RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA TERHADAP GANGGUAN ARUS BERBASIS MIKROKONTROLLER 1
2
3
Ahmad Ridwan , Endro Wahjono S.ST.,MT. , Arman Jaya ST.,MT. Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Industri, PENS-ITS, Surabaya,Indonesia, e-mail:
[email protected] 1 2,3 Dosen Jurusan Teknik Elektro Industri, PENS-ITS, Surabaya,Indonesia.
Abstrak Motor induksi tiga phasa merupakan salah satu motor yang banyak digunakan di industri. Hal ini dikarenakan motor induksi memiliki peranan yang sangat penting dalam proses produksi. Apabila terjadi gangguan arus pada motor induksi tiga phasa maka proses produksi akan terhenti dan mempunyai dampak yang sangat berbahaya. Gangguan arus ini bisa menimbulkan panas pada motor induksi tiga phasa, jaringan serta pada sisi sumbernya. Gangguan arus motor induksi ini jika tidak segera diatasi dapat merusak motor itu sendiri dan industri akan mengalami kerugian yang cukup besar. Berdasarkan masalah tersebut, maka pada proyek akhir ini penulis membuat suatu sistem yang dapat mendeteksi serta mengamankan motor induksi tiga phasa dari gangguan arus. Arus yang diamankan pada pengaman ini adalah arus beban lebih, arus hubung singkat dan arus bocor. Pada arus beban lebih metode yang digunakan adalah metode inverse time (standart inverse), untuk arus hubung singkat menggunakan metode instantaneous relay sedangkan untuk arus bocor menggunakan metode gabungan dari definite time relay dan moderately inverse relay. Dari hasil pengujian arus beban lebih dengan setting arus 3 ampere terdapat presentase error sebesar 4,4% sehingga ketepatan waktu adalah 95,6%. Sedangkan untuk arus hubung singkat waktu yang diperlukan untuk memutuskan daya adalah 0 detik. Pada pengaman arus bocor lama waktu atau jeda waktu untuk memutuskan system pada saat I/Is (arus gangguan / arus setting) diantara 1 sampai 1.2 pemutus daya akan trip dengan waktu 2 detik. Pada saat I/Is (arus gangguan / arus setting) lebih dari 1.2 maka pemutus akan trip sesuai karakteristik moderately inverse. Kata kunci: sistem pengaman, motor induksi tiga phasa, sensor arus.
Abstract Three-phase induction motor is one of the motors are widely used in industry. This is because the induction motor has a very important role in the production process. In the event of disruption to the current three-phase induction motor is stopped and the production process will have very harmful effects. These disorders can lead to heat flow in a three phase induction motor, as well as on the tissue source. This induction motor current noise if not addressed could damage the motor itself and the industry will experience substantial losses. Based on these issues, then at the end of the project, the writer makes a system that can detect and secure the three-phase induction motor from the flow disturbance. The current that is secured in a safety overload current, short circuit current and leakage current. On the load current over the method used is the method of inverse time (standard inverse), for the short circuit current using the method of instantaneous relay to the leakage current while using the combined method of definite and moderately inverse time relay relay. From the test results are the percentage of load current over error of 4.4% to an average punctuality was 95.6%. As for the short circuit current of time it takes to break the power is 0 seconds. Leakage current on the length of time or lag time to decide when the system I / Is (fault current / current setting) between 1 to 1.2 then the breaker will trip with a time of 2 seconds and at the I / Is (fault current / current setting) is more than 1.2 then the breaker will trip according to moderately inverse characteristics. Keywords: security system, three-phase induction motor, the current sensor
