Dielektrika, ISSN 2086-9487 Vol. 2 , No. 2 : 91 - 96, Agustus 2015
91
PERANCANGAN SOFT STARTING PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASE MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA328 Design of Soft Starting for Three Phase Induction Motor Using ATMega328 Microcontroller 1
1
Rizki Ardiansyah1 , I Made Ari Nrartha2 , I Made Budi Sukmadana3
1
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 1
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 Alternating Current (TRIAC).
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Mataram, Nusa Tenggara Barat, Indonesia
92 Dielektrika, 2 (2),Agustus 2015
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.
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 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 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 lowoffset 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 Gambar 2. Perbandingan Ist 1. Metode DOL, 2. Wye Delta dan 3. Soft Starting
Minimum Sistem Arduino. Arduino adalah minimum sistem yang menggunakan
Rizki Ardiansyah ,I Made Ari Nrartha & I Made Budi Suksmadana : Perancangan Soft Starting 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.
93
Perancangan Perangkat Lunak. Perancangan perangkat lunak ini terbagi dalam pemrograman untuk mikrokontroller ATMega328 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 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 8. Diagram Alir Perancangan Sistem
HASIL DAN PEMBAHASAN
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.
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)
94 Dielektrika, 2 (2),Agustus 2015
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. V1
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.
DUINO1
6 5 4
V3PHASE
m icro co ntrola nd os .b log sp ot.co m
ON
DIPSW_3 V3
1 2 3
C1 RESET
U1 1/2
IP+
VCC VIOUT FILTER GND
R1 2k
DIODE
C2
ACS712ELCTR-05B-T
R2
C3
10k
10uF
+ 8 8 .8
1nF
A0 A1 A2 A3 A4 A5
PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL
PB0/ICP1/CLKO
D IG IT AL (~ P W M )
IP-
D1 A N AL O G IN
3/4
0.1uF 8 7 6 5
AREF PB5/SCK PB4/MISO
~PB3/MOSI/OC2A ~ PB2/SS/OC1B ~ PB1/OC1A 1 12 1 AT ME G A3 28 P -P U
OFF
SOFT STARTING
PD7/AIN1
~ PD6/AIN0 ~ PD5/T1 PD4/T0/XCK ~ PD3/INT1 PD2/INT0 TX PD1/TXD RX PD0/RXD
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
Sinyal TRIAC 15 %
Sinyal Triac 25 %
Sinyal TRIAC 50 %
Sinyal TRIAC 75 %
ARDUINO UNO R3
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. DUINO1 V1
TR1
BR1
RESET
R1
1 2 3
ON
DIPSW_3
220
2200uF
R2
R3
R4
330
330
330
A0 A1 A2 A3 A4 A5
PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL
PB5/SCK PB4/MISO ~PB3/MOSI/OC2A ~ PB2/SS/OC1B ~ PB1/OC1A PB0/ICP1/CLKO
D IG IT A L (~ P W M )
C2
470uF
A N A L O G IN
+ 8 8 .8 BRIDGE TRAN-2P2S
C1
AREF
11 21 A TM E G A 32 8P - P U
6 5 4 OFF
SOFT STARTING
m ic r o c o n tr o la n d o s .b lo g s p o t .c o m
V3PHASE
PD7/AIN1
~ PD6/AIN0 ~ PD5/T1 PD4/T0/XCK ~ PD3/INT1 PD2/INT0 TX PD1/TXD RX PD0/RXD
13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
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.
