RANCANG BANGUN SISTEM PROTEKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA TERHADAP GANGGUAN ARUS LEBIH DAN SUHU BERBASIS MIKROKONTROLER AT Mega8535
1
Alek Susi Putra1 , Didik Notosudjono2, Dede Suhendi.3 Program Studi Elektro Fakultas Teknik Universitas Pakuan 2 Jl. Pakuan P.O. Box 452 Bogor e-mail :
[email protected]
ABSTRACT Motor induksi tiga phasa banyak digunakan dalam industri baik industri kecil maupun industri besar. Motor induksi tiga phasa sering mengalami gangguan, terutama gangguan arus lebih. Gangguan arus lebih dapat menyababkan panas pada motor induksi tiga phasa, jaringan dan sisi sumbernya. Apabila gangguan arus lebih pada motor induksi tiga phasa ini tidak segera diatasi maka akan menyebabkan motor induksi akan terbakar, sehingga dapat menyebabkan produksi menjadi berhenti. Berdasarkan permasalah tersebut, pada tulisan ini diulas mengenai suatu sistem yang dapat mendeteksi serta mengamankan motor induksi tiga phasa terhadap gangguan arus lebih dan suhu. Perancangan alat ini menggabungkan antara peralatan Mikrokontroler ATmega8535 dengan peralatan elektronik dan elektromagnetik, sehingga rangkaian mikrokontor dapat mengendalikan arus lebih dan suhu pada motor induksi tiga phasa. Untuk menghindari lonjakan arus pada saat starting motor, maka penulias menggunakan soft starting. proteksi arus lebih dan suhu bekerja setelah soft starting berjalan. Dari hasil pengujian proteksi motor induksi tiga phasa terhadap arus lebih dan suhu maka lonjakan arus pada soft starting mencapai 0,812A dan arus nominal soft starting adalah 0,162A, sedangkan arus pada saat starting hubung Δ arus lonjakan mencapai 2,305A dan arus nominal 0,165A dan hubung Y sebesar 1,841A dan arus nominalnya 0,364A. Arus pada memplet motor sebesar 4,5A, kerena kondisi motor sudah berumur maka sensor arus ini diseting sebesar 0,8A. Arus nominal pada motor ini adalah sebesar 0,16A, kalau arus lebih besar atau samadengan 0,8A maka proteksi akan bekerja untuk mematikan motor. Dari kelas motor temperatur motor sebesar 130ºC. Suhu rata-rata yang di peroleh dari data percobaan adalah sebesar 32ºC. Suhu motor ini tidak mencapai 130ºC, jadi suhu motor diseting pada proteksi ini sebesar 33ºC. Kalau suhu motor 32,5ºC maka proteksi akan bekerja untuk mematikan motor. Pemrograman pada mikrokontroler ini sangat berperan penting untuk menjalankan alat proteksi arus lebih dan suhu pada motor induksi 3 phasa. Kata –kata Kunci:
1.
Mikrokontroler ATMega8535, Proteksi Arus Lebih dan Suhu, Motor Induksi 3 Phasa, Soft Satarting.
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Motor induksi merupakan motor yang paling banyak kita jumpai dalam industri. Di berbagai perindustrian pada saat ini banyak sekali penggunaan mesin-mesin listrik seperti motor induksi dengan sumber tiga phasa ataupun satu phasa yang digunakan untuk membantu proses produksi di suatu pabrik.
Motor induksi tiga phasa sering mengalami gangguan arus lebih dan suhu yang di sebabkan oleh sumber tegangan maupun dari motor itu sendiri. Gangguan pada motor induksi tiga phasa ini mempunyai dampak yang sangat berbahaya bila dibiarkan secara terus menerus. Gangguan ini bisa menimbulkan panas pada motor induksi tiga phasa sehingga menyebabkan motor induksi tiga phasa akan terbakar. Selain itu gangguan arus lebih ini juga dapat merusak pada jaringan dan sisi sumbernya apabila tidak diamankan.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 1
Selama ini, jenis pengaman motor induksi tiga phasa telah banyak diproduksi atau dijual di pasaran, akan tetapi pengaman yang dijual di pasaran lebih spesifik pada jenis gangguan tertentu saja. Misalnya untuk pengaman arus overload. Selain jenis pengaman yang terpisah-pisah pengaman motor induksi tiga phasa di pasaran sulit dalam proses instalasinya. Untuk mengatasi masalah tersebut maka dibuat alat yang dapat mendeteksi serta mengamankan motor induksi tiga phasa dari gangguan arus lebih dan suhu. Berdasarkan uraian di atas maka dalam penelitian ini akan dirancang “Proteksi Motor Induksi Tiga Phasa Terhadap Gangguan Arus Lebih dan Suhu Berbasis Mikrokontroler ATMega8535”. 1.2. Maksud dan Tujuan Perancangan alat ini bertujuan untuk memahami prinsip kerja dari proteksi motor induksi tiga phasa terhadap gangguan arus lebih dan suhu yang dikontrol oleh mikrokontroler ATMega8535 dan didukung oleh peralatan elektronik dasar. 2.
