Makalah Tugas Akhir Pengaturan dan Sinkronisasi Kecepatan Dua Buah Motor Induksi Satu Fasadengan Inverter yang Berbasiskan Mikrokontroller AT89C51 Oleh : Andy Nugroho Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Abstrak Peralatan-peralatanindustri yangmenggunakanmotorinduksisatufasasebagaipenggeraknyasuatusaat akanmengalamikeadaandimanadibutuhkanbeberapabuahmotorinduksiyangmampuberjalansecaraserempak dan tepat berada pada kecepatan yang dibutuhkan oleh peralatan industri tersebut. , seperti pada industri teksti danplastik.SebuahInverterdenganAT89C51yangdigunakanuntukmengaturbesarnyawaktupemicuanpada MOSFETuntuksuplaidayamotorinduksisatufasadengansistemkalangtertutupinidibuatuntukmengatasi masalah tersebut. Alat ini dibuat untuk mengatur frekuensi pada keluaran InverterJembatan Penuh.. Sebagai obyek percobaan digunakan motor induksi satu fasa bermerek Toshiba berkapasitas 15 Wattyang terdapatdiLaboratoriumKonversiEnergidanSistemTenagaListrikTeknikElektroUniversitasDiponegoro. Setelah melewati pengujian, alat dapat bekerja pada rpm 1000 1800 rpm sesuai dengan settingan yang diinginkan danmampumelakukanoperasikalangtertutupuntukmenjagakecepatanmotoragarkonstanpadarpmreferensi dengan range 0 5 rpm.. I. Pendahuluan 1.1 Latar Belakang Masalah Penggunaan motorACuntuk tenaga penggerak darisistemkelistrikandanperalatandiindustri untuksaat masihsangatdibutuhkan.Salahsatudari beberapajenismotorACyangseringdigunakan adalahmotorinduksisatufasa.Halinidisebabkan karenamotorinduksimempunyaikontruksiyang sederhanadanperubahankecepatansaat pembebanantidakterlalubesarsehinggamotor induksirelatiflebihsesuaiuntukkeperluansuatu sistem dan peralatan di industri. Padaaplikasitertentu,penggunaanmotor induksipadasistemdanperalatanindustrimembutuhkankecepatantertentuyangkonstan. Untukkeperluaninidiperlukansuatupengaturan kecepatanmotorinduksiyangotomatis.Pada penulisanTugasAkhirinidibuatsuatumetode perancanganpengaturandansinkronisasikecepatan duabuahmotorinduksisatufasadenganvariabel frekuensidalamlooptertutup.Variabelfrekuensi diperolehdariinvertersatufasayangbesarnya tergantungdaripensaklaranMOSFETyang berbentukgelombangmodulasilebarpulsayang seragam ( UPWM ). 1.2Tujuan Tujuanyanghendakdicapaipadapembuatan tugas akhir ini adalah : -Membuatrancanganinverteryangdapat mengaturdanmensinkronkankecepatandua buahmotorinduksisatufasadenganberbasis pada mikrokontroller AT89C51. 1.3Batasan MasalahKarenakompleknyapermasalahanyangadapada pembuatantugasakhirini,makaperluadanyabatasan-batasanmasalahgunamenyederhanakanpermasalahan, batasan masalahnya yaitu : 1.Perancangan peralatan pengaturan alat dan sinkronisasi kecepatan dua buah motor induksi satu fasa ini berupa pengaturanfrekuensipadainverteryangdiaturoleh mikrokontroller AT89C51 dalam loop tertutup. 2.JumlahMikrokontrollerAT89C51yangdigunakan adalahempatbuahdengankomunikasidatasecara paralel. 3.Sinyalkontrolyangdigunakanuntukmengatur frekuensipadainverterberupagelombangdengan modulasilebarpulsayangseragamatauUniform PulseWithModulation(UPWM)dengan limapulsa dalam setengah periode. 