RANCANG BANGUN ALAT PENGATUR KECEPATAN MOTOR INDUKSI DENGAN CARA MENGATUR FREKUENSI

Abstrak
RANCANG BANGUN ALAT PENGATUR KECEPATAN PUTAR MOTOR INDUKSI DENGAN
MENGUBAH FREKUENSI. Telah dilakukan rancang bangun alat pengatur kecepatan motor induksi
dengan mengubah frekuensi. Motor induksi mempunyai kecepatan yang hampir konstan, banyak digunakan
di dalam industri yang kadang-kadang memerlukan perubahan kecepatan putar. Cara pengubahan
kecepatan putar motor induksi yang paling baik adalah dengan mengubah frekuensi catu dayanya, walaupun
sedikit sulit dan mahal. Dalam rancang bangun ini dilakukan dengan cara menyearahkan sumber tegangan
PLN dengan frekuensi 50 Hz, lalu diubah menjadi tegangan bolak-balik kembali dengan frekuensi yang bisa
diatur dan selanjutnya dipakai sebagai suplai ke motor [ 8 ]. Rangkaian alat terdiri dari komponen penyearah,
penapis, inverter, osilator dan transformator. Dari pengujian diketahui bahwa peralatan dapat berfungsi
dengan baik walaupun ditemukan beberapa kesulitan namun, arus ke motor cukup stabil meskipun kecepatan
putar diubah-ubah. Putaran motor bisa diatur dengan mengubah frekuensi atau secara tidak langsung
dengan tahanan basis RB pada osilator. Jangkau putaran yang dapat dicapai sangat lebar yaitu dari 133
rpm dengan frekuensi 12 Hz sampai dengan 2200 rpm pada frekuensi 70 Hz pada keadaan tanpa beban.
Sedangkan perubahan putaran motor dapat halus, rata-rata 21,4 rpm/Hz
Kata kunci : Motor induksi, putaran, frekuensi
Abstract
DESIGN OF INDUCTION MOTOR SPEED REGULATION DEVICE BY FREQUENCY CHANGING.
Design of induction motor speed regulation device by frequency changing has been carried out. Induction
motor has almost constant speed much used in industry wich often desire the speed changing. The best result
of induction motor speed changing is done by changing its power supply frequency, although have many
difficulties and expensive. This design was done by rectified PLN’s voltage of 50 Hz, then changed again to
the alternating current wich has adjustable frequency and finally is used as power supply to the motor. The
device consist of many components i.e rectifier, filter, inverter, oscillator and transformer.From the
functional test which has been carried out shows the device in good condition although found many
difficulties, but the current input to the motor enough stable when motor speed is changed. Motor speed can
be changed by adjusting the frequency or by adjusting the basis resistance RB at the oscillator circuit. Range
of speed regulation which can be achieved is very width i.e from 133 rpm with frequenci of 12 Hz until 2200
rpm with frequenci of70 Hz at the no load condition. While the motor speed can change in smoothed i.e 21,4
rpm/Hz
Keywords : Induction motor, rotation, frequency
sekitar 3 sampai 5 kali dari arus nominal dan
putarannya relatif konstan atau sulit diatur[2, 6].
PENDAHULUAN
Pada hal dalam pemakaian motor listrik
Di industri banyak dipakai motor listrik
kadang-kadang diinginkan putaran yang dapat
jenis induksi rotor sangkar karena mempunyai
diubah-ubah sesuai dengan putaran beban,
banyak kelebihan dibanding dengan motor
dengan pengaturan perpindahan putaran yang
listrik jenis lain. Kekurangannya arus start besar
137
Yadi Yunus, dkk Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL IV
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008
ISSN 1978-0176
yang lebar dapat dilakukan dengan mengatur
halus (smooth) dan range lebar, misalnya pada,
frekuensi. Catu daya dari PLN frekuensinya 50
blower atau exhaust fan penyegar udara pada
Hz, untuk mengubahnya diperlukan bebarapa
laboratorium gedung kimia dan lain-lain. Hal
komponen. Dalam rancang bangun ini catu
tersebut diperlukan dengan tujuan antara lain
daya AC , 50 Hz diubah menjadi DC (searah),
untuk mengurangi besarnya arus start,
kemudian diubah menjadi AC lagi dengan
meredam getaran dan hentakan mekanis saat
frekuensi yang dapat diatur. Jadi dalam rancang
starting. Karena itu maka banyak dilakukan
bangun ini diperlukan komponen utama seperti
usaha bagaimana cara mengatur putaran motor
penyearah, osilator sebagai pengubah frekuensi
induksi tersebut. Salah satunya adalah dengan
dan inverter[8].
