Js +B ) G( s) = Km .B 1+ ( La s +Ra ) ( Js +B )

Dari tabel Transformasi Laplace, diperoleh : ω(t ) = £-1

K0 s +2ξω n s +ω n 2

2

K o E a nom s( s +2 ξ ω n s +ω 2n ) 2

Jadi motor DC terkendali jangkar ini pada

1 1 e ξω nt sin(ωd t +φ) 2 ωn ωn ωd karakteristik suatu sistem orde kedua (second dari persamaan diatas, diperoleh fungsi order systems) dengan: waktu dari kecepatan motor, (t) adalah K B L +R J B R +K K 2 K0 = m ; 2ξω n = a a ; ωn = a m b La J La J La J 17,10285t Dari hasil perhitungan diatas, diperoleh nilai ω(t ) =183,12206 196,34813 e sin( 44,2097t +1,20167) rad / dt 𝜔n, 𝜉, 𝜔d, 𝜙 sebagai berikut: t ≥0 𝐾 1,192 K0= 𝐿 𝑚𝐽 = 0,0015 𝑥 0,4635 = 1.714,491190 keadaan

transient

akan

mengikuti

𝑎

𝐵 𝐿 +𝑅 𝐽 2𝜉𝜔𝑛 = 𝐿𝑎 𝐽 𝑎 𝑎

=

(1,334 𝑥 0,0015)+(0,047 𝑥 0,4635) (0,0015 𝑥 0,4635)

•

=

34,21143 𝐵 𝑅𝑎 +𝐾𝑚 𝐾𝑏

𝜔𝑛2 =

𝐿𝑎 𝐽

=

(1,334 𝑥 205)+ (1,192 𝑥 1,258) (0,0015 𝑥 0,4635)

2.247,01042

ω(t ) = K o Ea nom

=

Analisis Arus Jangkar Motor DC, Ia(t)

I a (s) =G2 (s) Ea (s) a E a nom b E a nom = 2 + s +2 ξ ω n s +ω 2n s( s 2 +2ξω n s +ω 2n )

Dari tabel Transformasi Laplace, diperoleh :

𝜔n = √2247,0104 = 47,4026 rad/sec 179


kecepatan Motor DC Terkendali Jangkar 250

dari persamaan diatas, diperoleh fungsi

100 50 0 -50

waktu dari arus jangkar motor, Ia(t) adalah: ia (t ) =3619,114624 e

[204,93729

(17,10285808) t

sin 44,20971t +

(

1,0 0

sin(ωd t + φ ) Amp t ≥0

0,9 0 0,9 5

e

0,8 0 0,8 5

ω n ωd

150

0,7 0 0,7 5

ωn2

ξωn t

0,6 0 0,6 5

bEa nom

0,5 0 0,5 5

bEa nom

200

0,4 0 0,4 5

sin ωd t +

0,3 0 0,3 5

ωd

ξωn t

e

s( s +2ξω n s +ω2n ) 2

0,2 0 0,2 5

aEa nom

b Ea nom

+£-1

0,1 0 0,1 5

s +2 ξ ω n s +ω

2 n

Kecepatan (rad/sec)

=

a Ea nom 2

0,0 0 0,0 5

ia (t ) = £-1

Waktu (detik)

)]

219,73854 e (17,10285808)t sin 44,20971t +1,20167

Gambar 5.Grafik Kecepatan Motor DC

t≥ 0 Dengan menggunakan persamaan (t) dan 2.2 Model Simulink Ia(t), diperoleh karakteristik kecepatan dan Selain model tersebut di atas, dapat pula arus jangkar motor DC terkendali jangkar digunakan model simulasi untuk dengan mencari nilai-nilainya dengan mendapatkan karakteistik Motor DC. Salah bantuan Microsoft Excel (Lampiran 2). Dari satu software yang dapat digunakan adalah nilai-nilai tersebut, diperoleh grafik (t) dan SIMULINK sehingga model yang kita buat Ia(t) berikut: dinamakan model SIMULINK. Model tersebut dikembangkan dari model bagan