LANDASAN PUSTAKA
2.1. Mikrokontroler ATMega8535 ATMega8535 menggunakan teknologi RISC (Reduce Instruction Set Computing) dimana program berjalan lebih cepat karena hanya membutuhkan satu siklus clock untuk mengeksekusi satu instruksi program. Secara umum, AVR dapat dikelompokkan menjadi 4 kelas, yaitu kelas ATtiny, keluarga AT90Sxx, keluarga ATMega, dan AT86RFxx. Pada dasarnya yang membedakan masing-masing kelas adalah memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan, mereka bisa dikatakan hampir sama. ATMega8535 merupakan tipe AVR yang telah dilengkapi dengan 8 saluran ADC internal dengan fidelitas 10 bit. Dalam mode operasinya, ADC ATMega8535 dapat dikonfigurasi, baik secara single ended input maupun differential input. Selain itu, ADC ATMega8535 memiliki konfigurasi waktu, tegangan referensi, mode operasi, dan kemampuan filter derau yang amat fleksibel, sehingga dengan mudah disesuaikan dengan kebutuhan ADC itu sendiri. ATMega8535 memiliki 3 modul timer yang terdiri dari 2 buah timer/counter 8 bit dan 1 buah timer/counter 16 bit. Ketiga modul
timer/counter ini dapat diatur dalam mode yang berbeda secara individu dan tidak saling mempengaruhi satu sama lain. Selain itu, semua timer/counter juga dapat difungsikan sebagai sumber interupsi. Masing-masing timer/counter ini memiliki register tertentu yang digunakan untuk mengatur mode dan cara kerjanya. 2.2. Sensor Arus ACS712 ACS712-5A-T merupakan suatu IC terpaket yang mana berguna untuk arus menggantikan trafo arus yang relative besar dalam hal ukuran. Pada prinsipnya ACS712-5A-T sama dengan sensor efek hal lainnya yaitu dengan memanfaatkan medan magnet di sekitar arus kemudian dikonversi menjadi tegangan yang linier dengan perubahan arus. Nilai veriable dari sensor ini merupakan input untuk mikrokontroler yang kemudian diolah. Keluaran ACS712-5A-T masih berupa sinyal tegangan AC, agar dapat diolah oleh mikrokontroler maka sinyal tegangan AC ini di searahkan oleh rangkaian penyearah. Cara kerja sensor arus ACS712-5A-T adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat di dalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. 2.3. Sensor Suhu LM35 LM35 adalah komponen sensor suhu berukuran kecil seperti transistor. Untuk mendeteksi suhu digunakan sebuah sensor suhu LM35 yang dapat dikalibrasikan langsung dalam, LM35 ini difungsikan sebagai basic temperature. IC LM3535 sebagai sensor suhu yang teliti dan terkemas dalam bentuk Integrated Circuit (IC), dimana output tegangan keluaran sangat linear berpadanan dengan perubahan suhu. Sensor ini berfungsi sebagai pengubah dari besaran fisik suhu ke basaran tegangan yang memiliki koefision sebesar 10 mV/˚C yang berarti bahwa kenaikan suhu 1˚C maka akan menjadi kenaikan tegangan sebesar 10mV. 2.4. Motor Induksi Tiga Phasa Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik (AC) yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Motor induksi dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu dengan kumparan setator sebagai kumparan primer yang diam,
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 2
sedangkan kumparan rotor sebagai kumparan sekunder yang berputar. Kumparan rotor pada motor induksi ini adalah rangkaian tertutup, maka tegangan induksi akan menghasilkan arus (I). Untuk menghitung arus nominal motor induksi tiga phasa dapat digunakan rumus:
Pin 3 V I n cos ..…[1]
Dalam perancangan alat tugas akhir yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Proteksi Motor Induksi Tiga Phasa Terhadap Gangguan Arus Lebih Dan Suhu Berbasis Mikrokontroller ATMega8535” dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut:
= Tegangan (Volt)
a. Mengumpulkan data spesifikasi motor dan membuat sketsa gambar motor induksi. b. Membuat rangkaian Perancanga Sistem proteksi arus lebih dan suhu pada motor induksi 3 phasa dengan soft starting sebagai pengasutannya. c. Melakukan instalasi sistem proteksi arus lebih dan suhu serta soft starting pada motor induksi 3 phasa serta. d. Melakukan pengujian dari keseluruhan rangkaian sistem proteksi motor induksi tiga phasa terhadap gangguan arus lebih dan suhu.