cara mengubah frekuensi catu daya yang masuk
ke motor untuk mengatur kecepatan motor. Jadi
Penyearah
tujuan dari rancang bangun di sini adalah untuk
menghasilkan peralatan yang dapat dipakai Penyearah adalah alat pengubah sumber
untuk mengatur kecepatan putar motor induksi listrik dari AC menjadi DC. Alat tersebut
dengan range putaran yang lebar dan dengan berupa rangkaian elektronik dengan komponen
perubahan putaran yang smooth. utama dioda. Dalam penyearahan tegangan
bolak-balik digunakan penyearah gelombang
penuh dengan menggunakan sebuah dioda
DASAR TEORI
jembatan/bridge atau empat buah dioda.[3]
Ditinjau rotornya motor induksi dibagi 2
Gelombang keluarannya lebih baik bila
yaitu motor induksi sangkar tupai dan (squrrel
dibandingkan dengan penyearah setengah
cage induction motor) dan motor induksi rotor
gelombang, lihat Gambar 1.
lilit (wound rotor induction motor).[2, 6] Motor
induksi sangkar tupai mempunyai kecepatan
putar yang hampir konstan, sedangkan motor
induksi rotor lilit mempunyai kecepatan putar
dan torsi yang dapat diatur(adjustable).
Sebetulnya dengan motor induksi rotor lilit,
kelemahan motor induksi dapat diperbaiki,
tetapi motor induksi rotor lilit mempunyai
Gambar 1. Penyearah Gelombang Penuh (A)
konstruksi yang tidak sesderhana. Rumus
Rangkaian (B) Gelombang Keluaran
kecepatan putar motor induksi adalah sebagai
berikut[2, 6]. Osilator
Osilator adalah rangkaian elektronik
(1 − s) f × 60
nm = yang bekerja sebagai pembangkit gelombang
(1)
p denyut. Berdasar cara kerjanya terdapat
berbagai macam osilator yang salah satu
Dengan :
diantaranya adalah multivibrator tak stabil.
nm : kecepatan putar motor (rpm)
Gambar 3 Ditunjukkan Rangkaian Pembangkit
ns : kecepatan putar medan sinkron (rpm)
Sinyal Dan Disebut Sebagai Rangkaian Osilator
s : slip
Dari Jenis Multivibrator Tak Stabil[5, 7].
f : frekuensi sumber atau catu daya (Hz)
p : jumlah pasang kutub
Besarnya slip tergantung dari beban
motor, beban yang konstan slip motor akan juga
tetap, maka dari persamaan (1) dapat diketahui
bahwa kecepatan putar motor nm dapat diatur
dengan cara mengubah frekuensi maupun
jumlah kutub. Mengatur kecepatan dengan cara
mengatur jumlah kutub sudah banyak dilakukan
namun daerah pengaturan putaran terbatas dan Gambar 2. Osilator Astable Multivibrator
perubahannya kasar, tetapi cara pengendalian
putaran yang halus dan dengan jangkau putaran
138
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN Yadi Yunus, dkk
SEMINAR NASIONAL IV
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008
ISSN 1978-0176
Proses kerjanya transistor Q1 dan Q2
bekerja ON (saturasi) dan OFF (cut off) secara
bergantian.. Proses tersebut terjadi terus hingga
terbentuk suatu sinyal tegangan denyut pada
kolektor pada ke dua transistor tersebut. Selang
waktu pergantian antar ON dan OFF dari ke
dua transistor disebut sebagai konstanta waktu
dari osilator yang besarnya adalah:[5]
Gambar 3. Rangkaian Inverter dengan SCR
(2)
T1 = 0,69 x RB1 x C1 Pada Gambar 3 SCR1 dan SCR2 disulut
bergantian melalui titik A dan titik B oleh
dengan :
sinyal yang dihasilkan osilator astable
T1 = waktu 1⁄2 dari periode ON ke OFF
multivibrator pada Gambar 2. Sedang
kembali ke ON lagi dari transistor
pemutusan SCR dilakukan oleh rangkaian
Q1(dt)
komutator berupa kapasitor C yang dipasang
RB1 = Rb1 + Rv adalah tahanan rangkaian
pada lilitan primer dari transformator. Dengan
basis transistor (Ω).