4.Jumlahmotorinduksisatufasayangdiaturdan disinkronkan kecepatannya adalah dua buah. 5.Diharapkanduamotorinduksiyangdipakaiberputar serempakatauberputardengankecepatanyangsama serta dapat diatur kecepatannya sesuai kebutuhan.6.Sistempengaturanyangdigunakanpadasaatkerja kalangtertutupdibuatsistempengaturansederhana menggunakanpendekatanproporsional(ditabelkan), dimana tanggapan yang diberikan atas simpangan yang terjadiditentukandarihasilujicoba,tidakdari perhitungan matematis. II.Dasar Teori 2.1Motor induksi Kecepatanmotorinduksisatufasasangatdipengaruhi oleh banyaknya kutub pada statornya dan frekuensi sumber tegangan yangdirumuskan sebagai berikut : pfns. 120=..............( 2.1 ) dimana: ns = kecepatan sinkron (rpm) f = frekuensi (Hz) p= Jumlah kutub Padakenyataanyaperputaranrotortidaksama dengankecepatansinkronnya,perbedaankecepatan ini disebut dengan Slip (s) . Slip dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut ssnn ns=( 2.2 ) dengan : s = slip =snKecepatan Sinkron[putaran/menit] n = Kecepatan rotor 2.2Inverter Jempatan Penuh ( Full Bridge) SebuahinverterJempatanPenuh(FullBridge) ditunjukkanolehgambar2.1a.Invertertersebut terdiri atas empat chopper. Apabila transistor Q1 dan transistorQ2diaktifkansecarabersamaan,maka tegangan masukan Vs akan melintasi beban. Apabila transistorQ3danQ4diaktifkan,secarabersamaan teganganyangmelintasibebanakanterbalikyaitu Vs.Bentukgelombangtegangankeluaranditunjukkan oleh gambar 2.1b. Teganganrmskeluarandapatdiperolehdengan menggunakan persamaan sTosooV VTV =||.|

\|=}2 / 122 /02.............( 2.3 )dantegangankeluaransesaatdapatdiperoleh dengan menggunakan deret Fourier ==,... 5 , 3 , 14nsonVVsin nt( 2.4 ) (a) Rangkaian (b) Bentuk gelombang (c) Arus beban dengan beban induktif Gambar 2.1 Inverter jembatan penuh satu fasa 2.3AT89C51 Mikrokontroler ini memiliki spesifikasi sebagai berikut :memiliki4kbytePEROM(ProgrammableandErasable ReadOnlyMemory)256x8bitinternalRAM,32pini/o yang dapat diprogram, 2 buah Timer/Counter 16 bit, dan 5 sumber interupsi. Mikrokontrolerinidigunakansebagaikontroldan pengolah data untuk menjalankan keseluruhan alat. III.Perancangan dan Pembuatan Alat 3.1. Perancangan Sistem Dibuatsebuahdiagramkerjaperangkatkerasyang menggambarkanalirankontroldanalirandatapadaalat yang dibuat, diagram kerja perangkat keras terdapat gambar 3.1.MikrokontrollerAT89C51Inverter satu fasa Penyearah MIsolator danDriverIsolator danDriverInverter satu fasa Penyearah MSupply AC satu fasa DCSupply AC satu fasa DCRangkaian kontrol Gambar 3.1 Skema rangkaian sinkronisasi kecepatan motor induksi satu fasa berbasis mikrokontroller. 3.2Motor Induksi Spesifikasimotorinduksisatufasayangdigunakan dalam perancangan. Daya: 15 Watt Arus: 0,16 Ampere Tegangan: 220 Volt Frekuensi: 50 Hz Resistansi: 322 ohm Induktansi: 0,321 H 3.3Mikrokontroller Dalamperancangandigunakanempatbuahsistem minimummikrokontrollerAT89C51yangkomunikasi datanyadihubungkansecaraparalel.Adapunskematik rangkaian dari empat buah mikrokontroller yang terhubung secara paralel adalah sebagai berikut : LoadQ1Q4Q3Q2Vs2Vs20D1D4aD3D2bioVaoVboVabVs20Vs02Vs0To2ToTo2TotttD 1 D 2o nQ 1 Q 2o nD 3 D 4o nQ 3 Q 4o nV s4 f L0 t Port3Port2Port0Port1ATMELAT89C51Port3Port2Port0Port1ATMELAT89C51Port3Port2Port0Port1ATMELAT89C51Port3Port2Port0Port1ATMELAT89C51KeypadSevenSegmenOpto