PENDAHULUAN LANDASAN TEORI PENGEREMAN PADA MOTOR SHUNT ANALISIS PENGEREMAN SECARA DINAMIS PADA MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT KESIMPULAN DAN SARAN PENGEREMAN PADA MOTOR SHUNT

Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 3 2. Rugi-rugi pada motor dan rangkaian diabaikan. 3. Motor dianggap berputar dengan kecepatan konstan ataupun dalam keadaan steady state saat dilakukan pengereman. 4. Membatasi permasalahan pada mikrokontroler, sebatas rangkaian kontrolnya.

I.4. Metode Penulisan

Karena Tugas Akhir ini merupakan suatu studi aplikasi, maka penulis mencari dan mengumpulkan bahan-bahan dan data-data yang diperlukan melalui : 1. Studi literature yaitu mengambil bahan dari buku-buku referensi, jurnal dan sebagainya, 2. Studi penelitian yaitu melakukan penelitian di laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Elektro FT-USU untuk mendapatkan data-data yang dibutuhkan selama penulisan tugas akhir ini, 3. Studi bimbingan yaitu diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh pihak Departemen Teknik Elektro USU mengenai masalah-masalah yang timbul selama penulisan Tugas Akhir berlangsung.

I.5. Sistematika Penulisan

Tugas Akhir ini disusun berdasarkan sistematika pembahasan sebagai berikut :

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisikan tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 4

BAB II : LANDASAN TEORI

Bab ini menjelaskan tentang teori – teori yang terdapat pada motor arus searah shunt, mikrokontroller AT89C51 dan komponen- komponen pendukung pada rangkaian percobaan

BAB III : PENGEREMAN PADA MOTOR SHUNT

Bab ini merupakan suatu tinjauan teori tentang pengereman pada motor arus searah shunt, rangkaian percobaan dan prinsip kerja rangkaian.

BAB IV : ANALISIS PENGEREMAN SECARA DINAMIS PADA MOTOR ARUS SEARAH PENGUATAN SHUNT

DENGAN MIKROKONTROLLER Bab ini membahas tentang proses pengambilan data pada percobaan – percobaan yang dilakukan serta bagaimana cara menganalisanya.

BAB V : KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi kesimpulan-kesimpulan yang didapat dari awal penelitian sampai selesainya penelitian, serta berisikan saran- saran untuk perbaikan di masa yang akan datang. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 5

BAB II LANDASAN TEORI

II.1. Umum

Terdapat 2 bagian yang memegang peranan penting yaitu motor arus searah yang berfungsi sebagai penggerak dan mikrokontroller sebagai alat kontrolnya. Pada bab ini akan dijelaskan secara umum tentang teori dasar yang terdapat pada motor arus searah dan mikrokontroller.

II.2. Motor Arus Searah

Pada prinsip sederhananya motor arus serah ialah suatu mesin listrik yang mengubah energi listrik pada arus serah DC menjadi energi gerak atau energi mekanik, dimana energi gerak tersebut berupa putaran pada bagian yang disebut rotor.

II.2.1. Konstruksi Motor Arus Searah

Secara fisik pada motor arus searah terdiri dari 2 bagian utama yaitu 1. Stator bagian yang diam terdiri dari rangka, komponen magnet dan komponen sikat 2. Rotor bagian yang berputar terdiri dari jangkar, kumparan jangkar dan komutator. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 6 Konstruksi pada motor arus searah secara umum dapat dilihat pada gambar 2.1.a dan 2.1.b : Gambar 2.1a Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Stator Gambar 2.1b Konstruksi Motor Arus Searah Bagian Rotor Keterangan dari gambar tersebut adalah :

1. Rangka

Rangka motor arus searah adalah tempat meletakkan sebagian besar komponen mesin dan untuk melindungi bagian mesin. Untuk itu rangka harus dirancang memiliki kekuatan mekanis yang tinggi untuk mendukung komponen- komponen mesin tersebut. Rangka juga berfungsi sebagai tempat mengalirkan fluksi magnet yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan. Rangka dibuat dengan menggunakan bahan ferromagnetik yang memiliki permeabilitas tinggi. Rangka biasanya terbuat dari Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 7 baja tuang cast steel atau baja lembaran rolled steel yang berfungsi sebagai penopang mekanis dan juga sebagai bagian dari rangkaian magnet.