Grafik Arus Jangkar Motor DC 2500

kotak, sehingga diperoleh model SIMULINK

Arus Jangkar (amper)

2000

Motor

1500 1000

DC

Terkendali

Jangkar

sebagai

berikut:

500 0 0,00 0,05

0,10

0,15

0,20 0,25 0,30 0,35 0,40 0,45 0,50

0,55 0,60 0,65 0,70

0,75 0,80 0,85 0,90 0,95

1,00

-500 -1000 Waktu (detik)

Gambar 4. Grafik Arus jangkar Motor DC

Gambar 6. Model Simulink Motor DC

180


Model SIMULINK Motor DC tersebut akan dimasukkan dalam model sistem secara keseluruhan sebagai berikut: 2. Pengendalian Daur Terbuka A. Pengaturan Penggunaan Motor DC 1. Starting Motor DC dengan Pengaturan Tegangan Jangkar (Ea). Untuk menstart motor DC, salah satu Gambar 7. Model Simulink Motor DC

pengaturan yang dapat dilakukan adalah dengan mengatur tegangan jangkar agar tidak

Hasil

Simulasi

Motor

DC

diperoleh langsung mencapai tegangan nominalnya.

karakteristik kecepatan (t) dan arus jangkar Dengan cara tersebut, diharapkan lonjakan Ia(t) sebagai berikut:

arus yang sangat besar yang terjadi pada starting DOL (Direct On Line) dapat diatasi sehingga tidak menyebabkan kerusakan pada motor DC tersebut. Pengaturan tegangan yang dimaksud adalah dengan menaikkan tegangan jangkar secara perlahan dari 0 sampai Ea nom dalam waktu T

Gambar 8. Grafik Arus jangkar Motor DC

Gambar 1. Bentuk Fisik Motor Model

Motor

DC

yang

akan

disimulasikan sebagai berikut :

Gambar 9.Grafik Kecepatan Motor DC

181


waktu 2 detik

tegangan motor mulai

stabil. (Steady state) Gambar 11. Motor DC dalam Simulink

2. Beban motor masih tetap stabil (Steady state) terjadi perubahan mulai pada saat

Model sistem dengan pengaturan tegangan jangkar yang akan disimulasikan adalah:

motor beroperasi selama enam (6 detik) tetapi gangguan hanya terjadi selang waktu 3 detik setalah itu konstan kembali. 3. Putaran motor ( Rpm) mulai stabil (Steady state) pada saat motor beroperasi selama 2 detik 4. Arus Jangkar Mulai juga stabil (Steady state) pada saat motor beroperasi selama

Gambar 12. Motor DC dalam Simulink Dengan trial-and-error, maka nilai T

2 detik. Setelah gambar diperbesar maka dapat

dimana tidak terjadi lonjakan tegangan, dan ditarik hasi sebagai berikut : lonjakan arus tidak terlalu besar pada saat T= 2 detik. Untuk Tmin = 2 detik, maka step time pada Step2 = 2, gain = 240/2 = 120. Setelah model tersebut disimulasikan, maka akan diperoleh grafik sebagai berikut: Gambar.14 Grafik Hasil Simulink setelah dizoom a. Keterangan : Dengan pengaturan tegangan jangkar sampai T = 2 detik seperti pada grafik Ea, ternyata akan dihasilkan grafik  tanpa lonjakan. Lonjakan hanya terjadi pada Ia = Gambar 13. Hasil dalam Simulink Motor DC a. Penjelasan: 1. Dengan mengatur

228 Ampere dimana lonjakan tersebut terjadi 2 kali. Namun demikian, lonjakan tersebut

tegangan jangkar

Eanom = 240 Volt dan beroperasi selama

tidaklah

besar

(hanya

23,06271

Amp)

sehingga motor tidak mengalami kerusakan fisik . Pada starting DOL, lonjakan arus 182


mencapai

204,93729

Amp

(perhitungan

B. Pengaturan Tahanan Seri Rseri pada

analitik pada tugas 02).

