PERANCANGAN PENYEARAH JEMBATAN TERKONTROL PENUH TIGA FASA DENGAN MOTOR DC

(1)

PERANCANGAN PENYEARAH JEMBATAN TERKONTROL

PENUH TIGA FASA DENGAN MOTOR DC

TUGAS AKHIR

Disusun Oleh :

Arif Wibowo 201110130311061

JURUSAN ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

2015

(2)

(3)

KATA PENGANTAR

Assalamu’alaikum Wr.Wb.

Puji syukur atas kehadirat Allah SWT, yang telah memberikan kekuatan dan petunjuk serta

kelancaran sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “PERANCANGAN

PENYEARAH JEMBATAN TERKONTROL PENUH TIGA FASA DENGAN MOTOR DC”, dimana merupakan suatu persyaratan dalam menyelesaikan studi di jurusan teknik elektro fakultas teknik Universitas Muhammadiyah Malang.

Skripsi ini tidak akan terselesaikan dengan baik tanpa adanya bimbingan dan sumbangan dari berbagai pihak. Pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan terima kasih yang sebesar besarnya kepada :

1. Allah SWT, yang telah memberikan petunjuk, kekuatan dan kelancaran selama proses pengerjaan tugas akhir ini.

2. Orang tua dan keluarga besar yang telah memberikan dukungan serta doa yang tiada henti-hentinya.

3. Ibu Ir.Nur Alif M,.MT selaku ketua jurusan teknik elektro yang telah memberikan arahan dalam proses kuliah dan proses tugas akhir.

4. Bapak Ir.Diding Suhardi,.MT selaku dosen wali Elekro B 2011 dan ketua laboratorium elektro yang telah memberikan izin untuk menggunakan laboratorium elektro dalam proses pengerjaan tugas akhir.

5. Bapak Ir.Nurhadi,.MT dan bapak Khusnul Hidayat,.ST selaku dosen pembimbing 1 dan 2 yang telah membimbing saya dalam pengerjaan tugas akhir ini sehingga saya dapat menyelesaikan tugas akhir ini.

6. Dan Seluruh dosen di jurusan teknik elektro yang telah memberikan banyak ilmu kepada saya selama proses perkuliahan di teknik elektro.

7. Serta seluruh teman-teman baik teman-teman di jurusan teknik elektro maupun yang lain yang tidak bisa saya sebutkan satu persatu yang telah memberikan dukungan dan semangatnya.

(4)

Diharapkan skripsi ini dapat bermanfaat bagi banyak pihak. Pada penulisan skripsi ini masih jauh dari sempurna. Sehingga diharapkan kritik dan saran dari berbagai pihak untuk membuat skripsi ini jauh lebih baik lagi.

Malang, 17 Agustus 2015

(5)

DAFTAR ISI

Halaman Judul………. i

Lembar Persetujuan………. ii

Lembar Pengesahan……… iii

Lembar Pernyataan Keaslian……….. iv

Abstract……… v

Abstrak……… vi

Kata Pengantar………. vii

Daftar Isi……….. ix

Daftar Gambar………. xiii

Daftar Tabel………. xv

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang……….. 1

1.2 Tujuan……… 2

1.3 Rumusan Masalah………. 2

1.4 Batasan Masalah……… 2

1.5 Metode Penulisan………. 3

1.6 Sistematika Pembahasan……….. 3

BAB II DASAR TEORI 2.1 Motor DC………. 5

2.1.1 Rumus Dasar………... 6

2.1.2 Pengaturan Kecepatan Motor DC……… 7

2.2 Thyristor……….. 8

2.3 Penyearah Jembatan Terkontrol Tiga Fasa………. 9

2.4 Pulse Width Modulation………. 13

2.5 Kontroler PID……… 14

2.5.1 Kontroler Proposional……… 15

2.5.2 Kontroler Proposional Integral……….. 15

2.5.3 Kontroler Proposional Derivative………. 16

2.6 Bahasa Pemrograman Matlab……… 16

2.6.1 Real Time Windows Target……….. 17

2.6.2 xPC Target……… 17

2.7 Rotary Encoder………. 18

2.8 Arduino Mega 2560……….. 19

2.8.1 Spesifikasi Arduino Mega 2560……… 20

2.8.2 Arduino Mega 2560 Pin Mapping Table……….. 21

BAB III PERANCANGAN ALAT 3.1 Prinsip Kerja Blok Diagram Sistem………. 27

3.2 Perancangan Perangkat Lunak……….. 27

3.2.1 Tujuan Perancangan Perangkat Lunak………. 28

3.2.2 Diagram Simulink……… 28

(6)