1. Pendahuluan Motor induksi 3 phasa merupakan salah satu motor yang banyak di gunakan di industri. Hal ini di karenakan motor induksi 3 phasa memiliki keunggulan di bandingkan motor jenis yang lain, akan tetapi motor induksi 3 phasa sering mengalami gangguan yaitu arus lebih yang di sebabkan oleh adanya gangguan baik dari sumber tegangan maupun dari motor itu sendiri. Gangguan pada motor induksi 3 phasa ini
mempunyai dampak yang sangat berbahaya bila dibiarkan secara terus menerus. Gangguan ini bisa menimbulkan panas pada motor induksi 3 phasa sehingga menyebabkan motor induksi 3 phasa akan terbakar. Selain itu gangguan arus ini juga dapat merusak pada jaringan dan sisi sumbernya apabila tidak diamankan. Selama ini jenis pengaman motor induksi telah banyak diproduksi atau dijual dipasaran, 1
akan tetapi pengaman yang dijual di pasaran lebih spesifik pada jenis gangguan tertentu saja. Misalnya untuk pengaman overload, arus hubung singkat, arus bocor memerlukan jenis pengaman sendiri - sendiri. Selain jenis pengaman yang terpisah – pisah pengaman motor induksi 3 phasa di pasaran sulit dalam proses instalasinya. Untuk mengatasi masalah tersebut maka dibuat alat yang dapat mendeteksi serta mengamankan motor induksi 3 phasa dari gangguan arus. Pengaman motor induksi 3 phasa ini tidak hanya arus overload yang diamankan tetapi juga dapat mengamankan gangguan arus hubung singkat dan arus bocor. Sehingga tidak terjadi kerusakan yang lebih parah pada motor induksi 3 phasa dan tidak sampai merusak pada system jaringan serta sumber dari motor induksi 3 phasa. Pengaman motor induksi ini lebih mudah digunakan dari pada pengaman yang ada dipasaran. Untuk setting arus bisa dimasukan melalui tombol sehingga dapat diatur arus setting yang di inginkan. Selain itu dalam proses instalasi lebih mudah dibuat dan mudah dalam wiringnya. Pengaman ini dilengkapi dengan display dan lampu indikator untuk mengetahui besar arus dan jenis gangguan yang terjadi pada motor induksi 3 phasa.
V1.25.9 Standard. Setelah itu program dicompile dengan tujuan untuk mengetahui apakah program masih terdapat error atau tidak. Untuk men-download program, dilakukan dengan cara menghubungkan langsung mikrokontroler dengan PC menggunakan komunikasi pararel dan menggunakan rangkaian ISP downloader sebagai rangkaian buff. Dibawah ini merupakan system flowchart secara umum: Mulai Inisialisai I/O
INPUT SET POINT
Isc > Isp?
YA
Isp < Iol < Isp1?
Arus Hubung singkat NO
NO YA
Arus beban Lebih
NO
Ibc > sp2?
YA
Arus Bocor
NO Pemutus, Alarm dan lampu indikator ON
2. Konfigurasi Sistem
Tampilan LCD
Pada perancangan sistem pengaman motor induksi 3 phasa terhadap gangguan arus akan dibuat seperti blok digram sebagai berikut.
selesai
Gambar 2 Flowchart Program
Perangkat Keras Sumber 3 Phasa
SOFT SWITCH
2.2 Perencanaan dan Pembuatan Sensor Arus ACS712 Sensor arus ini mengunakan ACS712-20A-T yang memiliki kemampuan arus sampai 20 Ampere. Keluaran dari ACS ACS712-20A-T adalah tegangan dc ripple. Perubahan yang dihasilkan dari keluaran sensor arus ACS ACS712-20A-T ini sangat kecil sekitar 100 mV setiap perubahan 1 Ampere (sesuai data sheet).