ARDUINO UNO R3
V1 V3PHASE
Gambar 10. Rangkaian Sensor Tegangan
V2
DUINO1 V m icro c on tro la nd o s.blog s po t.c o m
PD7/AIN1
~ PD6/AIN0 ~ PD5/T1 PD4/T0/XCK ~ PD3/INT1 PD2/INT0 TX PD1/TXD RX PD0/RXD
6 5 4
1 2 3 4 7 6 5 4 3 2 1 0
RLY-SPCO
SOFT STARTING DIPSW_3
ON
D2
O FF
RL1
1 2 3
DIODE 8 7 6 5
13 12 11 10 9 8
KONTAKTOR R3
Q1
SW-DIP4
NPN 8.2k +8 8.8
PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL
PB5/SCK PB4/MISO ~PB3/MOSI/OC2A ~ PB2/SS/OC1B PB1/OC1A ~ PB0/ICP1/CLKO
D IG IT AL (~ P W M )
A0 A1 A2 A3 A4 A5
VSINE
AREF
1121 AT ME G A3 28P- PU
RESET
AN AL O G IN
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.
ARDUINO UNO R3
Gambar 13. Rangkaian pensaklaran untuk driver kontaktor
Rizki Ardiansyah ,I Made Ari Nrartha & I Made Budi Suksmadana : Perancangan Soft Starting Menggunakan
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.
95
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
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. V1 V2
V3PHASE
R1_R
R1_S
R1_T
360
360
360
1
6
Zero Crossing
4
R4_R 820
Zero Crossing
R2_T 360
R4_S
BTA16_S
2
Q201E4
MOC3041M
820
4
R4_T
BTA16_T
2 Zero Crossing
Q201E4
MOC3041M
820
Q201E4
C1_R
R3_S
C1_S
R3_T
C1_T
330
33 nF
330
33 nF
330
33 nF
C1
V3
2k
C3
R2
10uF
10k
C2
VCC VIOUT FILTER GND
IP+
IP-
1/2
3/4
ACS712ELCTR-05B-T 1nF
ARDUINO UNO R3
R1
~
PD7/AIN1 ~ PD6/AIN0 PD5/T1 PD4/T0/XCK ~ PD3/INT1 PD2/INT0 TX PD1/TXD RX PD0/RXD
7 6 5 4 3 2 1 0
13 12 11 10 9 8 PB0/ICP1/CLKO
PB5/SCK PB4/MISO
8 7 6 5
R1
+88.8
~PB3/MOSI/OC2A ~ PB2/SS/OC1B ~ PB1/OC1A
U1
0.1uF
DIODE
DUINO1
KONTAKTOR DIPSW_4
4
MOC3041M
R3_R
D1
AREF
6
360
BTA16_R
2
1
OFF
360
OPT_T
R2_S
8 7 6 5
OPT_S
R2_R
DIGITAL (~PWM)
BR1
TR1
220
R4
R3
R2
330
330
330
C2
C1
2200uF
470uF
1121 ATMEGA328P- PU
BRIDGE TRAN-2P2S
PC0/ADC0 PC1/ADC1 PC2/ADC2 PC3/ADC3 PC4/ADC4/SDA PC5/ADC5/SCL
microcontrolandos.blogspot.com
A0 A1 A2 A3 A4 A5
RESET
ANALOG IN
D2(K)
R3
Q1 NPN
10k
D2
Gambar 16. Perbandingan Metode Direct On-Line (DOL) dengan Metode Soft Starting dikopel Generator DC
ON
6
1 2 3 4
OPT_R 1
RL1
V2
RLY-SPCO
VSINE
DIODE
Gambar 14. Rangkaian Keseluruhan Sistem
Perbandingan Metode Direct On-Line (DOL) dengan Metode Soft Starting Tanpa Beban
Grafik pada Gambar 16 memperlihatkan 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
Gambar 15. Perbandingan Metode Direct On-Line (DOL) dengan Metode Soft Starting tanpa beban
Grafik pada Gambar 15 memperlihatkan bahwa arus starting maksimal dengan Metode Direct On-Line (DOL) mencapai
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
96 Dielektrika, 2 (2),Agustus 2015
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://almonr.blogspot.com/2008/12/metode-startingmotor-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/electricmotors-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 diakses pada tanggal 18 Januari 2014