= Factor Daya
3.2. Perancangan Sistem
…..............[2] Keterangan: = Arus Nominal Motor Induksi 3 Phasa (Ampere) = Arus Peralatan (Ampere) = Daya Masuk Peralatan (Watt)
2.5. Soft Starting Soft starting adalah adalah suatu cara penurunan tegangan starting dari motor induksi AC. Soft starting bertujuan untuk mendapatkan start dan stop yang terkendali dan terproteksi secara sehalus mungkin dan lalu mencapai kecepatan nominal yang konstan pada aplikasi dengan torsi awal start rendah. Fungsi soft starting adalah sebagai pengatur keseimbanagan antar torsi motor dan torsi hambat. Motor induksi saat dihidupkan secara langsung akan menarik arus 5 sampai 7 kali dari arus beban penuh da hanya menghasilkan torsi1,5 sampai 2,5 kali torsi beban penuh. Arus mula yang besar ini dapat mengakibatkan droptegangan pada saluran sehingga akan mengganggu peralatan lain yang dihubungkan pada saluran yang sama. Untuk motor yang berdaya besar tentu arus starting juga akan semakin besar, sehingga untuk motor dengan daya di atas 30 satu 50 hp tidak dianjurkan menggunakan motor secara langsung. 3.
3.1. Metode Perancangan
IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN SISTEM PROTEKSI MOTOR INDUKSI TERHADAP GANGGUAN ARUS LEBIH DAN SUHU
Untuk mempermudah memahami prinsip kerja dari “Rancang Bangun Sistem Proteksi Motor Induksi Tiga Phasa Terhadap Gangguan Arus Lebih Dan Suhu Berbasis Mikrokontroller ATMega8535”, maka di buat blok diagram sistem yang dapat dilihat pada gambar 3.1 di bawah ini: Sumber 3 phasa
Kontaktor
Soft Start
Motor
Sensor Arus Relay
LCD
Mikrokontroler ATMega8535
Sensor Suhu
Gambar 1 Blok Diagram Proteksi Motor Induksi 3 Phasa terhadap Gangguan Arus Lebih dan Suhu Sumber: Author
3.2.1. Perancangan Sistem Minimum Mikrokontroler ATMega8535 Pada umumnya, suatu mikrokontoler tidak dapat berdiri sendiri mikrokontroler membutuhkan elemen pendukung selain (power supply) untuk berfungsi: Kristal Oscillator (XTAL), dan Rangkaian RESET, 2 elemen tersebut merupakan syarat utama terbentuknya sistem minimum. Berikut gambar sistem mininum dari mikrokontroler ATMega8535.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 3
3.2.3. Perancangan Rangkaian Crossing Detector
Gambar 2 Sistem Minimum ATMega8535 Sumber: Author
3.2.1 Perancangan Sensor Arus ACS712 Sensor arus ini mengunakan ACS712. Tegangan phasa di alirkan ke modul ACS712, modul ACS akan mengkontruksi besaran arus yang melewati phasa menjadi tegangan sebesar 100 mV/ A (sesuai data shet), menjadi input ADC pada ATMega8535. Dalam ATMega8535 dilakukan setting pembatasan arus yang diizinkan untuk menjalanakan motor induksi 3 phasa.
Zero
Rangkaian zero crossing detector berfungsi untuk mengetahui titik nol pada tegangan jala-jala listrik. Zero Crossing adalah rangkaian yang digunakan untuk mendeteksi gelombang sinus AC 220 volt saat meliwati titik tegangan nol. Seberangan titik nol yang dideteksi adalah peralihan dari positif menuju negatif dan peralihan dari negatif menuju positif. Seberangan tersebut yang menjadi acuan yang digunakan untuk pemberian waktu tunda untuk pemicuan dari TRIAC. Rangkaian zero crossing detector ini terdapat tiga buah, yang masing-masing mewakili satu phasa.