Motor Induksi 3 Phasa
Pemutus
Sensor Arus
Perangkat Lunak
ADC
Mikrokontroler
Keypad
Alarm
LCD
Gambar 1 Blok DiagramSistem Pengaman Motor Induksi 3 PhasaTerhadap Gangguan Arus 2.1 Mikrokontroller Sistem Mikrokontroler yang direncanakan adalah menggunakan ATMega16 dengan memori program internal 512 Kbyte sehingga tidak memerlukan memori program eksternal. Mikrokontroler ATMega16 dipilih selain karena telah terdapat ADC internal di dalam chip-nya dengan tingkat kestabilan yang cukup presisi, mempunyai compiler canggih dengan bahasa pemrograman tingkat tinggi yaitu bahasa C
Gambar 3 Rangkaian Sensor Arus ACS 712 2.3 Perencanaan dan Pembuatan Arus ZCT Sensor arus bocor ini menggunakan sensor arus ZCT type TZ2L9 yang memiliki kemampuan arus sampai 100A. Keluaran ZCT type TZ2L9 ini adalah berupa tegangan AC. Perubahan yang dihasilkan dari sensor ZCT type TZ2L9 ini sangat kecil bila diparalel dengan resistor 33 ohm yaitu 40 mvsetiap perubahan 1 ampere (sesuai datasheet). Pada gambar 3.22 ini merupakan gambar dari sensor arus ZCT type TZ2L9.
sehingga lebih memudahkan programmer, dan juga karena memiliki memori, serta jumlah port yang cukup untuk digunakan dalam proyek akhir ini. Cara pengujiannya yaitu terlebih dahulu IC mikrokontroler di isi program menggunakan software CodeVisionAVR 2
3.1 Pengujian Sensor Arus ACS 712 Pengujian sensor dilakukan dengan menggunakan variac dan beban 3 phasa.Terdapat sepuluh step dalam beban, dimana setiap step bernilai 0.5A. Sensor arus ini dipasang seri terhadap beban. Untuk mengambil sinyal arus digunakan sensor arus ACS712 20A yang dipasang seri disetiap fasenya (R, S, T). Output dari sensor arus ACS712 yang nantinya masuk ADC mikrokontroler.
Gambar 4 Sensor Arus ZCT Penguatan operasional di desain dengan penguatan 200 kali, ini bertujuan agar dapat menanggulangi pembacaan sensor arus ZCT TZ2L9. Perhitungan desainya sebagai berikut: Vout=-k x Vinput Dimana :
k
1
R2 R1
1
200k 1k
Tabel.1 Data Hasil Pengujian Sensor Arus ACS712
201
Keluaran dari inverting amplifier disearahkan dengan rectifier. Hal ini bertujuan agar sinyal dari sensor arus dapat dibaca oleh ADC internal mikrokontroller. Berikut adalah simulasi perencanaan penguatan sensor arus ZCT. Output sensor ZCT dikuatkan 200 kali karena output dari sensor sangat kecil yaitu mulai dari 25mV.
Softswitch adalah pengganti relay yang digunakan untuk menyambung dan memutuskan kontaktor. Fungsi dari softswitch ini bisa meredam arus yang muncul pada saat memutus dan menyambungkan kontaktor dari drive mikrokontroller. Softswitch ini menggunakan TRIAC (BTA12) dan di drive dengan menggunkan MOC 3041 yang mendapat pulsa dari mikrokontroller. Di bawah ini adalah gambar rangkaian softswitch
1
6
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5
Sensor Phasa S (Volt) 1.564 1.615 1.665 1.716 1.767 1.816 1.867 1.920 1.970 2.019
Sensor Phasa T (Volt) 1.564 1.614 1.655 1.715 1.766 1.817 1.867 1.921 1.970 2.020
Volt/div = 1 Volt Time/div = 0.5 ms
Phasa 2 3
MOC 3041
5 39 ohm 4
Triac BTA 12
220 V ac
Gambar 7 Gelombang Keluaran Tegangan Sensor Arus
0.01 uf 330 ohm LOAD
Netral
Gambar 6 Rangkaian Softswitch 3.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Sensor phasa R (Volt) 1.565 1.615 1.665 1.716 1.767 1.817 1.867 1.920 1.969 2.019
360 Kohm
Vcc Gnd
Arus Input (A)
Pada Tabel 1 merupakan hasil pengujian sensor arus. Pengujian ini dilakukan dengan memberikan arus antara 0 sampai dengan 4.5 Ampere. Keluaran sensor arus ini berupa tegangan dc antara 1.564 V sampai dengan 2.020 V untuk arus 0 sampai dengan 4.5 Ampere. Dan gelombang keluaran tegangan sensor arus ACS 712 pada gambar 6.