couplerdan DriverSevenSegmenOpto couplerdan DriverP3.2 P3.3P3.0P3.1P3.0 P3.1SensorKecepatan P3.5SensorKecepatan P3.5P1P0P2P1P0P2P2P2P0P1P0P1 Gambar 3.2Skematik rangkaian empat buah Mikrokontroller yang terhubung paralel Adapunrancanganpemogramandari mikrokontrolleruntukpengaturandansinkronisasi kecepatan dua buah motor induksimengikutiflow chart dibawah ini : Gambar 3.3 Diagram Alir untuk loop tertutup Gambar 3.4 Diagram alir untuk loop tertutup Padaperancanganalatpengaturandansinkronisasi kecepatanduabuahmotorinduksisatufasadimana dikehendakikecepatanduabuah motorinduksiyangsama sesuai kecepatan referensi. Maka mikrokontroller berfungsi sebagaipenghasillimapulsadalamsatumodeoperasi dengan variasi frekuensi dan membandingkan umpan balik kecepatanmotorinduksiyangdidapatmelaluisensor kecepatan seperti pada gambar 3.5 di bawah ini: Interface MCONTROLLERComparatorRPMREF+/- frek Gambar 3.5Pengaturan kecepatan motor dalam loop tertutup Untukmendapatkanpengaturandalamsiklustertutup sebagaimanaterlihatpadagambar3.5,mikrokontroller membangkitkansinyalkotakdengandutycycletetapdan frekuensi tertentu. Frekuensi awal dibangkitkan rendah dan tachometersebagaiumpanbalikakansegeramemberi informasikekomparatoruntukdibandingkandengannilai settingrpm_refdankemudianmenaikkanfrekuensi MulaiMikro Master 1THitung waktu yang dibutuhkanuntuk 100 pulsa.Data dari opto sbg TrOpto(sensorkecepatan)Tr = Ts ? frekuensi adalah (47h dan 46h)frekuensi tetapAPicu MOSFETInverter 1BerhentiBMasukkan nilai rpm ref. (Ns)60.000.000 : Ns (rpm) = Ts (ud)(yang baru)YTPicu MOSFETInverter 1 Frek. 35 HzYBeri data picu kemaster 2SelesaiATr(ud) > Ts(ud) ?YTTs(ud) -Tr(ud)> 200Ts(ud) -Tr(ud)> 15Ts(ud) -Tr(ud)> 61BBB Frekuensi - 2Frekuensi - 0,2Frekuensi - 0,3Frekuensi - 0,1 BTYYYTTTr(ud) -Ts(ud)> 200BBYTFrekuensi + 2Tr(ud) - Ts(ud)> 61Tr(ud) -Ts(ud)> 15Frekuensi + 0,3Frekuensi + 0,2 BTTYYFrekuensi + 0,1 Bkembali sampai motor berputar pada kecepatan yang diinginkan(rpm_ref).Ketikakecepatanmotor induksiberubah,tachometersebagaiumpanbalik akan segera memberi informasi ke komparator untuk dibandingkandengannilaisetrpm_refdan kemudianmengaturkembalifrekuensisehingga kecepatan motor induksi sesuai dengan rpm_ref. 3.4Sensor kecepatan Sensor kecepatan ini dalam sistem loop tertutup akanberperansebagaiumpanbalik.Kesalahan/ kegagalandalammembacakecepatanakan mengakibatkan kegagalan dalam pengaturan. Piringansensoryangdigunakansejumlah100 slot, skema yang digunakan adalah gambar 3.6. +5V(b)R2R6P3.4R7MC14584BC11475 6 Gambar 3.6Rangkaian sensor untuk tachometer Penerimaancahayainframerahakanmembuat transistorpekacahayamenjadikonduksi.Ketika transistorkonduksi,keluarannyaakanmenjadi masukanlogikarendahkegerbangNANDSchmitt trigger dan yang digunakan dalam rancangan adalah komponenMC14584B.PerludiingatbahwaNANDdisiniberfungsisebagaipembalikdan SchmittTriggerberfungsiuntukmembersihkan sinyal.Jadikeluaranrangkaiantransduserakan berlogika tinggi ketika transistor konduksi. Dalamkeadaanmotorinduksiberjalan, rangkaiansensorkecepatanakanmemberikan keluarandalambentukgelombangkotakdengan seratus pulsa tiap putaran motor. Gambar 3.7 Bentuk gelombang dari sensor kecepatan 3.3Interface