2. Kutub Medan

Kutub medan terdiri atas inti kutub dan sepatu kutub, seperti yang terlihat pada gambar 2.2.. Sepatu kutub yang berdekatan dengan celah udara dibuat lebih besar dari badan inti. Adapun fungsi dari sepatu kutub adalah : a. Sebagai pendukung secara mekanis untuk kumparan medan b. Menghasilkan distribusi fluksi yang lebih baik yang tersebar di seluruh jangkar dengan menggunakan permukaan yang melengkung Kumparan penguat magnet berfungsi untuk mengalirkan arus listrik untuk terjadinya proses elektromagnetik. Gambar 2.2. Kutub Medan 3. Sikat Sikat adalah jembatan bagi aliran arus ke lilitan jangkar. Dimana permukaan sikat ditekan ke permukaan segmen komutator untuk menyalurkan arus listrik. Sikat memegang peranan penting untuk terjadinya komutasi. Sikat- sikat terbuat dari bahan karbon dengan tingkat kekerasan yang bermacam-macam dan dalam beberapa hal dibuat dari campuran karbon dan logam tembaga. Sikat harus lebih lunak daripada segmen-segmen komutator supaya gesekan yang Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 8 terjadi antara segmen-segmen komutator dan sikat tidak mengakibatkan ausnya komutator. Konstruksi sikat karbon secara umum dapat dilihat pada gambar 2.3. Gambar 2.3. Sikat Karbon pada Motor DC 4. Kumparan Medan Kumparan medan adalah susunan konduktor yang dibelitkan pada inti kutub. Dimana konduktor tersebut terbuat dari kawat tembaga yang berbentuk bulat ataupun persegi. Rangkaian medan yang berfungsi untuk menghasilkan fluksi utama dibentuk dari kumparan pada setiap kutub. Pada aplikasinya rangkaian medan dapat dihubungkan dengan kumparan jangkar baik seri maupun paralel dan juga dihubungkan tersendiri langsung kepada sumber tegangan sesuai dengan jenis penguatan pada motor

5. Jangkar

Inti jangkar yang umumnya digunakan dalam motor arus searah adalah berbentuk silinder yang diberi alur-alur pada permukaannya untuk tempat melilitkan kumparan jangkar tempat terbentuknya ggl induksi. Inti jangkar terbuat dari bahan ferromagnetik. Bahan yang digunakan untuk jangkar ini merupakan sejenis campuran baja silikon. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 9

6. Kumparan Jangkar

Kumparan jangkar pada motor arus searah merupakan tempat dibangkitkannya ggl induksi. Pada motor DC penguatan kompon panjang kumparan medan serinya diserikan terhadap kumparan jangkar, sedangkan pada motor DC penguatan kompon pendek kumparan medan serinya diparalel terhadap kumparan jangkar. Jenis-jenis konstruksi kumparan jangkar pada rotor ada tiga macam yaitu: 1. Kumparan jerat lap winding 2. Kumparan gelombang wave winding 3. Kumparan zig – zag frog-leg winding Gambar kumparan jangkar dapat dilihat pada gambar 2.4. Gambar 2.4. Kumparan Jangkar 7. Komutator Untuk memperoleh tegangan searah diperlukan alat penyearah yang disebut komutator dan sikat. Komutator terdiri dari sejumlah segmen tembaga yang berbentuk lempengan-lempengan yang dirakit ke dalam silinder yang terpasang pada poros. Di mana tiap-tiap lempengan atau segmen-segmen komutator terisolasi dengan baik antara satu sama lainnya. Bahan isolasi yang Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 10 digunakan pada komutator adalah mika. Gambar komutator dapat dilihat pada gambar2.5 Agar dihasilkan tegangan arus searah yang konstan, maka komutator yang digunakan hendaknya dalam jumlah yang besar. Gambar 2.5. Komutator 8. Celah Udara Celah udara merupakan ruang atau celah antara permukaan jangkar dengan permukaan sepatu kutub yang menyebabkan jangkar tidak bergesekan dengan sepatu kutub. Fungsi dari celah udara adalah sebagai tempat mengalirnya fluksi yang dihasilkan oleh kutub-kutub medan.

