PENGATURAN ARUS STARTING DAN KECEPATAN MOTOR DC PENGUAT MEDAN SERI MENGGUNAKAN PLC FESTO FEC 400
Hariansyah, ST. Dosen Program Studi Teknik Elektro Akademi Teknologi Bogor
ABSTRAKSI Motor DC banyak di pergunakan di industri sebagai motor penggerak dan mesin – mesin produksi, pada motor DC seperti pada mesin listrik berputar lainnya, yaitu terdiri dari bagian yang tetap disebut stator dan bagian yang berputar disebut rotor. Pengaturan kecepatan motor DC dapat dilakukan dengan mengatur tahanan jangkar (Ra), tetapi membutuhkan waktu yang lama, untuk mengatur kecepatan motor secara otomatis dapat menggunakan menggunakan PLC FEC 400. I. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Motor DC Motor DC yang digunakan adalah motor DC jenis penguat medan seri. Kontruksi dari motor DC diperlihatkan pada gambar 1 berikut,
Medan Seri
S
ARM
U
-
+ Vs
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
1
Gambar 1. Kontruksi motor DC 2.2 Prinsip kerja Motor DC Cara kerja dari motor DC tersebut dapat dijelaskan sebagai berikut. Garis gaya medan magnet fluks dihasilkan oleh kutub kutub magnet. Penghantar yang di aliri arus maka pada penghantar timbul medan magnet (garis gaya fluks). Interaksi dari kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam sehingga timbul gaya, gaya tersebut menghasilkan torsi yang memutar jangkar. Bentuk rangkaian ekivalen motor DC diperlihatkan pada gambar 2 berikut, Koil Medan Seri
-
S1
S2
Sumber DC
A
1
ARM
A2
+
Gambar 2. Motor DC jenis Penguat Seri Berdasarkan rangkaian tersebut diatas maka tegangan (Vt) menjadi sumber dan tegangan jangkar (Ea) merupakan GGL lawan, mesin arus searah ini akan berlaku sebagai motor. Jadi tegangan Vt dan Ea dapat dituliskan sebagai :
Ea Vt l a . Ra Ketika motor dijalankan, kecepatan dan teganggan induksi Ea masih sama dengan nol, dari persamaan Ia = (Vt – Ea)/Ra, untuk Ea = 0 dan Ra yang cukup kecil, arus Ia yang mengalir besar sekali. Oleh karena itu, untuk membatasi arus jangkar (Ia) yang besar pada waktu start ini, perlu diberikan tahanan mula yang dipasang seri terhadap tahanan jangkar tersebut. Secara perlahan – lahan kemudian teganggan induksi dibangkitkan dan rotor pun mulai berputar. Bersamaan dengan ini, tahanan mula tersebut harus diturunkan. Penurunan tahanan mula yang dipasangkan ini dapat dikerjakan dengan bantuan operator atau secara otomatis. Untuk motor arus searah berlaku hubungan : Vt - Ia Ra Ea Cn ; n C Motor seri bertambahnya kopel (arus) akan menyebabkan pula bertambahnya harga fluks (Φ), Karena fluks pada motor seri merupakan fungsi arus jangkar (Ia). Dari rangkaian motor seri terlihat bahwa untuk harga arus Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
2
jangkar sama dengan nol, harga fluks juga nol, sehingga dari persamaan terakhir diatas diperoleh harga n menuju tak terhingga. Sedangkan untuk harga Ia yang cukup besar, harga n dari persamaan diatas akan mendekati nol. Sehingga persamaan baru menjadi : n
Vt - Ia Ra C
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa kecepatan (n) dapat diatur dengan mengubah – ubah besaran , Ra atau Vt 2.3 Pengaturan Kecepatan Motor DC Pengaturan kecepatan memegang peranan penting dalam motor arus searah, karena motor arus searah mempunyai karakteristik kopel kecepatan yang menguntungkan dibandingkan dengan motor lainnya. a. Pengaturan kecepatan dengan mengatur medan shunt ( ), dengan menyisipkan tahanan variable yang dipasang secara seri terhadap kumparan medan (pada rotor shunt), dapat diatur arus medan If dan fluksnya (Φ) bisa dilihat pada gambar 3, Ia If Ea