3.3.1 Perancangan Diagram Simulink Untuk Perangkat Keras 29

3.4 Perancangan Perangkat Keras………. 30

3.4.1 Pin Input/Output Arduino Mega 2560………. 30

3.4.2 Perancangan Penyearah Jembatan Terkontrol Penuh Tiga 31 3.4.3 Perancangan Driver Motor... 32

3.4.4 Perancangan Sensor Kecepatan………. 33

3.4.5 Perancangan Zero Crossing Detector………. 34

BAB IV PENGUJIAN ALAT DAN SIMULASI 4.1 Pengujian Pada Simulasi………. 36

4.1.1 Pengujian Dengan Nilai Masukan Kecepatan 50 Rpm…... 36

4.1.2 Hasil Pengujian………... 36

4.1.3 Pengujian Dengan Nilai Masukan Kecepatan 75 Rpm…… 37

4.1.4 Hasil Pengujian……… 38

4.1.5 Pengujian Dengan Nilai Masukan Kecepatan 100 Rpm…. 39 4.1.6 Hasil Pengujian……… 39

4.1.7 Pengujian Dengan Nilai Masukan Kecepatan 125 Rpm…. 40 4.1.8 Hasil Pengujian……… 40

4.1.9 Analisa Hasil Pengujian……….. 41

4.2 Pengujian Perangkat Lunak Dan Perangkat Keras……….. 43

4.2.1 Tujuan Pengujian………. 43

4.2.2 Cara Pengujian Port Pada Arduino Mega……… 43

4.2.3 Hasil Pengujian……… 44

4.3 Pengujian Rangkaian Zero Crossing Detector……… 45

4.3.1 Tujuan………. 45

4.3.2 Alat Yang Digunakan……….. 45

4.3.3 Langkah Pengujian……….. 45

4.3.4 Hasil Pengujian……… 46

4.4 Pengujian Driver Motor, Motor DC, Dan Sensor Kecepatan…….. 47

4.4.1 Tujuan……….. 47

4.4.2 Alat Yang Digunakan……….. 48

4.4.3 Langkah Pengujian……….. 48

4.4.4 Hasil Pengujian……… 49

4.5 Pengujian Perangkat Lunak Pemicu SCR……… 50

4.5.1 Tujuan……….. 50

4.5.2 Alat Yang Digunakan……… 50

4.5.3 Langkah Pengujian……… 50

4.5.4 Hasil Pengujian………. 51

4.6 Pengujian Penyearah Jembatan Terkontrol Penuh Tiga Fasa Dengan Sistem Lup Terbuka……….. 53

4.6.1 Tujuan……….. 53

4.6.2 Alat Yang Digunakan……….. 53

4.6.3 Langkah Pengujian……….. 53

4.6.4 Hasil Pengujian………. 54

(7)

BAB V PENUTUP

5.1 Kesimpulan……….. 57

5.2 Saran……… 58

Daftar Pustaka………. 59 Lampiran

(8)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Motor DC Sederhana……… 6

Gambar 2.2 Posisi Kaki Thyristor……… 8

Gambar 2.3 Rangkaian Thyristor Dan Karakteristik V-I………. 9

Gambar 2.4 Rangkaian Penyearah Terkontrol Tiga Fasa………. 11

Gambar 2.5 Bentuk Gelombang……….. 12

Gambar 2.6 Gelombang Sinyal PWM………. 13

Gambar 2.7 Gambar Tegangan Rata-Rata Suatu PWM……….. 13

Gambar 2.8 Pembangkitan PWM……… 14

Gambar 2.9 Piringan Rotari Encoder……… 18

Gambar 2.10 Rangkaian Sensor Rotari Encoder……… 19

Gambar 2.11 Arduino Mega 2560……….. 20

Gambar 3.1 Blok Diagram Perencanaan Penyearah Terkontrol Penuh Tiga Fasa Dengan Beban Induktif………. 26