II.2.2. Prinsip Kerja Motor Arus Searah

Setiap konduktor yang dialiri arus mempunyai medan magnet disekelilingnya. Kuat medan magnet yang timbul tergantung pada besarnya arus yang mengalir dalam konduktor. H = l I N × ............................................................................... 2.1 Di mana : H = Kuat medan magnet [Lilitan amperemeter] Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 11 N = Banyak kumparan [Lilitan] I = Arus yang mengalir pada penghantar [Ampere] l = Panjang dari penghantar [meter] a b c Gambar 2.6 Pengaruh penempatan konduktor pengalir arus dalam medan magnet Pada gambar 2.6a menunjukkan sebuah medan magnet seragam yang dihasilkan oleh kutub-kutub magnet utara dan selatan yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan.. Sedangkan gambar 2.6b menggambarkan sebuah konduktor yang dialiri arus searah dan menghasilkan medan magnet garis-garis gaya fluksi disekelilingnya. Jika konduktor yang dialiri arus tersebut ditempatkan di dalam medan magnet seragam, maka interaksi kedua medan akan menimbulkan medan yang tidak seragam seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.6c. Sehingga kerapatan fluksi akan bertambah besar di atas sebelah kanan konduktor dekat kutub selatan dan di bawah sebelah kiri konduktor dekat kutub utara sedangkan kerapatan Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 12 fluksi menjadi berkurang di atas sebelah kiri konduktor dan di bawah sebelah kanan konduktor. Kerapatan fluksi yang tidak seragam ini menyebabkan konduktor di sebelah kiri akan mengalami gaya ke atas, sedangkan konduktor di sebelah kanan akan mengalami gaya ke bawah. Kedua gaya tersebut akan menghasilkan torsi yang akan memutar jangkar dengan arah putaran searah dengan putaran jarum jam. Prinsip dasar di atas diterapkan pada motor DC. Prinsip kerja sebuah motor arus searah dapat dijelaskan dengan gambar 2.7 berikut: Gambar 2.7 Prinsip kerja motor arus searah Berdasarkan gambar di atas kedua kutub stator dibelitkan dengan konduktor- konduktor sehingga membentuk kumparan yang dinamakan kumparan stator atau kumparan medan. Kumparan medan tersebut dihubungkan dengan suatu sumber tegangan, maka pada kumparan medan itu akan mengalir arus medan I f . Kumparan medan yang dialiri arus ini akan menimbulkan fluksi utama yang dinamakan fluksi stator. Fluksi ini merupakan medan magnet yang arahnya dari kutub utara menuju kutub selatan hal ini dapat dilihat dengan adanya garis– garis fluksi. Apabila pada kumparan jangkar mengalir arus yakni arus jangkar, berdasarkan hukum Lorenzt kita ketahui bahwa apabila sebuah konduktor yang Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 13 dialiri arus ditempatkan pada sebuah medan magnet maka pada konduktor tersebut akan timbul gaya, maka demikian pula halnya pada kumparan jangkar. Besarnya gaya ini bergantung dari besarnya arus yang mengalir pada kumparan jangkar I, kerapatan fluksi B dari kedua kutub dan panjang konduktor jangkar l. Semakin besar fluksi yang terimbas pada kumparan jangkar maka arus yang mengalir pada kumparan jangkar juga besar, dengan demikian gaya yang terjadi pada konduktor juga semakin besar. Jika arus jangkar I tegak lurus dengan arah induksi magnetik B maka besar gaya yang dihasilkan oleh arus yang mengalir pada konduktor jangkar yang ditempatkan dalam suatu medan magnet adalah : F = B . I . l ................................................................... 2.2 di mana : F = Gaya [Newton] B = Kerapatan fluksi [Weberm 2 ] I = Arus yang mengalir pada konduktor jangkar [Ampere] l = Panjang konduktor jangkar [m] II.2.3 Torsi dan Kecepatan Motor Arus Searah II.2.3.1. Torsi Torsi adalah putaran atau pemuntiran dari suatu gaya terhadap suatu poros. Ini diukur dengan hasil kali gaya itu dengan jari - jari lingkaran dimana gaya tersebut bekerja. Didalam motor DC, setiap konduktor di bagian permukaan jangkar akan mengalami gaya F pada suatu jarak r yang merupakan jari-jari jangkar. Dengan demikian, masing-masing konduktor menghasilkan suatu torsi yang cenderung Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 14 untuk memutar jangkar. Jumlah torsi yang dihasilkan oleh konduktor jangkar dikenal dengan torsi jangkar T a . Gaya pada setiap konduktor, F = B i l Torsi yang dihasilkan oleh satu konduktor, r F T a . = Torsi jangkar total, T a = Z F r Maka, r l i B Z T a . . . . = ……………………2.3 Sekarang i = I a A dan B = a , dimana a ad alah luas penampang jalur fluks perkutub pada jari-jari r. Jelasnya, P l r a π 2 = Maka, A P I Z r l A I P l r Z r l A I a Z T a a a a π π 2 2 Φ = Φ =             Φ = Atau       Φ = A P I Z T a a 159 , ………….………………………………..2.4 Karena Z, P dan A nilainya selalu tetap, maka : a a I T φ ~ Karena itu torsi di dalam motor DC berbanding langsung dengan fluks per kutub dan arus jangkar. Untuk motor Dc shunt, besarnya fluks relatif konstan sehingga : a a I T ~ Torsi jangkar dapat juga dinyatakan sebagai berikut : A n Z P E a 60 Φ = n E A Z P a 60 = Φ Sehingga, n I E I n E T a a a a a 55 , 9 60 159 , =       = ...............................................2.5 Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 15 Dimana : T a = Torsi jangkar [Newton-meter] φ = fluksi setiap kutub [weber] a I = arus jangkar [ampere] P = jumlah kutub Z = jumlah total konduktor jangkar A = jalur paralel konduktor jangkar