Vt
Gambar 3. Rangkaian Pengaturan Kecepatan Mengatur Medan Shunt b. Pengaturan kecepatan dengan mengatur tahanan Ra, dengan menyisipkan tahanan variable secara seri terhadap tahanan jangkar, sehingga dengan demikian tahanan jangkarpun dapat diatur, berarti kecepatan motor dapat dikontrol. Bisa dilihat pada gambar 4,
Ia If Vt
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
Ea
3
Gambar 4. Pengaturan Kecepatan Mengatur Ra c. Pengaturan kecepatan dengan mengatur tegangan Vt, cara ini dikenal sebagai Sistem Ward Leonard. Motor yang dipakai adalah motor berpenguatan bebas, dapat dilihat pada gambar rangkaian 5 dibawah ini,
G
Vt
M
I.M. RG
RM
Gambar 5. Rangkaian Pengaturan Kecepatan Mengatur Vt Jadi kecepatan motor DC tergantung pada kekuatan medan magnet dan tergantung yang diberikan pada jangkar dan juga pada beban. Oleh karena itu, kecepatan dapat diatur baik dengan mengatur arus medan atau dengan mengatur tegangan yang diberikan pada jangkar. Apabila beban bertambah, maka kecepatan dan GGL lawan menurun dan arus bertambah. Demikian juga apabila beban menurun, kecepatan dan GGL lawan bertambah dan arus menurun. Kececepatan motor DC sebanding dengan GGL lawan. Semakin rendah GGL lawan, semakin banyak arus yang mengalir pada rangkaian jangkar. Penambahan arus jangkar ini menyebabkan medan magnet yang lebih kuat pada jangkar, sehingga kecepatan jangkar bertambah. Kecepatan bertambah sampai GGL lawan dapat membatasi arus jangkar pada harga yang baru. Pada motor seri bertambahnya kopel (arus) akan menyebabkan pula bertambahnya harga fluks karena fluks pada motor seri merupakan fungsi arus jangkar (Ia) dari rangkaian motor seri terlihat bahwa untuk harga arus jangkar sama dengan nol harga fluks juga nol sehingga dari persamaan terakhir diatas harga n menuju tak terhinggga sedangkan untuk harga Ia yang cukup besar harga n pada persamaan di atas akan mendekati nol karekteristik kopel untuk motor seri dan shunt dapat dilihat pada gambar 6 di bawah ini, n
Shunt
Seri T
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
4
Gambar 6. Karekteristik Kecepatan – Kopel Motor Shunt dan Seri 2.4. PLC Festo Rangkaian PLC FESTO FC 400 pada saat melakukan pengaturan kecepatan sistem yang dikontrol oleh PLC dengan menggunakan tahanan dapat digambarkan dalam sebuah blok diagram seperti ditunjukan pada gambar 7. Dari gambar dapat diketahui bahwa rangkaian ini terdiri dari beberapa blok, yaitu : PB ON dan PB OFF, PLC Festo FC 400, Power supply, Relay Bantu, Power supply, Tahanan, Kontaktor, Motor DC. POWER SUPPLY
PB ON Dan PB OFF
PLC FESTO FEC 400
RELAY BANTU
TAHANAN
KONTAKTO R MAGNET
MOTOR DC POWER SUPPLY
Gambar 7. Blok Diagram Rangkaian PLC FESTO Blok diagram 7 diatas dapat dijelaskan secara singkat cara kerja rangkaian pengaturan kecepatan motor DC dengan menggunakan PLC Festo FC 400. Sistem ini menggunakan PLC FC 400 yang berfungsi untuk mengontrol seluruh sistem rangkaian yang bekerja, PLC Festo FC 400 ini menerima masukan tegangan sebesar 24 V DC yang diperoleh dari power supply. II. RANGKAIAN PENGATURAN PUTARAN MOTOR Rangkaian pengaturan kecepatan motor DC menggunakan PLC Festo FC 400 dapat dilihat pada gambar 8 di bawah ini,
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
5
PB Off
PB On
I
CCU
O
0 1
1
2 0 7 1
3 6
90 Vdc
Ry2
2
Ry3
3
Ry4
4
5
5
6