Gambar 3.2 Rangkaian Simulasi Menggunakan Simulink……….. 29

Gambar 3.3 Diagram Simulink Untuk Hardware………. 30

Gambar 3.4 Pin Arduino Yang Digunakan………. 31

Gambar 3.5 Rangkaian Penyearah Terkontrol Tiga Fasa………. 32

Gambar 3.6 Rangkaian Driver Motor……….. 32

Gambar 3.7 Rangkaian Sensor Kecepatan……….. 33

Gambar 3.8 Rangkaian Zero Crossing Detector………. 34

Gambar 4.1 Respon Kecepatan, Arus Jangkar, Dan Torsi Pada Simulasi Dengan Nilai Masukan Kecepatan 50 Rpm……….. 37

Gambar 4.2 Respon Kecepatan, Arus Jangkar, Dan Torsi Pada Simulasi Dengan Nilai Masukan Kecepatan 75 Rpm……….. 38

Gambar 4.3 Respon Kecepatan, Arus Jangkar, Dan Torsi Pada Simulasi Dengan Nilai Masukan Kecepatan 100 Rpm……….. 39

Gambar 4.4 Respon Kecepatan, Arus Jangkar, Dan Torsi Pada Simulasi Dengan Nilai Masukan Kecepatan 125 Rpm……….. 40

Gambar 4.5 Diagram Pengujian Port Arduino……….. 43

Gambar 4.6 Merubah Mode Simulink Menjadi Mode External………... 44

Gambar 4.7 Pemilihan Target Hardware……….. 44

Gambar 4.8 Diagram Blok Pengujian Zero Crossing Detector……… 46

Gambar 4.9 Diagram Simulink Pengujian Zero Crossing Detector…………. 46

Gambar 4.10 Respon Keluaran Zero Crossing Detector Pada Fasa R, S, T…. 47 Gambar 4.11 Diagram Blok Pengujian Driver Motor, Motor DC, Dan Sensor Kecepatan………. 48

Gambar 4.12 Diagram Simulink Pengujian Driver Motor Dan Sensor Kecepatan 49 Gambar 4.13 Respon Sinyal Keluaran Sensor Kecepatan……….. 49

Gambar 4.14 Blok Diagram Pengujian Perangkat Lunak Pemicuan SCR……. 50

Gambar 4.15 Diagram Simulink Pemicuan SCR……… 51

Gambar 4.16 Hasil Respon Keluaran Pemicuan SCR………. 52

Gambar 4.17 Blok Diagram Pengujian Penyearah Tiga Fasa Dengan Sistem Lup Terbuka………. 53

(9)

Gambar 4.18 Diagram Simulink Untuk Pemicuan SCR Dengan Sitem Lup

Terbuka………. 54

Gambar 4.19 Respon Tegangan Keluaran Penyearah Jembatan Terkontrol Tiga Fasa Dengan

(10)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Mapping Arduino Mega 2560……….. 21

Tabel 3.1 Urutan Konduksi SCR……… 32

Tabel 4.1 Hasil Pengujian Keseluruhan………. 41

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Port Arduino………. 45

(11)

DAFTAR PUSTAKA  Diktat Elektronika Daya

 Ir.Sulasno, Teknik Tenaga Listrik, Penerbit Satya wacana, Semarang.

 Bagus Setiawan, Makalah Seminar Tugas Ahir, Analisis Penyearah Jembatan Terkontrol Penuh Satu Fasa Dengan Beban Induktif. Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang.

 Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT.Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1995.

 Ali, muhammad. Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID Dengan Software Mathlab. Dosen Jurusan Pendidikan Teknik Elektro Fakultas Teknik. Universitas Negri Yogyakarta.