II.2.3.2. Kecepatan Motor Arus Searah

Sebagaimana telah diketahui bahwa di dalam motor DC berlaku persamaan : a a a R I V E − = Tetapi, A n Z P E a 60 Φ = Sehingga, a a R I V A n Z P − = Φ 60 Atau, Φ − = Φ − = a a a a R I V K Z P A R I V n 60 Tetapi, a a a R I V E − = Maka, Φ = a E K n ……………………………………………….2.6 Atau Φ a E n ~ Dengan demikian di dalam motor DC, kecepatan berbanding lurus dengan GGL balik E a dan berbanding terbalik dengan fluks per kutub . Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 16 Umumnya pada setiap motor, torsi dan kecepatan merupakan factor yang sangat penting. Ketika torsi meningkat, kecepatan motor akan berkurang dan sebaliknya.

II.2.4. Jenis-jenis Motor Arus Searah

Jenis-jenis motor arus searah dapat dibedakan berdasarkan jenis penguatannya, yaitu hubungan rangkaian kumparan medan dengan kumparan jangkar. Sehingga motor arus searah dibedakan menjadi : 1. Motor arus searah penguatan bebas 2. Motor arus searah penguatan sendiri

II.2.4.1. Motor Arus Searah Penguatan Bebas

Motor arus searah penguatan bebas adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari luar motor. Di mana kumparan medan disuplai dari sumber tegangan DC tersendiri. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas dapat dilihat pada gambar 2.8 di bawah ini: + - E a R a V f V t I a I f + - R f Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan bebas II.2.4.2. Motor Arus Searah Penguatan Sendiri Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 17 Motor arus searah penguatan sendiri adalah motor arus searah yang sumber tegangan penguatannya berasal dari motor itu sendiri. Dimana kumparan medan berhubungan langsung dengan kumparan jangkar. Kumparan medan dapat dihubungkan secara seri maupun paralel dengan kumparan jangkar. Dan juga dapat dihubungkan dengan keduanya,yaitu secara seri dan paralel, tergantung pada jenis penguatan yang diberikan terhadap motor. Motor arus searah penguatan sendiri terdiri atas: 1. Motor arus searah penguatan seri 2. Motor arus searah penguatan shunt 3. Motor arus searah penguatan kompon panjang • Motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif • Motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial 4. Motor arus searah penguatan kompon pendek • Motor arus searah penguatan kompon pendek komulatif • Motor arus searah penguatan kompon pendek diferensial