Gambar 5 Rangkaian Zero Crossing Detector Sumber: Author
3.2.4. Perancangan Soft Starting Gambar 3 Rangkain Sensor Arus ACS712 Sumber: Author
3.2.2. Perancangan Sensor Suhu LM35 Sensor suhu menggunakan LM35 yang dapat di kalibrasikan langsung dalam. LM35 difungsikan sebagai membaca temperatur sensor. Tegangan fasa di alirkan ke modul LM35. Modul ACS akan mengkonfersi temperature yang melewati fasa menjadikan tegangan sehingga menjdi input ADC ATMega8535.
Soft Starting adalah salah satu metode pengasutan motor induksi yang dapat memperkecil arus pada saat awal starting. Soft Starting merupakan metode pengasutan motor induksi dengan mengatur tegangan.
Gambar 4 Rangkaian Sensor Suhu LM35
Gambar 6 Rangkaian Soft Starting
Sumber: Author
Sumber: Author
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 4
4.
PENGUJIA DAN ANALISA
4.1.1. Pengujian Rangkaian Mikrokon troler Pengujian dilakukan untuk mengetahui sistem minimum bekerja dengan baik, maka diadakan pengetesan pada jalur-jalur port yang dimiliki oleh Mikrokontroler ATMega8535. Tabel 1 Data Hasil Pengujian Rangkaian Mikrokontroler Objek Yang Diukur
Hasil Pengukuran Output (V)
Port A
4,89
Port B
4,89
Port C
4,89
Port D Sumber: Author
4,89
4.1.3. Pengujian Soft Starting Motor Starting dalam rangkaian ini menggunakan soft Starting. Penggunaan starting ini untuk menurunkan tegangan input pada rotor agar arus starting menjadi lebih kecil. Untuk itu dilakukan percobaan soft starting supaya arus yang dihasilkan dapat diketahui. Tabel 2 Data Hasil Pengujian Soft Starting Waktu (Detrik) 0 1 2 3 4 5 Sumber: Author
I Soft Start (A) 0 0.812 0.163 0.162 0.162 0.162
Dari hasil yang diperoleh dari semua port adalah sebesar 4,89VDC, sehingga bisa dipastikan sistem minimum dapat bekerja degan baik kerena mikrokontroler memerlukan daya sebesar 4.5-5.5 VDC. 4.1.2. Pengujian Rangkaian Zero Crossing Detector Rangkaian zero crossing detector berfungsi untuk mengetahui titik nol dari phasa yang digunakan untuk acuan sinyal pemicu dari triac. Karena motor induksi yang digunakan tiga fasa maka rangkaian zero cros detector juga berjumlah untuk tiga buah untuk masing-masing fasa. Rangkaian zero cros detector dihubungkan pada PORTD 1, PORTD 0, dan PORTD 4.
Gambar 8 Grafik Arus Starting Pada Soft Starting Sumber: Author
Dari graik soft starting di atas, dapat diketahui bahwa arus pengasutan awal soft starting yang di proleh adalah 0,812 Amper, sedangkan arus nominalnya 0,162 Amper. Pada pengasutan langsung yang dihubung delta (Δ) dan wye (Y) pada belitan statornya dalam kondisi tidak berbeban, didapatkan data sebagai berikut: Tabel 3 Data Hasil Pengujian Starting Langsung
Gambar 7 Pegujian Rangkaian Zero Crossing Detector Sumber: Author
Waktu (Detrik) I Start Δ (A) 0 0 1 2,305 2 0,166 3 0,165 4 0,165 5 0,165 Sumber: Author
I Start Y (A) 0 1,841 0,362 0,364 0,364 0,364
Dari hasil pengujian Zero Crossing Detector, time/div 0,5ms dan sati periode sebanyak 4 kotak dan frekuensi yang dihasilkan sebesar 100Hz.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 5
Table 5 Data Hasil Pengujian Sensor Suhu
Gambar 9 Grafik Perbandingan Arus Soft Starting dan DOL Sumber: Author
4.1.4. Pengujian Arus Motor Pengujian proteksi motor ini bertujuan untuk mengetahui apakah sistem proteksi arus lebih dan suhu ini bekerja sesuai dengan setingan pada program mikrokontroler. Sensor ini bekerja setelah soft starting berjalan normal. Arus pada nemplet motor sebesar 4,5A. Table. 4 Data Hasil Pengujian Sensor Arus Phasa R
Arus 0,162
Proteksi Off
R S
0,8 0,162
On Off
S T
0,8 0,162
On Off
T 0,8 Sumber: Author
On
Keterangan Proteksi tidak Bekerja Proteksi Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Bekerja
Dari data di atas, arus motor yang didapat adalah sebesar 1,62A. Sedangkan arus pada nemplet motor adalah 4,5A. Kerena arus motor yang di peroleh dari data adalah sebesar 0,162A, maka arus yang di seting pada program proteksi di arus lebih ini sebesar 0,8A. Ketika arus motor samadengan atau lebih dari 0,8A maka proteksi akan bekerja. Kalau program diseting 4,5A maka alat ini belum berjalan sesuai dengan keinginan. 4.1.5. Pengukuran Suhu Motor Pengujian sensor suhu pada motor ini bertujuan untuk mengetahui temperature motor. Dari kelas motor ini, temperatur pada motor sebesar 130°C.