Gambar 5 Rangkaian simulasi menggunakan PSIM 2.4 Perencanaan dan Pembuatan Softswitch
R in 1 Kohm
No
Pengujian Dan Analisa
Pengujian dilakukan dengan cara pengukuran dan pengambilan bentuk gelombang output dari setiap rangkaian yang dibutuhkan.
3
Untuk data pengujian adc sensor ACS712 ditunjukkan pada Tabel 2
3.3 Pengujian Softswitch Pengujian softswitch dilakukan dengan cara memberikan tegangan 5 Volt yang nantinya tegangan ini diperoleh dari sinyal tegangan yang dihasilkan dari mikrokontroller. Hasil pengujian bila diberikan tegangan 5 Volt dc maka softswitch akan bekerja dan beban akan teraliri sumber listrik dan sebaliknya. Data percobaan untuk softswitch dapat dilihat pada tabel 4.5.
Tabel 2 Data Hasil Pengujian adc Sensor ACS712 Arus ADC ADC ADC No Input sensor sensor sensor (A) R S T 319 319 1 0 320 2
0.5
330
330
329
3
1
341
341
341 349
4
1.5
350
350
5
2
359
359
359 369
6
2.5
369
368
7
3
380
380
380
8
3.5
391
391
391
9
4
400
401
401
410
410
411
10
4.5
Tabel 5 Pengujian softswitch PORTB.0 0 1 3.4
Tabel 3 Pengujian Sensor ZCT I (mA)
1
20
Output Sensor (Volt) 0.24
2
30
0.83
3
40
1.42
4
50
2.01
5
60
2.59
6
70
3.18
7
80
3.77
Tabel 4 Pengujian ADC sensor ZCT NO I (mA) ADC 20
50
2
30
170
3
40
290
4
50
410
5
60
530
6
70
650
7
80
770
On Off
Pengujian Arus Hubung Singkat
Tabel 6 DataPengujian Gangguan Arus Hubung Singkat
Untuk data pengujian ADC sensor ZCT ditunjukkan pada Tabel 4
1
Kontaktor
Untuk menguji gangguan short circuit atau hubung singkat digunakan beban 3 phasa. Arus hubung singkat ini mempunyai nilai yang sangat besar. Oleh karena itu, setting point arus hubung singkat harus lebih besar dari arus beban lebih. Arus hubung singkat ini memiliki karakteristik insantanteous atau tidak ada jeda waktu untuk memutuskan system. Jika nilai arus melebihi setting point yang diinputkan, maka relay akan ON dan kontaktor langsung trip, tanpa jeda waktu. Berikut ini adalah contoh listing program dari gangguan arus short circuit atau arus hubung singkat.Berikut adalah tabel hasil pengujian gangguan arus hubung singkat.
3.2 Pengujian Sensor ZCT Pengujian Sensor ZCT dilakukan dengan menggunakan variac dan beban 1 phasa. Terdapat 7 step dalam beban, dimana setiap step bernilai 10 mA. Sensor arus ini dipasang dengan cara melewatkan tegangan sumber pada lubang sensor.