II.2.4.2.1. Motor Arus Searah Penguatan Seri

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri dapat dilihat pada gambar 2.9 : Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 18 R s V t + - E a R a I a I L + - I S Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan seri Pada motor arus searah penguatan seri, kumparan medan dihubungkan secara seri dengan rangkaian jangkar. Oleh sebab itu arus yang mengalir pada kumparan medan seri sama dengan arus yang mengalir pada kumparan jangkar.

II.2.4.2.2. Motor Arus Searah Penguatan Shunt

Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt ditunjukkan pada gambar 2.10 : + - V t E a R a I a I L + - R sh I sh Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan shunt Pada motor shunt kumparan jangkar dihubungkan langsung pada terminal sehingga paralel dengan kumparan jangkar.

II.2.4.2.3. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Panjang

Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 19 Pada motor arus searah penguatan kompon panjang, kumparan medan serinya terhubung secara seri terhadap kumparan jangkarnya dan terhubung paralel terhadap kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang dapat dilihat pada gambar 2.11a dan 2.11b : R s V t - + R I a I L I s R sh I sh E a a - + Gambar 2.11. a Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial Pada motor arus searah penguatan kompon panjang diferensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan atau sesuai aturan dot, salah satu arus medannya memasuki dot sedangkan yang lainnya meninggalkan dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi. Pada motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama atau dikarenakan kedua arus medannya sama – sama memasuki dot, sehingga fluksi yang dihasilkannya saling menguatkan . Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 20 - R s V t + E a R a I a I L - I s R sh I sh . . + Gambar 2.11. b Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif

II.2.4.2.4. Motor Arus Searah Penguatan Kompon Pendek

Pada motor arus searah penguatan kompon pendek, kumparan medan serinya terhubung secara paralel terhadap kumparan jangkar dan kumparan medan shunt. Rangkaian ekivalen motor arus searah penguatan kompon pendek dapat dilihat pada gambar 2.12a dan 2.12b : + - E a R a V t I a I L + - R s I s R sh I sh Gambar 2.12.a Rangkaian ekivalen motor arus searah Penguatan kompon pendek diferensial Pada motor arus searah penguatan kompon pendek diferensial, polaritas kedua kumparan medannya saling berlawanan, sehingga fluksi yang dihasilkannya menjadi saling mengurangi. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 21 R s V t - + E a R a I a I L - I s R sh I sh Gambar 2.12.b Rangkaian ekivalen motor arus searah Penguatan kompon pendek komulatif Pada motor arus searah penguatan kompon panjang komulatif, polaritas kedua kumparan medannya sama sehingga fluksi yang dihasilkannya saling menguatkan.

II.2.5. Karakteristik Motor Arus Searah Shunt i

Karakteristik T a I a Telah diketahui bahwa di dalam motor DC, a a I T φ ~ Karena motor beroperasi dari suatu tegangan sumber yang konstan, fluksi juga konstan dengan mengabaikan rekasi jangkar. Maka : a a I T ~ Dengan demikian karakteristik T a I a motor DC Shunt merupakan garis lurus yang melalui titik asal seperti ditunjukkan pada Gambar 2.13. Jelas terlihat Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 22 pada kurva bahwa arus yang sangat besar dibutuhkan untuk menstart beban yang berat. T I a T a Gambar 2.13. Karakteristik T a I a ii Karakteristik n I a Fluksi dan GGL lawan E a di dalam motor DC Shunt hampir konstan, dengan demikian kecepatan motor DC shunt selalu konstan walaupun arus jangkar berubah – ubah nilainya. Bagaimanapun E a berkurang lebih sedikit daripada sehingga dengan demikian kecepatan motor menurun sedikit dengan pertambahan beban seperti terlihat pada Gambar 2.14 n I a Gambar 2.14. Karakteristik n I a iii Karakteristik n T a Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 23 Suatu kurva diperoleh denggan menggambarkan nilai n dan T a untuk berbagai arus jangkar dapat dilihat pada gambar 2.15 dimana kecepatan agak menurun seiring dengan pertambahan beban. n I a Gambar 2.15. Karakteristik n T a