 Ekawati, Estiyanti.2006. Simulator Untuk Pengajaran Sistem Kontrol. Center For Instrumentation Technology and Automation ITB.

 Hakim, Ermanu Azizul. 2010. Sistem Kontrol. UMM Press. Malang

 Jurnal Slamet, M.B,.FT UI 2009

 Ogata, Katsuhiko : Teknik Kontrol Automatik-Terjemahan: Ir.Edi Laksono, Erlangga, Jakarta, 1991

 http://www.elektroindonesia.com/elektro/tutor12.html

 elektronika-dasar.web.id

 sekilas rotary encoder, Arwindra Rizqiawan (Sekilas Rotary Encoder _ Konversi ITB.htm)http://konversi.wordpress.com

 Skripsi Muhammad Nafan, Aplikasi MF624 Pengontrolan RC Servo Berbasis Matlab

 staff.ui.ac.id/system/files/users/chairul.hudaya/material/dcmotorpaperandaqa.pdf

 http://www.mathwork.com

(12)

 http://www.academia.edu/6212921/Topik_10_Motor_DC_PWM diakses pada :11 januari 2015

 http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed&section=SimulinkModeli ng diakses pada : 11 januari 2015

 http://hades.mech.northwestern.edu diakses pada : 22 januari 2015

 http://rade.stikom-bali.ac.id/id/2014/07/memprogram-arduino-menggunakan-matlab-simulink.html diakses pada :12 february 2015

 http://arduino.cc/en/Hacking/PinMapping2560 diakses pada : 16 february 2015

 http://elib.unikom.ac.id/files/disk1/528/jbptunikompp-gdl-syamsulsya-26361-3-unikom_s-i.pdf diakses pada :17 february 2015

 http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/synchronized6pulsegenerator.html? searchHighlight=6-pulse%20block diakses pada :13 maret 2015

(13)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Penelitian tugas ahir ini dilaksanakan untuk membantu mendesain sebuah penyearah jembatan terkontrol penuh tiga fasa dengan motor dc. Mengingat semakin meningkatnya kebutuhan akan sumber tegangan direct current (DC) di dunia industri,diantaranya untuk mensuplai beban dc seperti motor dc yang banyak digunakan di perusahaan dan alat-alat transportasi. Akan tetapi sumber tegangan listrik di Indonesia masih menggunakan sumber tegangan alternating current (AC),sehingga perlu adanya suatu penyearah untuk merubah tegangan ac menjadi tegangan searah. Penggunaan motor dc di dunia industri saat ini sangat diminati karena salah satu keunggulan dari motor dc adalah mudah di kontrol. Karena di dunia industri membutuhkan mesin-mesin dc dengan daya yang besar sehingga di perlukan suatu penyearah dengan sumber yang besar pula yaitu penyearah dengan sumber tiga fasa.

Salah satu cara untuk mendapatkan tegangan searah adalah dengan merubah tegangan bolak-balik menjadi tegangan searah menggunakan suatu penyearah. Rangkaian penyearah pada tugas akhir ini menggunakan enam buah thyristor. Pada tugas ahir ini akan dibuat suatu penyearah tiga fasa dengan beban motor dc serta dilengkapi dengan kontrol kecepatan pada motor dc. Perangcangan penyearah tiga fasa serta kontrol motor dc ini menggunakan program bantu MATLAB (Matrix Laboratory) serta akan diaplikasikan ke rangkaian perangkat keras dengan interface Arduino Mega 2560.

(14)

1.2 Tujuan

1. Merancang suatu penyearah jembatan terkontrol tiga fasa dengan beban motor dc.

2. Merancang kontrol kecepatan pada motor dc agar kecepatan pada motor tersebut dapat sesuai dengan yang diinginkan.

3. Mengaplikasikan hasil rancangan dalam bentuk perangkat keras menggunakan interface arduino mega 2560.

1.3 Rumusan Masalah

Dapat ditarik sebuah rumusan masalah dari perencanaan dan pembuatan alat ini yaitu :

1. Bagaimana merancang suatu rangkaian penyearah yang baik sehingga keluarannya sesuai dengan yang diharapkan.

2. Bagaimana merancang kontrol kecepatan motor dc agar kecepatannya sesuai dengan yang diinginkan.

1.4 Batasan Masalah

Agar dalam pembahasan ini tidak menyimpang jauh dari permasalahan perlu adanya pembatasan masalah antara lain:

1. Penyearah yang digunakan adalah penyearah jembatan terkontrol tiga fasa menggunakan Sillicon Controlled Rectifier (SCR).