NO
Tegangan Input Optocoupler 5 volt 0 volt
Arus Set Point
Arus yang lewat (A)
Pemutus Daya
4 4 4 4 5 5 5 5
3 4 5 6 4 5 6 7
Tidak trip Trip Trip Trip Tidak trip Trip Trip Trip
Waktu trip (s) 0 0 0 0 0 0
Dari tabel 6 dapat dilihat bahwa tidak ada jeda waktu untuk melakukan pemutusan pada pemutus daya. Semuanya dieksekusi tanpa delay waktu jika melebihi setting point. Setiap arus yang lewat melebihi setting point yang dimasukkan, maka sistem langsung trip tanpa jeda waktu. Besarnya nilai arus hubung singkat yang mengalir akan menjadi 5-10 kali dari arus nominalnya. Dari data dan analisa Ini membuktikan bahwa arus short circuit memiliki karakteristik sifat instantaneous. Dengan setting point 3 A, maka system akan trip jika arus yang lewat melebihi 3 A. Pada gambar 4.10 menunjukkan tampilan LCD jika terjadi gangguan hubung singkat sebesar 3.00A. 4
Grafik Inverse Time 40
Gambar 8 Tampilan Gangguan Arus Hubung
t(s) 20
Singkat 3.5
0
Pengujian Arus Beban Lebih
3.65 4.05 4.55 4.95
Berbeda dengan arus hubung singkat, arus beban lebih ini mempunyai jeda waktu untuk melakukan trip. Arus beban lebih ini memiliki karakteristik normali inverse, yaitu semakin besar arus yang mengalir semakin pendek waktu untuk trip. Untuk membedakan arus yang mengalir ke beban arus hubung singkat atau arus beban lebih adalah dengan ada tidaknya delay waktu. Jika tidak ada jeda waktu, maka arus tersebut arus hubung singkat, sebaliknya bila ada tundaan waktu, maka arus tersebut adalah arus beban lebih. Serta setting point dari arus beban lebih lebih kecil dibanding arus hubung singkat. Berikut adalah tabel data pengujian dari tundaan waktu arus beban lebih. dimana semakin besar arus semakin cepat pula waktu untuk trip.
Arus Gambar 9 Grafik invers time
Tabel 9 Hasil Pengujian Waktu Trip I Setting 3 Ampere Pada Alat Sistem Pengaman Terhadap Overload Setting Point Arus Beban Lebih (A) 3 3 3 3
Tabel 7 Data Pengujian Gangguan Arus Beban Lebih dengan setting arus 3 ampere
Setting Point Arus Beban Lebih (A)
Nilai Arus (A) Alat ukur Display Analog LCD
Waktu trip (s)
3
3
3.00
-
3
3.6
3.65
35.62
3
4
4.05
23.25
3
4.5
4.55
16.44
3
5
4.95
13.91
Tabel 8 Data Pengujian Gangguan Arus Beban Lebihdengan setting arus 4 ampere
Setting Point Arus Beban Lebih (A)
Nilai Arus (A) Alat Ukur Display Analog LCD
4
4
4.00
-
4
4.9
4.95
32.47
4
5.1
5.05
29.96
3.6 4 4.5 5
Waktu Untuk Trip (s) Trip Trip Alat teori
% error
35.62 23.25 16.44 13.91
7.04 4.16 4.36 2.05
38.32 24.26 17.19 13.63
Pada pengujian sistem pengaman arus beban lebih dengan arus setting 3 Ampere dilakukan dengan cara memberi arus beban yang melebihi dari arus setting yaitu antara 3 Ampere sampai 5 Ampere. Dari perbandingan antara arus beban dengan arus setting maka terdapat pula perbedaan waktu trip. Pada pengujian ini terdapat perbedaan antara waktu trip alat dengan waktu trip secara perhitungan sehingga terdapat prosentase error antara 0 % sampai 7.04 % dengan rata–rata prosentase error 4,4 % untuk arus setting 3 Ampere. 3.6
Waktu trip (s)
Arus yang lewat(A)
Pengujian Arus Bocor
Arus bocor memiliki karakteristik definite time, yaitu dengan jeda waktu yang ditentukan. Dari tabel 11 bisa dilihat bahwa semua arus yang lewat melebihi arus setting point.,maka system akan trip dengan jeda waktu yang ditentukan. Berikut adalah tabel data pengujian dari tundaan waktu arus bocor. dimana waktu untuk trip pada arus bocor ini tergantung dari besarnya arus yang melewati pada sensor.