II. 3 MIKROKONTROLLER AT89C51

Mikrokontroller AT89C51 adalah sebuah mikrokontroller buatan ATMEL. Mikrokontroller ini masih termasuk dalam keluarga mikrokontroller MCS-51 yaitu merupakan versi yang dilengkapi dengan ROM internal yaitu berupa EEPROM, seperti yang dapat dilihat pada tabel 2.1. Mikrokontroller AT89C51 adalah low power high performance CMOS 8 bit, 4 Kbyte flash Programmable and Eresable Read Only Memory PEROM. IC mikrokontroller ini kompatible dengan standar MCS-51 baik dari instruksi maupun pena-penanya yang dapat diaplikasikan sebagai Embedded Controller. .Tabel 2.1. Keluarga Mikrokontroller MCS-51 Type Type tanpa EPROM Type dengan EPROM ROM RAM byte Port IO 8051 8051 AH 8052 AH 80C51 BH 83C51 FA 83C51 FB 8031 8031 AH 8032 AH 8031 BH 80C51 FA 80C51 FA - 8751 H 8751 BH 8752 BH 87C51 87C51 FA 87C51 FB 4 K 4 K 8 K 4 K 8 K 16 K 128 128 256 128 256 256 4 4 4 4 4 5 Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 24 Berikut ini adalah kemampuan yang dimiliki oleh mikrokontroller AT89C51 : - Kompatibel dengan keluarga MCS-51. - 4 Kbyte Programmable Flash Memory PEROM di dalam chip yang dapat ditulis dan dihapus sampai seribu kali. - Dapat beroperasi pada frekuensi 0 Hz sampai 24 MHz. - 3 level program kunci memori. - 128 x 8-bit RAM internal. - 32 jalur IO. - Dua buah timercounter 16 bit. - 6 buah jalur interupsi. - Serial channel yang dapat diprogram. - Hemat catu daya dan Power Down Modes.

II.3.1 Pena-Pena Mikrokontroller AT89C51

Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 25 Gambar 2.16 Pena-pena Mikrokontroller AT89C51 Susunan pena-pena mikrokontroller AT89C51 seperti gambar 2.16 dapat dijelaskan sebagai berikut : - Pena 1 sampai 8 adalah port 1 Merupakan Port parallel 8 bit data dua arah bidirectional yang dapat digunakan untuk berbagai keperluan general purpose. - Pena 9 RESET Masukan reset aktif tinggi. Pulsa transisi dari rendah ke tinggi akan mereset AT89C51. Pena ini dihubungkan dengan rangkaian power on reset yang terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah resistor yang berfungsi sebagai pembangkit frekuensi. - Pena 10 sampai 17 adalah port 3 Port paralel 8 bit dua arah yang memiliki fungsi pengganti. Fungsi pengganti meliputi TxD Transmite Data, RxD Receiver Data, Int0 Interrupt 0, Int1 Interrupt 1, T0 timer 0, T1 Timer 1, WR Write, Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 26 dan RD Read. Bila fungsi pengganti tidak dipakai, pena-pena ini dapat digunakan sebagai port parallel 8 bit serba guna. - Pena 18 XTAL 1 Pena masukan ke rangkaian osilator internal. Sebuah osilator kristal atau sumber osilator luar dapat digunakan. - Pena 19 XTAL 2 Pena keluaran ke rangkaian osilator internal. Pena ini dipakai bila menggunakan osilator kristal. - Pena 20 GROUND Dihubungkan ke Vss atau ground. - Pena 21 sampai 28 adalah port 2 Port paralel 2 P2 selebar 8 bit dua arah bidirectional. Port 2 ini mengirimkan byte alamat bila dilakukan pengaksesan memory eksternal. - Pena 29 Pena PSEN Program Store Enable yang merupakan sinyal pengontrol yang membolehkan program memory eksternal masuk ke dalam bus selama proses pemberianpengambilan instruksi Fetching. - Pena 30 Pena ALE Address Latch Enable yang digunakan untuk menahan alamat memory eksternal selama pelaksanaan instruksi. - Pena 31 EA Bila pena ini diberi logika tinggi H, mikrokontroller akan melaksanakan instrusi dari ROM EPROM ketika isi program counter kurang dari 4096. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 27 Bila diberi logika rendah L maka mikrokontroller akan melaksanakan seluruh instruksi dari memori program luar. - Pena 32 sampai 39 adalah port 0 Merupakan port paralel 8 bit open drain dua arah. Bila digunakan untuk mengakses program luar, port ini akan memultipleks alamat memori dengan data. - Pena 40 Merupakan Vcc yang dihubungkan ke tegangan positif.