2. Beban yang digunakan adalah motor dc magnet permanen.

3. Perancangan menggunakan program bantu MATLAB (Matrix Laboratory).

(15)

1.5 Metodologi Penulisan

Metodologi pembahasan yang digunakan dalam tugas ahir ini adalah sebagai berikut:

1. Studi literature :

Mempelajari teori-teori pada masing-masing komponen yang digunakan dalam perancangan penyearah jembatan terkontrol penuh tiga fasa dengan motor dc. Diantaranya adalah mengenai thyristor, motor dc, kontrol kecepatan, serta cara penggunaan matlab simulink.

2. Pembuatan alat dan simulasi:

Sebagai pengaplikasian dibuat alat dan simulasinya, serta pembahasannya yang dimulai dari rangkaian penyearah,dan kontrol kecepatan motor dc.

3. Pengujian alat dan simulasi :

Melakukan pengujian pada simulasi dan pengujian sistem komunikasi antara perangkat lunak dan perangkat keras serta melakukan pengujian pada rangkaian perangkat keras pada masing-masing blok diagram.

1.6 Sistematika Pembahasan

Dalam penyusunan skripsi ini dibagi dalam lima bab dan masing-masing bab akan terbagi dalam beberapa sub-bab. Adapun kelengkapan pembagian tersebut dapat di uraikan sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan

Pada bab ini berisi tentang latar belakang, tujuan dari tugas akhir,rumusan masalah,batasan masalah,metodologi yang digunakan dalam pebuatan tugas akhir dan juga keterangan mengenai sistematika penulisan tugas akhir ini.

(16)

BAB II : Dasar Teori

Sebagai bahan acuan dalam penyusunan tugas akhir, oleh karena itu diperlukan dasar teori yang berupa materi-materi perkuliahan atau ilmu pengetahuan di luar perkuliahan yang berhubungan dengan tema tugas akhir.

BAB III : Perancangan Alat

Dalam bab ini akan dibahas mengenai perancangan alat yang meliputi perancangan perangkat lunak (software) dan perancangan perangkat keras (hardware).

BAB IV : Pengujian Alat Dan Simulasi

Bab ini akan membahas tentang hasil simulasi, pengujian alat yang meliputi perangkat lunak dan perangkat keras serta menjelaskan hasil pengujian.

BAB V : Penutup

(1)

DAFTAR PUSTAKA  Diktat Elektronika Daya

 Ir.Sulasno, Teknik Tenaga Listrik, Penerbit Satya wacana, Semarang.

 Bagus Setiawan, Makalah Seminar Tugas Ahir, Analisis Penyearah Jembatan Terkontrol Penuh Satu Fasa Dengan Beban Induktif. Fakultas Teknik Universitas Diponegoro Semarang.

 Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT.Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 1995.

 Ali, muhammad. Pembelajaran Perancangan Sistem Kontrol PID Dengan Software Mathlab. Dosen Jurusan Pendidikan Teknik Elektro Fakultas Teknik. Universitas Negri Yogyakarta.  Ekawati, Estiyanti.2006. Simulator Untuk Pengajaran Sistem Kontrol. Center For Instrumentation

Technology and Automation ITB.