6
7
7
+
K1
Ry1
K1
R1
Ry2
R2
Ry3
R3
Ry4
2 5 3 4
4
Ry1 Ry1
0
-
Motor DC
Ry1
Ry1
+ 90 Vdc Dioda Bridge Trafo 220 V /110V
24 Vdc 220 Vac ~
F N
220 V
K1
Gambar 8. Rangkaian Pengaturan Kecepatam Motor DC menggunakan PLC Festo FC 400 Cara Kerja Rangkaian : Saat push button on 1 ditekan, maka push button on 1 akan mengirimkan sinyal. 1. Sinyal yang mencapai sirkit eksternal (tegangan kurang lebih 24V) akan disaring oleh alat penunda sinyal. 2. Sinyal tersebut terisolasi secara listrik oleh optocoupler, impulse rendah (tegangan kurang lebih 5V) disampaikan ke unit kontrol pusat. 3. Kemudian unit kontrol pusat akan memberi sinyal kepada optocoupler pada sirkit internal. 4. Sinyal tersebut diperkuat didalam sirkit eksternal. 5. Setelah itu sinyal keluaran akan menuju ke relay 1 bantu sehingga kontaktor magnit1 bekerja dan menghubungkan sumber listrik DC ke motor. 6. Maka motor DC akan bekerja makin besar tahanan yang digunakan maka makin berkurang kecepatan motor berputar 7. Pada saat push button off ditekan, maka push button off akan mengirimkan sinyal. 8. Sinyal yang mencapai sirkit eksternal (tegangan kurang lebih 24V) akan disaring oleh alat penunda sinyal.
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
6
9. Sinyal tersebut terisolasi secara listrik oleh optocoupler, impulse rendah (tegangan kurang lebih 5V) disampaikan ke unit kontrol pusat. Kemudian Unit kontrol pusat. 10. Pada saat relay 1 diberikan sumber dengan tegangan kerja 90 Volt maka relay akan bekerja pada kontaktor 1, kontaktor bekerja memberikan sumber pada Motor DC, maka motor akan berputar dalam keadaan konstan, sumber relay 1 ditutup maka arus akan mengalir melewati tahanan pertama dengan nilai tahanan 200 Ohm, maka relay 2 bekerja pada kontaktor maka arus atau tegangan akan berkurang pada motor maka kecepatan motorpun berkurang, begitu pula pada tahanan 2 dan 3,dan relay 3, relay 4, pada tahanan ketiga dan relay keempat maka kecepatan Motor 0, untuk mengetahui hasil keluaran tegangan atau arus dan kecepatan pada motor tersebut dipasang alat ukur pada kontak, kontaktor, gambar rangkaian pengukuran pengaturan kecepatan III. ANALISA DAN PEMBAHASAN Analisa pengaturan kecepatan motor DC dengan Sistem control PLC Festo FEC 400, meliputi pengaturan arus strating pada saat motor mulai di jalankan dan pemberhentian putaran motor dari putaran maksimum hingga menjadi nol 3.1. Analisa Pengaturan Putaran Motor DC pada saat Starting Pengukuran starting pada PLC menggunakan beberap alat-alat sebagai berikut, Pusbutton saklar tekan start on dan off pada PLC, 5 buah relay dipasang pada output PLC sebagai kontak yang bekerja secara bergantian, 1 buah kontaktor untuk membuka atau menutup aliran daya sebagai saklar yang bekerja secara magnetis, dioda sebagai penyearah pada tegangan, Resistor (tahanan) digunakan untuk mengurangi nilai arus atau nilai tegangan. Rangkaian dan hasil pengukuran dapat dilihat pada gambar 8 tersebut di atas dan tabel 1 berikut, Tabel 1. Pengukuran Pengaturan Kecepatan Motor DC dengan rangkaian PLC Tegangan Vt (V)
Arus (A)
Kecepatan(Rpm)
Tahanan (Ohm)
Waktu (s)
90 Volt
1,35 Amper
1375 Rpm
Tanpa hanan
__
54 Volt
0,18 Amper
950 Rpm
200 Ohm
3s
35 Volt
0,13 Amper
540 Rpm
400 Ohm
2s
0,1Volt
0,08 Amper
0
1100 Ohm
1s
3.2. Karakteristik Starting dan Kecepatan Motor DC Penguat Seri Karakteristik arus dan putaran motor DC pada saat starting menggunakan pengaturan PLC diperlihatkan pada gambar 9.