Waktu (detik) 1
Suhu Motor (°C) 32
2
32,2
3
32,3
4
32,4
5
32,4
6 33 Sumber: Author
Keterengan Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Tidak Bekerja Proteksi Bekerja
Dari data di atas rata-rata suhu motor yang diperoleh sebesar 32°C, sehingga alat proteksi ini diseting sebesar 33°C, karena apabila di seting 130°C maka alat ini belum berjalan sesuai dengan keinginan. 5.
KESIMPULAN
Setelah dilakukan proses perancangan, pembuatan dan pengujian alat serta dari data yang didapat dari alat pengaman motor induksi 3 phasa terhadap gangguan arus lebih dan suhu dapat disimpulkan sebagai berikut: 1) Lonjakan arus soft starting mencapai 0,812A dan arus nominal soft starting adalah 0,162A, sedangkan arus pada saat starting hubung Δ arus lonjakan mencapai 2,305A dan arus nominal 0,165A dan hubung Y sebesar 1,841A dan arus nominalnya 0,364A. 2) Arus pada nemplet motor sebesar 4,5A, kerena kondisi motor sudah berumur maka sensor arus ini diseting sebesar 0,8A. Arus nominal pada motor ini adalah sebesar 0,16A, kalau arus lebih besar atau samadengan 0,8A maka proteksi akan bekerja untuk mematikan motor. 3) Dari kelas motor temperatur motor sebesar 130ºC. Suhu rata-rata yang di peroleh dari data percobaan adalah sebesar 32ºC. Suhu motor ini tidak mencapai 130ºC, jadi suhu motor diseting pada proteksi ini sebesar 33ºC. Kalau suhu motor 32,5ºC maka proteksi akan bekerja untuk mematikan motor. 4) Pemrograman pada mikrokontroler ini sangat berperan penting untuk menjalankan alat proteksi arus lebih dan suhu pada motor induksi 3 phasa.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 6
8.
Arindy, Radita. 2013, Penggunaan dan Pengaturan Motor Listrik. Graha Ilmu. Yogyakarta.2013.
Zuhal,. 1977, ITB. Jakarta..
9.
Bejo, Agus. C dan AVR, 2008, Rahasia Kemudahan Bahasa C dalam Mikrokontroler ATMega8535. Graha Ilmu. Yogyakarta.2008.
Zuhal,.1988, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Gramedia Pustaka Utama. Jakarta..
10. .................... Data Sheet LCD-ModuleCob-16x4-GVLCM1604B-12428
PUSTAKA 1.
2.
3.
Budiharto, Widodo. 2008, Panduan Praktikum Mikrokontroler AVR ATmega16. PT Elex Media Kompetindo. Jakarta. .
4.
Efvy Zamidra Zam. Medah, 2002, menguasai elktronika. Indah. Surabaya. .
5. 6.
7.
Owen Bishop. 2002, Dasar-dasar elektronik. Erlangga. Jakarta. . Petruzella. Farank D., 1996, Elektronika Industri. English Edition Copyright. Yogyakarta.. Zuhal, 2004, Prinsip Elektroteknik. Gramedia Utama. Jakarta..
Dasar Pustaka
Dasar Tenaga Listrik.
11. http://jokiandi36.blogspot.com/2011/11/ karakteristik-kerja-sensor-arus-acs712.html
Penulis: 1) Alek Susi Putra., ST, Alumni (2013) Program Studi Teknik Elektro FT- Unpak. 2) Prof. Dr. Ir. H. Didik Notosudjono, Msc. Staf Dosen Program Studi Teknik Elektro FT-Unpak. 3) Ir.Dede Suhendi,MT. Staf Dosen Program Studi Teknik Elektro FT-Unpak.
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik-Universitas Pakuan
Page 7