Dari Tabel 8 dapat dilihat bahwa semakin besar arus yang lewat dan melebihi setting point, maka semakin cepat pula tundaan waktu yang terjadi. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar grafik 7
5
Tabel 11 Pengujian Gangguan Arus Bocor 35mA
Setting Point Arus Bocor (mA) 35
Nilai Arus (mA) Display Alat Ukur LCD Analog
pengujian didapatkan prosentase error rata – rata adalah 4,4% sehingga ketepatan waktu rata – rata adalah 95,6 % untuk pengaman arus beban lebih. 2. Arus hubung singkat memiliki jeda waktu 0 detik untuk memutuskan sistem, sedangkan arus beban lebih mengikuti karakteristik normaly inverse dan arus bocor mengikuti karakteristik definite time dan moderately inverse. 3. Pada arus bocor, lama waktu atau jeda waktu untuk memutuskan system pada saat I/Is (arus gangguan / arus setting) diantara 1 sampai 1.2 maka pemutus akan trip dengan waktu 2 detik dan pada saat I/Is (arus gangguan / arus setting) lebih dari 1.2 maka pemutus akan trip sesuai karakteristik moderately inverse.
Waktu trip (s)
30
30.35
-
35
35
35.50
2
35
40
41.00
2
35
45
45.15
1.04
35
50
50.10
0.76
35
55
55.05
0.61
35
60
60.20
0.51
35
65
65.05
0.44
5 Daftar Pustaka Tabel 12 Pengujian Gangguan Arus Bocor 40 mA
Setting Point Arus Bocor (mA) 40
Nilai Arus (mA) Display Alat Ukur LCD Analog
Waktu trip (s)
[2]
[3]
30
30.11
-
40
40
40.05
2
40
45
46.00
2
40
50
50.10
1.21
40
55
55.20
0.84
40
60
61.05
0.64
65
64.90
0.57
40
[1]
[4]
[5]
[6] [7]
Dari table 12 dapat dilihat bahwa semakin besar arus yang lewat dan melebihi setting point, maka semakin cepat pula tundaan waktu yang terjadi. 4
Kesimpulan
Setelah dilakukan proses perencanaan, pembuatan dan pengujian alat serta dari data yang didapat dari perencanaan dan pembuatan sistem pengaman motor induksi 3 phasa terhadap gangguan arus didapat: 1. Dari pengujian sistem pengaman terdapat presentase error pada pengaman arus beban lebih. Pada saat arus beban lebih disetting 3 ampere dan arus gangguan beban lebih sebesar 5 ampere didapatkan lama waktu untuk memutuskan daya adalah 13,91 detik. Sedangkan lama waktu secara teori yang diperlukan 13.63 detik. Maka dari data 6
Afif Amrulloh,”Rancang bangun alat pendeteksi Jenis Gangguan Pada Motor Induksi 3 Phase Berbasis Mikrokontroller”, PENS-ITS, 2010. Ario Makmur,”Rancang bangun alat pendeteksi Jenis Gangguan Pada Motor Induksi 3 Phase Berbasis Mikrokontroller”, PENS-ITS, 2010. Efendi,”Pengujian Alat Proteksi Motor Induksi 3 Phasa Terhadap Ketidakseimbangan Sumber ”, Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang, 2008. I Wayan Artha Wijaya,”Pendeteksian Gangguan Kumparan Stator Motor Serempak Magnet Permanen Menggunakan Metode Modified Anfis”, Teknik Elektro Udayana, 2006. Lucky Pradigta, “Motor induksi 3 phase terhadap gangguan unbalance voltage dan overload”, PENS – ITS, 2008. Heri Andrianto, “Pemrogaman Mikrokontroller AVR AT MEGA 16”, Informatika, Bandung, 2008 Datasheet of OVER CURRENT PROTECTION RELAYS,CKR Series.