 Hakim, Ermanu Azizul. 2010. Sistem Kontrol. UMM Press. Malang  Jurnal Slamet, M.B,.FT UI 2009

 Ogata, Katsuhiko : Teknik Kontrol Automatik-Terjemahan: Ir.Edi Laksono, Erlangga, Jakarta, 1991

 http://www.elektroindonesia.com/elektro/tutor12.html  elektronika-dasar.web.id

 sekilas rotary encoder, Arwindra Rizqiawan (Sekilas Rotary Encoder _ Konversi ITB.htm)http://konversi.wordpress.com

 Skripsi Muhammad Nafan, Aplikasi MF624 Pengontrolan RC Servo Berbasis Matlab  staff.ui.ac.id/system/files/users/chairul.hudaya/material/dcmotorpaperandaqa.pdf

 http://www.mathwork.com

(2)

 http://www.academia.edu/6212921/Topik_10_Motor_DC_PWM diakses pada :11 januari 2015  http://ctms.engin.umich.edu/CTMS/index.php?example=MotorSpeed&section=SimulinkModeli

ng diakses pada : 11 januari 2015

 http://hades.mech.northwestern.edu diakses pada : 22 januari 2015

 http://rade.stikom-bali.ac.id/id/2014/07/memprogram-arduino-menggunakan-matlab-simulink.html diakses pada :12 february 2015

 http://arduino.cc/en/Hacking/PinMapping2560 diakses pada : 16 february 2015

 http://elib.unikom.ac.id/files/disk1/528/jbptunikompp-gdl-syamsulsya-26361-3-unikom_s-i.pdf diakses pada :17 february 2015

 http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/synchronized6pulsegenerator.html? searchHighlight=6-pulse%20block diakses pada :13 maret 2015

(3)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

(4)

1.2 Tujuan

1. Merancang suatu penyearah jembatan terkontrol tiga fasa dengan beban motor dc.

2. Merancang kontrol kecepatan pada motor dc agar kecepatan pada motor tersebut dapat sesuai dengan yang diinginkan.

3. Mengaplikasikan hasil rancangan dalam bentuk perangkat keras menggunakan interface arduino mega 2560.

1.3 Rumusan Masalah

Dapat ditarik sebuah rumusan masalah dari perencanaan dan pembuatan alat ini yaitu :

1. Bagaimana merancang suatu rangkaian penyearah yang baik sehingga keluarannya sesuai dengan yang diharapkan.

2. Bagaimana merancang kontrol kecepatan motor dc agar kecepatannya sesuai dengan yang diinginkan.

1.4 Batasan Masalah

Agar dalam pembahasan ini tidak menyimpang jauh dari permasalahan perlu adanya pembatasan masalah antara lain:

1. Penyearah yang digunakan adalah penyearah jembatan terkontrol tiga fasa menggunakan Sillicon Controlled Rectifier (SCR).

2. Beban yang digunakan adalah motor dc magnet permanen.

3. Perancangan menggunakan program bantu MATLAB (Matrix Laboratory).

(5)

3 1.5 Metodologi Penulisan

Metodologi pembahasan yang digunakan dalam tugas ahir ini adalah sebagai berikut:

1. Studi literature :

2. Pembuatan alat dan simulasi:

Sebagai pengaplikasian dibuat alat dan simulasinya, serta pembahasannya yang dimulai dari rangkaian penyearah,dan kontrol kecepatan motor dc.

3. Pengujian alat dan simulasi :

Melakukan pengujian pada simulasi dan pengujian sistem komunikasi antara perangkat lunak dan perangkat keras serta melakukan pengujian pada rangkaian perangkat keras pada masing-masing blok diagram.

1.6 Sistematika Pembahasan

Dalam penyusunan skripsi ini dibagi dalam lima bab dan masing-masing bab akan terbagi dalam beberapa sub-bab. Adapun kelengkapan pembagian tersebut dapat di uraikan sebagai berikut :

BAB I : Pendahuluan

(6)

BAB II : Dasar Teori

Dalam bab ini akan dibahas mengenai perancangan alat yang meliputi perancangan perangkat lunak (software) dan perancangan perangkat keras (hardware).

BAB IV : Pengujian Alat Dan Simulasi

Bab ini akan membahas tentang hasil simulasi, pengujian alat yang meliputi perangkat lunak dan perangkat keras serta menjelaskan hasil pengujian.

BAB V : Penutup

PERANCANGAN PENYEARAH JEMBATAN TERKONTROL PENUH TIGA FASA DENGAN MOTOR DC