SCR ON dan OFF saling bergantian maka arus
C1 = kapasitansi kondensator rangkaian basis
dari sumber + (positif) melewati tap tengah
(F).
(centertap) trafo ke primer P1 dan P2 saling
dapat diperoleh mengunakan
T2
bergantian. Arus yang mengalir pada sisi primer
persamaan (2) dengan nilai tahanan dan
transformator selalu bergantian atau bolak-balik
kondensator adalah RB2 dan C2. Jadi :T1 + T2 =
sehingga dihasilkan tegangan induksi bolak-
T = 0,69 x (RB1 x C1 + RB2 x C2 ). Jika
balik (AC) pada sisi sekunder. Frekuensi dari
ditentukan RB1 = RB2 = RB dan C1 = C2 = C,
tegangan indukdsi tersebut dapat diatur oleh
maka diperoleh
osilator sebagai penyulut dua SCR tersebut.
T = 0,69 x 2 x RB x C
T = 1,38 x RB x C Perancangan
1
Sehingga frekuensi osilasi f = Perancangan meliputi perencanaan
(Hz) adalah
T penyearah, osilator, inverter, transformator,
1 sampai dengan pembuatan casing untuk
Jadi : f = (3)
pengaturan kecepatan putar motor induksi satu
1,38 xRB xC
satu fase jenis runing capacitor dengan daya
Dari persamaan (5) di atas diperoleh
120 watt , tegangan 220 VAC, arus 0,7 A,
besarnya frekuensi osilasi terantung RB dan atau
frekuensi 50 Hz dan putaran 2900 rpm.
C. Secara teknis lebih mudah dilakukan dengan
mengubah tahanan RB. Perancangan Rangkaian Penyearah.
Penyearah direncanakan memakai satu
Inverter
buah dioda bridge. Keluaran dari penyearah
Rangkaian elektronika yang bisa
dipakai untuk input ke ke inverter dan osilator
digunakan untuk mengubah tegangan DC
seperti yang ditujnjukkan pada Gambar 4.
menjadi AC disebut inverter. Rangkaian
bisa menggunakan komponen
inverter
transistor maupun thyristor SCR sebagai
komponen utama. Bila digunakan transistor
daya terbatas tetapi frekuensi tinggi serta tidak
perlu rangkaian komutasi. Bila menggunakan
SCR daya besar frekuensi rendah dan perlu Gambar 4. Penyearah dengan 4 dioda Lengkap
rangkaian komutasi sebagai pemutus SCR. dengan Filter dan Pembagi Tegangan
Gambar 4 adalah contoh rangkaian inverter Sebagai penyearah digunakan dioda
dengan SCR[1, 4]. bridge MDA 3504 dengan kapasitas arus 5 A
dan tegangan 400 V, filter dengan kondensator
33 μF, 450 V. Tahanan 220 dan 33 KΩ
dimaksudkan untuk memperoleh tegangan
139
Yadi Yunus, dkk Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL IV
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008
ISSN 1978-0176
keluaran sebesar 50 V diumpankan ke Perancangan Rangkaian Inveter.
rangkaian osilator dan untuk arus triger SCR ±
Inverter dengan komponen utama SCR
5 mA.
5P4M rating arus 5 Ampere, tegangan 400 V.
Transformator dengan luas inti 22 cm2 daya
Perancangan Rangkaian Osilator
trafo ± 500 W, nilai aman untuk mensuplai
Rangkaian osilator menggunaka
motor 120 W. Setelah dihitung dengan asumsi
rangkaian astable multivibrator, dengan
tegangan primer 300 volt maka lilitan tiap
transistor PNP A1015, diharapkan mampu
kumparan adalah 750 lilit sehingga jumlah
mentriger SCR yang memerlukan tegangan 2
lilitan kumparan primer dan skunder 3 X 750.