AT89C51 Duabuahsinyalkontroldarimikrokontroller harusterpisahdengansalurandaya.Untuk memisahkansinyalkontroldigunakankomponen berupaoptocouplerTLP521.Rangkaian optocouplerdandriverMOSFETsepertipada gambar 3.8 dibawah: Gambar 3.8 Rangkaianoptocoupler dan driver MOSFET Darigambardiatasterlihatbahwabagiansatudengan bagiankeduasecaraelektrikterpisah,tetapikeduanya dihubungkanolehcahayainframerahyangdipancarkan photo dioda .Selanjutnya pancaran cahaya infra merah yang dihasilkan oleh photo dioda digunakan sebagai pemicu kaki basispadaphototransistor.Kakikolektordiberisupply tegangan12VoltDCdankakiemitordipasangtahanan pulldown.Besartahananpulldowndipilihsehingga teganganantaraterminaloutputdangroundberkisar12 Volt. IV.Pengujian dan Analisa 4.1Pengujian Tegangan Masukan Penyearah InputVacinimerupakanteganganyangsetelah disearahkanolehrangkaianpenyearahakanmenjadi tegangan input bagi inverter, oleh karenanya tegangan Vac iniharusmempunyaibesaranyangmampumenggerakkan motor induksi 220 V.DalamperalataniniVacyangdigunakansebesar115 V yang berasal dari trafo stepdown. Penggunaan trafo disini untukmembatasiarusyangmasukkeMOSFETdalam rangkaianinverterdengankapasitasmaksimumkeluaran trafo 5A. Gambar 4.1 Tegangan masukan penyearah 4.2Pengujian Keluaran Penyearah Penyearahyangdipergunakanadalahpenyearah gelombangpenuhyangtelahdilengkapidenganfilter kapasitor.Bentukkeluarannyaditujukkkandalagambar 4.2. qq1212 V12 V12 VQ1Q243QQ C2655A1020C2655C2655C2655A1020A1020A1020TLP521TLP521TLP521TLP521 Gambar 4.2 Keluaran penyearah gelombang penuh 4.3Pengujian keluaran MikrokontrollerSalahsatufungsimikrokontrollerAT89C51 yangdigunakanadalahuntukmenghasilkansinyal kontrolyangberupaUPWM(modulasilebarpulsa yangseragam).Pulsayangdihasilkanpadasetiap setengahperiodenyaadalahlimapulsadenganduty cycletetap50%danfrekuensinyadapatsecara otomatisdiatursesuaidengankecepatanyang dinginkan. Mikrokontrollermanghasilkanduabuahsinyal kontrolyangmempunyaibedafasa1800.Sinyal pertamadigunakanuntukmendapatkansetengah sikluspositifinverterdansinyalkeduadigunakan untuk mendapat setengah siklus negatifnya. Gambar 4.3 Sinyal keluaran Mikrokontroller 4.4Pengujian Keluaran Penggerak MOSFET Besarteganganpuncaksinyalkeluaran Mikrokontrolleradalah5Voltdanbesarnyaarus adalah 10 mA. Sedangkan MOSFET akan berfungsi sebagaisaklarbilategangandanaruspemicu dioperasikanpadadaerahsaturasi(untuktipe MOSFETIRFP460adalah620Voltdanarus berkisar550mA).Untukkeperluantersebutsinyal harusditingkatkanuntuk memenuhikriteriapemicu MOSFET tersebut. Disampingitu,sinyalkontrolharusterpisah dengan saluran daya. Dari blok penggerak MOSFET yangtelahdirancangditujukanuntukmemenuhi kriteria tersebut. Gambar 4.4 Sinyal keluaran penggerak MOSFET 4.5PengujianKeluaranInverterSatuFasadenganBeban ResistifTegangansatufasayangdiperolehdariinvertersatu fasaberkaitandenganbesartegangandaripenyearahdan besardutycycle.Denganmenggunakanmodepensaklaran UniformPulseWithModulation(UPWM)dandengan limapulsadalamtiapsetengahgelombangmakategangan inverter satu fasa dapat di cari sesuai persamaan 3.4 berikutVolt x VoxVonV t d VnVonn396 , 145 892 , 0 16314 , 35 , 0 5163max ( max222 / 12 / ) / (2 / ) / (2= === |.|