II.3.2. Blok Diagram Mikrokontroller AT89C51

TI MI NG AND CONTROLL I NSTRUCTI ON REGI STER PSW ALU TMP 1 TMP 1 ACC B REGI STER RAM RAM ADDR REGI STER PORT 0 LATCH PORT 2 LATCH FLASH STACK POI NTER I NTERRUPT, SERI AL PORT, AND TI MER BLOCKS DPTR PROGRAM COUNTER PC I NCREMENTER BUFFER PROGRAM ADDRESS REGI STER PORT 1 LATCH PORT 3 LATCH PORT 0 DRI VERS PORT 1 DRI VERS PORT 3 DRI VERS PORT 2 DRI VERS P0.0 - P0.7 P2.0 - P2.7 P1.0 - P1.7 P3.0 - P3.7 OSC PSEN CE PROG EA Vpp RST Vcc GND Gambar 2.17. Blok Diagram AT89C51 Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 28 Dari diagram blok mikrokontroller pada gambar 2.17 terlihat bahwa terdapat beberapa blok internal dari IC AT89C51 seperti : - ALU Aritmatic Logic Unit ALU adalah suatu unit yang melaksanakan proses aritmatic dan logika seperti penjumlahan, pengurangan, pembagian, AND, OR, X – OR, rotasi, clear dan komplemen operasi percabangan. - Akumulator Akumulator adalah merupakan register aritmatika yang berfungsi sebagai penempung data sebelum dan sesudah proses. Sebagian besar instruksi pemrosesan pada AT 89C2051 menggunakan akumulator sebagai operand sumber atau tujuan pengiriman data dan ke port. - Register B Register B digunakan selama operasi perkalianpembagian 8 bit dan dapat juga digunakan sebagai register operand sumberatau operand tujuan. - Stack pointer Stack pointer digunakan sebagai tempat penyimpanan variable data yang ditindih dalam memori atau sebagai register petunjuk. - RAM Random Acces Memory RAM adalah memori yang dapat dibaca atau ditulis. Data dalam RAM akan terhapus bersifat volatile bila catu daya dihilangkan. Karena sifat Ram yang volatile ini, maka program mikrokontroller tidak disimpan dalam RAM. RAM digunakan untuk menyimpan data sementara, yaitu data yang tidak begitu vital bila hilang akibat aliran daya terputus. RAM pada IC ini mempunyai kapasitas sebesar 128 byte x 8 bit. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 29 - Program AddressRegister Program address register merupakan alamat register dari program. - TMP1TMP2 TMP1TMP2 berfungsi sebagai timercounter 16 bit yang terangkai secara internal. - Buffer Dilihat dari fungsinya, buffer pada IC ini merupakan penyangga aga data yang dipindahkan dari suatu register ke register lain tetap atau tdak berantakan. - RAM Address Register RAM address register merupakan sebagai jalan menuju RAM. Semua pengolahan data memakai RAM harus terlebih dahulu melewati RAM address register.