V, arus ± 5 mA. Pada titik untuk penyulutan
Bila daya 500 W berarti arus maksimum 1.600
SCR dipasang dioda D1 dan D2 rating 1 A,
mA, dengan padat arus diambil 5 A/mm2, maka
sebagai penahan tegangan balik induksi dari
kumparan digunakan kawat email diameter 0,65
SCR. agar transistor terhindar dari kerusakan.
mm. Untuk komutasi dipasang kondensator non
Kondensator C1 dan C2 disesuaikan
polar 4 μF/400V agar 2 SCR bekerja ON dan
dengan tahanan RB1 dan RB3 untuk memperoleh
OFF secara bergantian sebagai inverter dengan
frekuensi yang diinginkan. Tahanan RB terdiri
penyulutan di titik A dan B.
dari tahanan tetap Rb sebesar 1,2 KΩ dan
tahanan variabel 0 – 10 KΩ sebagi pengubah
frekuensi, sedangkan kapasitor dipilih 10 μF.
Dengan mengacu pada persamaan 3 maka
diperoleh jangkau frekuensi osilator dari 6
sampai dengan 60 Hz.
Gambar 6. Rangkaian Inverter dengan SCR 5P4M
PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN
Pengujian besaran tegangan, arus dan
frekuensi keluaran serta putaran dari motor
Gambar 5. Osilator Astable Multivibrator dengan dengan mengubah-ubah tahanan variabel
Transistor PNP A1015 R9.dan R10.sebagai pengubah frekuensi dari
osilator.
Tabel 1. Data Hasil Uji Coba Alat Pengendali Kecepatan Motor Induksi
RB2
RB1 Vo n
f Io
NO
(mA) (volt) (rpm)
(Hz)
(Ω)
(Ω)
1 10.000 10.000 12 200 40 133
2 8.000 8.000 20 200 45 256
3 6.500 6.500 25 250 50 405
4 4.700 4.700 35 250 55 655
5 3.200 3.200 39 350 60 975
6 2.700 2.700 40 350 70 1.180
7 2.200 2.200 42 395 95 1.485
8 2.005 2.000 47 405 100 1.600
9 1.730 1.610 48 430 110 1.930
10 1.620 1.600 61 480 115 2.075
11 1.570 1.520 70 500 125 2.200
Dari data pada Tabel 1, bila di buat keluaran seperti yang ditunjukkan pada
grafik tahanan basis versus frekuensi Gambar 7, nampak bahwa frekuensi yang
140
Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN Yadi Yunus, dkk
SEMINAR NASIONAL IV
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008
ISSN 1978-0176
dihasilkan benar berbanding terbalik dengan KESIMPULAN
besaran tahanan basis (RB) sesuai dengan
Dari rancang bangun dan pengujian yang
Persamaan 3,dan penurunannya secara
telah dilakukan dapat diambil beberapa
hiperbolis. Begitu juga putaran motor yang
kesimpulan sebagai berikut.
dihasilkan naik secara linier terhadap
1. Peralatan yang dibuat dapat berfungsi
kenaikan frekuensi. Di samping itu kenaikan
cukup baik,arus ke motor cukup stabil
frekuensi ternyata juga diikuti pula oleh
meskipun kecepatan putar diubah-ubah.
kenaikan tegangan output mengikuti
2. Putaran motor bisa diatur dengan
persamaan[10].
mengubah frekuensi dengan cara
menggeser tahanan basis RB .
V = 4,44 f n Φ (4)
3. Motor induksi dapat diatur putarannya
sedangkan tegangan input konstan. dengan jangkau yang lebar dari 133 rpm
dengan frekuensi 12 Hz sampai dengan
2200 rpm pada frekuensi 70 Hz pada
keadaan tanpa beban.
4. Perubahan putaran motor bisa benar-benar
smooth.