\|=}+ Berikutakandiberikandatapengujiankeluarandari invertersatufasadenganbebanresistifdengandutycycle 50% dan pada frekuensi 35 Hz. Gambar 4.5 Keluaran Inverter dengan beban Resistif 4.6PengujianKeluaranInverterdenganBebanMotor Induksi Pembebananmotorinduksipadainvertersama halnya pembebanan komponen L dan R sehingga merubah sinyal keluaraninvertersepertiyangditunjukkanpadagambar 4.6. Gambar 4.6 Keluaran inverter dengan beban motor 4.7PengujianKeluaranGelombangArusdenganBeban Motor Denganmenggunakanmotorinduksisebagaibeban dariinvertersamahalnyadenganmembebanikeluaran inverterdenganbebaninduksi,makagelombangarus dengan beban induktif dapat dilihat pada gambar 4.7 Gambar 4.7 Bentuk gelombang arus dengan beban induktif 4.8AnalisaDataPengujianMotorInduksidalam sistem kalang tertutup Penampilankecepatanmotorinduksidalam sistemkalangtertutupmerupakanhasilakhirdari perancangansistemkalangtertutupini.Pada pengujiandanpengukurandalamsistemkalang tertutupiniakandilihattanggapandariperubahan kecepatanmotorinduksidaristartingsampai menuju kecepatan yang diinginkan. Gambar 4.8 Perubahan kecepatan dari start sampai steady Gambar 4.9 Perubahan kecepatan steady sampai stop Gambar4.8dan4.9dihasilkanolehrangkaian LM2917yangyangmengubahfrekuensimenjadi tegangan.Masukanfrekuensinyadihubungkanke optocoupler(sensorkecepatan)dankeluarannya berupa tegangan masuk ke osiloscope. LM2917memilikipersamaanuntukmenghitung tegangan keluarannya (Vo), yaitu : C R V f Vcc o =(4.1) dimana : Vo=tegangan keluaran (volt) f=frekuensi (Hz) Vcc=12 volt R=50 kO C=1 nF sehingga : 410 6 = f Vo(4.2) kemudian : 10060Nf = N f . 667 , 1 = (4.3) dimana : N=kecepatan putar (rpm) f=frekuensi (Hz) maka : 410 6 667 , 1 = N Vo Denganmenggunakandatayangadadapatdibuat grafikhubunganfrekuensidengankecepatansebagai berikut : Gambar 4.10Grafik hubungan frekuensi dan kecepatan Denganmenggunakanbebanmotorinduksimaka dapatdilihatperubahankecepatanmotorbilafrekuensi yangdiberikannyaberbedabeda.Kecepatanmotor sinkronnyadapatdihitungdenganmemisalkanfrekuensi keluaranInverterdibuatsekitar50Hz,makakecepatan sinkronnyamotornyapadafrekuensitersebutakandapat dihitung dengan cara sebagai berikut : rpmHz xrpmpfn1500450 120. 120=== Slip dari motor dapat dihitung dengan cara 033 , 015001450 1500===ssnn ns Denganmenggunakanmetodeyangsamaseperti diatas akan didapatkan tabel 4.1. Tabel 4.1Perbandingan kecepatan sinkron , kecepatan motor, selisihkecepatan sinkron dengan sebenarnya dan slip Frek Kecepatan Sinkron Kecepatan Motor Selisih kecepatan slip 34,910471000470,045 35,210561020460,043 35,810741040340,031 36,410921060320,029 37,011101080300,027 37,811341100340,029 38,311491120290,025 38,911671140270,023 39,811941160340,028 40,412121180320,026 020040060080010001200140016001800200034,936,438,340,442,844,346,648,851,153,355,257,460,262,1Frekuensi ( Hz )Kecepatan ( rpm )FrekKecepatan Sinkron Kecepatan Motor Selisih kecepatan slip 41,212361200160,013 41,912571220370,029 42,812841240440,034 43,112931260330,025 43,613081280280,021 44,313291300290,021 44,913471320270,020 45,613681340280,020 46,613981360380,027 47,314191380390,027 47,814341400340,024 48,814641420440,030 49,114731440330,022 50,115031460430,028 51,115331480530,034 