Starting Motor DC Selain

pengaturan

tegangan

jangkar,

maka cara lain yang dapat dilakukan untuk menghindari lonjakan arus yang sangat besar pada saat starting motor DC adalah dengan menambahkan tahanan R yang diserikan dengan

tahanan

jangkar

Ra,

sehingga

diharapkan dapat meredam arus jangkar pada saat starting. Pengaturan Rseri dilakukan dengan Gambar.15 Grafik Hasil Simulink.

mempertahankan nilai Rseri tersebut selama periode waktu tertentu (misalnya 0,1 detik),

b. Keterangan : Dengan pengaturan tegangan jangkar

kemudian menurunkannya secara perlahan sampai mencapai 0 dalam waktu T.

sampai T = 6 detik seperti pada grafik Ea, ternyata akan dihasilkan grafik  tanpa lonjakan dan gangguan beban mulai terjadi

R Rseri

pada t=6 detik. Lonjakan hanya terjadi pada T

lonjakan kedua yaitu Ia = 220 Ampere, Namun demikian malah turun sekitar 8 ampere, lonjakan tersebut tidaklah besar

t

c. Pengaturan Rs didapat gambar simulink seperti Berikut:

(hanya 15,06271 Amp) sehingga motor tidak mengalami kerusakan fisik . Pada starting DOL, lonjakan arus mencapai 204,93729 Amp . 2. Perbandingan dari tiga kondisi di atas dapat dilihat pada tabel: Gambar 15. Motor DC dalam Simulink 1. Pengaturan Tahanan seri (Rs) Tahanan seri (Rs)= 1

183


Step : Step time = 2, initial valve = 1/2 ,

Gambar 16. Motor DC dalam Simulink

final value = 0 Step 1 : Step time1 = 10, initial value = 0, final value = 1/2 Step 2 : Step time 2 = 12, initial value = 0 final value = ½ Waktu simulasi = 18 detik. 2. Pengaturan (Ea) → tegangan jangkar. Eanom : Step time = 12, initial value = 0, final value = 240 Eanom1 : Step time = 0, initial value = 0, final value = 240 Gambar 17. Grafik hasil Simulink

3. Pengaturan Beban Step : Step time = 3, initial valve = 0 , final value = 0.2 x 1.334 Step 1 : Step time1 = 4, initial value = 0,

Jika motor stop pada t= `12 detik dan simulink dioperasikan selama 18 detik, sehingga didapat hasilnya sebagai berikut:

final value = 0.2 x 1.334 Step 2 : Step time 2 = 5, initial value = 0 , final value = -0.3 x 1.334 Step 3 : Step time 2 = 6, initial value = 0 , final value = -0.3 x 1.334. d. Motor Dc yang akan dimasukkan kedalam model sistem dengan pengaturan tegangan

Gambar 18. Hasil simulink yang diperbesar

yang akan disimulasikan adalah sebagai berikut :

d. Dari grafik diatas, nampak seperti : 

Pada t = 1,8 detik kecepatan motor mulai bertambah dan pada t = 2 detik kecepatan motor mulai stabil (steady state ) yakni 1750 pada kecepatan nominal motor = 1750 Rpm.



Pada grafik arus jangkar (Ia) pada saat t = 2 detik arus jangkar sebesar 240 ampere. Serta arus jangkar mulai turun (step down 184


) pada saat t=2,05 detik sebesar 20 ampere karena terjadi selama selang waktu 6 detik terjadi gangguan beban. 4. Pengendalian daur tertutup

Gambar 20. Simulink Motor DC Daur Tertutup. Pengaturan dari gangguan luar (beban)

Tujuan dari motor DC yang dibuat yang disetting : menjadi daur tertutup adalah agar output dari  Step - Step time = 8, initial value = 0, dan motor dalam hal ini kecepatan putar arus

final value = 0.1 x 1,334

jangkar dibuat tetap dalam kondisi stabil  Step 1 - Step time = 9, initial value = 0, dan final value = 0.1 x 1,334 walaupun diberikan beban yang berubahubah, kondisi stabil disini mendekati dari  Step 2 ------- Step time = 10, initial value = stabilnya kecepatan putar nominal dan arus jangkar nominal walaupun masih ada sedikit

0, dan final value = - 0,2 x 1,334

pengaruh dari diberikannya beban yang  Step 3 -------- Step time = 11, initial berubah itu.Pengaruh yang terjadi dari beban itu hampir dapat diabaikan. Simulasi dari motor DC daur tertutup sebagai berikut:

value = 0, dan final value = - 0,2 x

1,334.