DAFTAR PUSTAKA
1. GEORGE M.CHUTE, ROBERT D. CHUTE,
Electronics in Industry, McGraw-Hill
Gambar 7. Kurva f vs RB1
Kogakusha, Ltd ,fith edition, 1981.
Keterangan :
2. SUMANTO,, Motor Listrik Arus Bolak-Balik,
R B=Rb + R v
Andi offset Yogyakarta, Edisi pertama ,
1993.
3. BARRY G. WOOLLARD , H .KRISTIONO,
Elektronika Praktis, Pradnya Paramita,
Jakarta, cetakan kelima, 2003.
4. WASITO S., Elektronika Dalam Industri,
Karya Utama, Jakarta, cetakan kedua, 1986.
5. ICHWAN HARYADI, Televisi Transistor,
Bina ilmu, Surabaya, cetakan pertama, 1985.
6. A.E. FITZGERALD, DJOKO ACHYANTO,
Gambar 8 Kurva n vs f Mesin –Mesin Listrik, Erlangga, Edisi ke
empat, Jakarta, 1992.
7. G.LOVEDAY, Pengujian Elektronik Dan
Elex Media
Diagnosa Kesalahan,
komputindo, Jakarta, 1994.
8. A.E. FITZGERALD, PANTUR SILABAN,
Dasar-Dasar Elektro Teknik, Erlangga, Edisi
ke lima, Jakarta, 1984.
9. EDWIN C.LOWENBERG, SUTISNA,
Rangkaian Elektronik, Erlangga, Edisi SI
(Metric), Jakarta, 1995.
10. A.R. MARGUNADI, Membuat Transformator
Gambar 9. Alat Pengatur Kecepatan Kecil, PT Gramedia, Jakarta 1986
Motor Induksi
141
Yadi Yunus, dkk Sekolah Tinggi Teknologi Nuklir - BATAN
SEMINAR NASIONAL IV
SDM TEKNOLOGI NUKLIR
YOGYAKARTA, 25-26 AGUSTUS 2008
ISSN 1978-0176
TANYA JAWAB
Pertanyaan
1. Rancangan ini untuk kapasitas berapa ?
(Ari Satmoko-PTRKN)
2. Perubahan frekuensi dilakukan dengan
cara bagaimana ? (Ari Satmoko-PTRKN)
3. Apakah cara manual di atas bisa diubah
menjadi otomatis dengan proses digital ?
(Ari Satmoko-PTRKN)
4. Trimakasih ! Mohon apa bila
dimungkinkan , saya mendapat makalah
lengkap dan di kirim ke satmoko @
batan.go.id(Ari Satmoko-PTRKN)
5. Apa fungsi osilator yang anda gunakan dan
bagaimana cara kerjanya ? (Aswin Anwir-
STTN)
6. Apakah dimungkinkan dilakukan pada
motor 3 fasa ? (Aswin Anwir-STTN)
7. Berapa daya maximum motor yang dapat
diatur kecepatannya dengan alat anda ?
(Aswin Anwir-STTN)
8. Bisakah SCRnya diganti dengan transistor
? Bila bisa apa pengaruh terhada kinerja
alat itu ? (Arief Noor.H-STTN)
Jawaban
1. Kapasistas maximum 200 watt 220 Volt
AC.
2. Perubahan frekuensi secara manual dengan
potensiometer stereo RB 1-2
3. Pada prinsipnya bisa diantaranya
ditambahkan dengan ADC
4. Soft copy makalah telah dikirim ke yang
bersangkutan
5. Fungsi osilator di sini adalah untuk
pembangkit frekuensi dan kemudian untuk
menyulut inverter agar mengubah tegangan
listrik DC menjadi AC.
6. Sangat mungkin dilakukan pada motor 3
fasa, tetapi tentu dengan jumlah dan jenis
komponen yang berbeda.
7. Daya motor yang bisa dilayani maximum
200 watt 220 volt AC
8. SCR bisa diganti dengan transistor. Tetapi
dengan kapasitas arus yang sama transistor
harganya relatif lebih mahal dibanding
dengan SCR. Pada daya sampai dengan
500 watt kinerja alat tetap sama namun
untuk daya yang lebih besar transistor sulit
dilaksanakan.