51,615481500480,031 52,715811520610,038 53,315991540590,037 54,016201560600,037 54,616381580580,035 55,216561600560,034 56,116831620530,031 56,817041640640,037 57,417221660620,036 58,117431680630,036 58,917671700670,038 60,218061720860,047 60,918271740870,047 61,718511760910,049 62,118631780830,046 63,018901800900.047 Daritabel4.1didapatkanbahwaselisih kecepatandanslippadasetiapfrekuensinyaterus naiksebandingdenganpenambahanfrekuensiyang dihasilkanolehInverteryangseharusnyadijaga tetapagarmenghasilkantorsiyangsamadengan motorinduksiyangdioperasikandenganfrekuensi jala-jala(50Hz).Perbedaandiatasdisebabkan karenaInverterpadatugasakhirinihanya mengubah secara otomatis frekuensi yang dihasilkan sedangkantegangan,medanmagnetikdalammotor dan besar arus tidak diperhitungkan. V.Kesimpulan5.1. Kesimpulan DarihasilpengujianpadaInvertersatufasainidapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1.Perangkat keras dan perangkat lunak Inverter satu fasa yang telah dibuat mampu mengubah frekuensi jala-jalakedalamfrekuensiyangsesuaidengankecepatan motor induksi yang di inginkan. 2.MikrokontrollerAT89C51dapatdigunakansebagai otak dari Inverter satu fasa pada Tugas Akhir ini. 3.Optocoupler TLP521dapat digunakansebagaiisolator antara mikrokontroller dan rangkaian daya. 4.Rangkaianpenyanggayangberupasambungan transistorNPNdanPNPdapatdigunakansebagai penggerak MOSFET.5.Sensorkecepatanberuparangkaianelektronikyang terdiridarioptocouplerjenisUdanschmitttrigger MC14584Bakanmenghasilkanfrekuensikeluaran yang sebanding dengan kecepatan motor. 6.Semakinbesarnilaikecepatanyangdiinginkanmaka Inverterakanmenghasilkanfrekuensikeluaranyang lebih besar.7. PenggunaanUniformPulseWithModulation (UPWM)padaInverterakanmenghasilkan harmonisa teganganyanglebihrendahdibandingkandengan penggunaan PWM saja. DAFTAR PUSTAKA 1.CharlesA.Schuler,WiliamL.McNamee,Industrial ElectronicandRobotics,McGrawHillBook Company, 1986. 2.GaryRockis,SolidstateFundamentalfor Electricians,AmericanTechnicalPublishersInc., 1993. 3.GobalK.Dubey,PowersemiconductorControlled Drives,PrentinceHall,EnglewoodCliffs,New Jersey, 1989. 4.JohnHindmars,ElectricMachineandTheir Aplications, Pergamon International Library, 1997. 5.KadirA,MesinTakSerempak,Djambatan, Jakarta,1981. 6.KattsuhikoOgata,EdiLaksono,TeknikKontrol Automatik, jilid I, Erlangga, Jakarta, 1990. 7.Lander,C.W.,PowerElectronics,McGraw-Hill, London, 1981. 8.Malvino,Barnawi,PrinsipprinsipElektronika, Erlangga, 1986. 9.MuhammadHarunurRashid,PowerElectronics: Circuits,Device,andApplications,PrentinceHall International Inc, New Jersey, 1988. 10.SayM.G.,PerformanceandDesignofAlternating CurrentMachines,ThirdEdition,TheEnglish Language Book Society and Sir Isaac pitman and Sons Ltd, London, 1958. 11.TheodoreWildi,ElectricalMachines,Drives, andPowerSystems,ThirdEdition,Preitice Hall International Inc, 1997. 12.VrejBachordarian,PowerMOSFETBasics, International Rectifier, California, 1989. 13. Zuhal, Dasar Teknik Elektro, Edisi kedua, ITB, Bandung, 1991. DisusunolehAndyNugroho ,yangsaatinisedang menyelesaikanpendidikanS-1 diJurusanTeknikElektro Universitas Diponegoro. Menyetujui : Pembimbing II Mochammad Facta, ST. MT NIP. 132 231 134