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 UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2011 i
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
Dosen Pembimbing II
Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT NIP : UMM.108.9109.0233
ii
Ir. Nurhadi, MT NIP : UMM.108.9009.0183
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 NIP : UMM.108.9109.0233
(Pembimbing I)
2. Ir. Nurhadi, MT NIP : UMM.108.9009.0183
(Pembimbing II)
(Penguji )
4. Ir, M. Irfan, MT NIP : UMM.108.9203.0255
(Penguji )
Mengetahui, Ketua Jurusan
Ir. Nur Kasan, MT NIP : UMM.108.9303.0293 iii
SURAT PERNYATAAN
Yang bertanda tanggan dibawah ini : Nama
: Agusriadi
Tempat, Tgl Lahir
: Pandawan, 13 Agustus 1985
NIM
: 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
Pembimbing II
Dr.Ir. Ermanu Azizul Hakim, MT NIP : UMM.108.9109.0233
iv
Ir. Nurhadi, MT NIP : UMM.108.9009.0183
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 Kata Kunci : Simulink, Motor DC, Penguat Terpisah, Beban
v
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. Keywords: Simulink, DC Motor, Separately Exited, Load
vi
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 pihak-pihak yang telah membantu dalam proses penyusunan laporan ini sehingga
vii
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 sebesarbesarnya 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 hentihenti-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 sebagai amal ibadah dan ilmu yang bermanfaat Amin...
viii
Wassalamu’alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh.
Malang, 13 Mei 2011
Penyusun
ix
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL ............................................................................................. i LEMBAR PERSETUJUAN ............................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................... iii SURAT PERNYATAAN .................................................................................. iv ABSTRAK.......................................................................................................... v ABSTRACT ...................................................................................................... vi KATA PENGANTAR ...................................................................................... vii DAFTAR ISI .................................................................................................... x DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... xiii DAFTAR TABEL ......................................................................................... xvi
BAB I PENDAHULUAN ................................................................................... 1 1.2.
Pendahuluan........................................................................................... 1
1.3.
Tujuan Penyusunan.................................................................................... 2
1.4.
Batasan Masalah .................................................................................... 3
1.5.
Metodologi............................................................................................. 3
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
2.2.2.
Alternator Tanpa Beban ....................................................................... 10
x
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
2.6.1.
Perbedaan Matlab dengan Pemrograman Lain ...................................... 45
xi
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
DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN
xii
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 Gambar 2.22. Rangkaian Arus Bolak-Balik dengan Beban Murni ...................... 38
xiii
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 Gambar 4.4 Pemodelan Sistem Pengendalian Motor Penggerak Generator Terhadap Beban Induktif ................................................................................... 61
xiv
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 Gambar 4.5 Sinyal Respon Torsi........................................................................ 69
xv
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 Tabel 4.7. Hasil Perhitungan Torsi ..................................................................... 70
xvi
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 Efficiency Maximizer 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.
10)
User Manual, MATLAB Version 6.5.0. & 7.1.
xvii