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
7
I1
Kecepatan
I2 Ia
T
Gambar 9. Karakteristik Starting Motor DC pada PlC dan Konvensional Untuk membatasi arus jangkar (Ia) yang sangat besar pada waktu starting, arus jangkar (Ia) yang mengalir dibatasi dua kali besarnya arus nominal (I n) dari keadaan beban penuh diasumsikan, saat t = t1 arus jangkar menjadi I2. Pengaturan putaran dari putaran maksimum hingga motor berhenti di perlihatkan pada gambar 10 berikut, Kecepatan (n) 1375 Rpm (konstan)
R1 (tahanan) 950 Rpm Ia R2 (tahanan)
540 Rpm
Ia
R3 (tahanan) 0 Rpm
Ia
T
Gambar 10. Karekteristik Pengaturan Kecepatan pada PLC Kecepatan (n) konstan 1375 rpm, pada saat kecepatan konstan motor di atur kecepatan dari 1375 rpm kecepatan dikurangi jadi 950 rpm, 540 rpm. Hingga putaran motor berhenti 0 rpm. Dengan mengurangi nilai arus atau tegangan menggunakan tahanan-tahanan R1 dan R2 ,R3, dimana garis putus – putus adalah garis sebagai arus atau tegangan, garis gelombang atau sinus garis dimana arus atau tegangan mulia berkurang.
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
8
IV. KESIMPULAN Dari hasil pengamatan dan pengukuran maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut : 1. Pada saat starting motor menarik arus yang sangat besar dapat mencapai 5 hingga 10 kali I nominal, sehingga perlu dibatasi dengan cara memasang tahanan mula yang dipasang seri dengan tahan jangkar motor (Ra). Pengaturan perpindahan tahanan mula dari R1, ke R2 dan ke R3 dapat dilakukan secara otomatis menggunakan PLC Festo FC 400. 2. Untuk mengatur kecepatan putaran motor DC, dapat mengatur tegangan sumber (Vs) atau mengatur tahanan jangkar (Ra) dengan jalan memasang tahanan mula tersebut secara seri. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
DAFTAR PUSTAKA Depari, G. 1988. Pokok – pokok Elektronika. Bandung: M2S. http://www.datasheet.com/katalog IC. http://www.elektro_indonesia/magnetik kontaktor. Kadir, Abdul. 1980. Mesin Tak Serempak. Djambatan. Linsley, Trevor. 1997. Instalasi Listrik Tingkat Lanjut. Jakarta: Erlangga. Petruzella, Frank D. 2006. Elektronik Industri. Yogyakarta: Andi Offset. Rasyid, Muhammad. 2002. Power Elektronic. New York : Mc Grow Hill. Sugiri. 2004. Elektronika Dasar & Peripheral Computer. Zuhal. 1988. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta: Gramedia Pustaka Utama.
Protech Vol. 6 No. 1 April Tahun 2007
9