Dari hasil simulasi didapatkan grafik sebagai berikut:

Gambar 19. Simulink Motor DC Daur Tertutup. Untuk rangkaian dalam motor DC adalah sebagai berikut :

Gambar 21. Bentuk Fisik Motor Dari grafik pembebanan

pada motor

diberikan beban diatas beban nominal maka otomatis arus jangkar naik dan kecepatan putar turun, karena adanya perubahan arus 185


jangkar dan kecepatan putar maka feedback 4. Dari

berbagai

perbandingan

dan

akan bekerja ( pengendali), dipengendali ini

verifikasi diatas, baik dari tabel maupun

akan terjadi penerimaan informasi yang

grafik, maka dapat ditarik kesimpulan

berupa (arus jangkar naik dan kecepatan

bahwa

putar turun ) kemudian diproses. Hasil dari

simulink dapat digunakan sebagai acuan

proses

yang benar untuk Motor DC.

tersebut

keluar

dan

masuk

model

yang

dibuat

dengan

kepenyearah terkendali, didalam penyearah 5. Semakin lama waktu diberikan pada saat terkendali akan diproses lagi dan hasil dari

start maka lonjakan arus semakin kecil

proses tersebut akan masuk kemotor sehingga

(semakin turun ) karena putaran motor

motor

semakin konstan.

sedekat

akan

menghasilkan

mungkin

nilai

pendekatan

dari

kecepatan 6.

Pengaturan tegangan jangkar pada saat

nominal dan arus jangkar nominal. Demikian

start dapat meredam  (putaran motor)

seterusnya terjadi daur tertutup yang intinya

motor DC dan lonjakan arus jangkar Ia .

bisa menghasilkan arus dan kecepatan putar 7. Didalam motor DC daur tertutup ini dapat pada kondisi mendekati nominal walaupun

dinyatakan

adanya perubahan dari beban.

diberikan beban baik itu diatas atau

KESIMPULAN:

dibawah

1. Hasil perhitungan yang didapat diperoleh

berpengaruh

kecapatan

putaran

beban atau

motor

DC

yang

nominal

kurang

kecil

sekali

didapat

mempengaruhi dari kecepatan putar dan

kecepatan

arus jangkar nominal sehingga motor DC

putaran nominal dalam data motor adalah

itu tidak gampang rusak karena selalu

183,26 rad/sec

bekerja stabil.

183,12206

nominal

bahwa

rad/sec,sedang

2. Nilai arus jangkar membesar karena pada 8. Pengendali dan penyearah terkendali start awal putaran masih lambat sehingga

adalah parameter yang sangat penting

jika dilakukan start tanpa menggunakan

dalam kestabilan Motor DC.

tahanan

bantu

pada

jangkar

maka

belitannya bisa terjadi kerusakan rusak DAFTAR PUSTAKA pada motor.

1. Referensi

3. Grafik yang dihasilkan dengan metode simulasi

(Simulink)

baik

dari

pemodelan

dan

pengendalian motor listrik 2008.

nilai

maupun bentuk gelombangnya hampir sama dengan grafik yang dihasilkan dengan metode Ms. Excel .

kuliah

2. Ogata, K, 1993, Teknik Kontrol otamatis: Sistem Pengaturan (alih bahasa : Ir. Edi Leksono). Jakarta. 186

Jurnal Ilmiah Mustek Anim Ha Vol.2 No. 3, Desember 2013 ISSN 2089-6697 3. Zuhal, 1991, Dasar Tenaga Listrik ” Institut Teknologi Bandung, bandung.

187

240 Volt

Recommend Documents