II.3.3. Reset

Input reset dilakukan melalui pin RST. Reset dilakukan selama 2 siklus mesin dan pin RST tinggi. Dalam hal ini CPU akan mengaktifkan internal reset, rangkaian reset dapat dilihat 2.18. Karena sinyal reset eksternal tidak sinkron dengan clock internal maka pin RST diambil pada state 5 SS dan fas setiap siklus mesin. Aktifis port tetap dipertahankan selama 19 priode osilator sesudah logika 1 diambil pada kaki RST. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 30 10uF 8.2kohm VCC RST Gambar 2.18. Power On Reset II.3.4. TimerCounter One chip mikrokontroller ini memilik dua timer yang dapat dikonfigurasikan beroperasi sebagai timer atau counter. Saat berfungsi sebagai timer, isi register timer ditambah 1 untuk tiap siklus mesin, sedangkan untuk fungsi counter isi register akan bertambah 1 setiap ada transisi sinyal pada pin input eksternal. Pada pemanfaatan sebagai counter, sinyal input yang dimaksudkan dapat berupa low level atau falling edge trigger. Counter akan mencacah setiap masukan yang ada sesuai inisialisasi harga awal dari counter pada nilai hitungan untuk tiap sampling. Inisialisasi harga awal ini berupa nilai preset negatif counter yang diatur sebelum counter dijalankan. Demikian halnya dengan pemanfaatan timer yang memerlukan inisialisasi awal berupa konstanta waktu yang menentukan sampai berapa lama akan terjadi roll over. Penentuan harga preset ini berhubungan dengan penggunaan frekuensi clock dari sistem penentu waktu sampling dari counter untuk mencacah suatu pulsa masukan dari luar dengan memanfaatkan kontrol interupsi yang ada serta pengaturan program. Sebagai tambahan pada pemilihan countrtimer, timer 0 dan timer 1 mempunyai 4 buah modul yang dapat dipilih dengan menentukan Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 31 pasangan bit M0 dan M1 pada register TMOD. Untuk pemilihan timercounter dikontrol dengan bit CT di TMOD.

BAB III PENGEREMAN PADA MOTOR SHUNT

III.1. Umum Pengereman pada motor arus searah adalah suatu usaha yang diberikan terhadap motor arus searah yang sedang berputar agar motor tersebut mengalami perlambatan ataupun berhenti dalam waktu yang singkat. Pengereman itu sendiri dapat dilakukan secara mekanis dan elektris. Dimana prinsip kerja rem mekanis ini adalah dengan menjepit bagian yang berputar pada motor agar motor semakin lambat putarannya dan akhirnya berhenti. Namun permasalahan yang dihadapi dalam pengereman mekanis ini adalah jika motor yang sedang direm itu berputar dengan cepat maka gesekan yang terjadi pada rem akan membuat temperatur pada rem sangat panas sehingga pada keadaan ini rem membutuhkan waktu yang lama untuk melepaskan panas tersebut agar rem menjadi dingin dan dapat dioperasikan kembali. Sedangkan pengereman secara elektris dapat memperlambat motor yang sedang berputar dan menghentikannya dalam waktu yang singkat dan dapat pulih Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 32 dalam waktu yang cepat. Sehingga ini sangatlah bermanfaat karena motor akan dapat terus dioperasikan kembali tanpa perlu menunggu seperti pada pengereman secara mekanis. Tetapi pengereman elektris juga memiliki kelemahan yaitu ketidakmampuannya menahan beban, ini disebabkan gaya pengereman akan menurun jika kecepatan berkurang dan pada saat motor berhenti maka tidak ada lagi gaya pengereman. III.2. Jenis – jenis Pengereman pada Motor Arus Searah Pengereman pada motor arus searah dapat dibedakan menjadi tiga bagian yaitu: 1. Pengereman dinamis Pengereman ini dilakukan dengan cara memutuskan suplai tegangan ke sebuah motor yang sedang berjalan dengan terbukanya kontaktor C 1 dan C 2 lalu dihubungkan dengan sebuah tahanan Rp pada terminal jangkarnya dengan cara tertutupnya kontaktor C 3 dan C 4 , sehingga motor akan berlaku sebagai generator yang mengalirkan arus melalui tahanan. Sehingga ini akan menyebabkan energi yang dihasilkan oleh jangkar akibat dari putaran sisa akan dilepas melalui tahanan dalam bentuk panas. Gambar 3.2 merupakan salah satu rangkaian pengereman dinamis pada motor shunt. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 33 V t R P R sh R a I I sh I a1 C 1 C 2 C 3 C 4 + - E a V t R P R sh R a I I sh I a1 C 1 C 2 C 3 C 4 + - E a I a2 a b Gambar 3.2. Pengereman Dinamis pada Motor DC Shunt a. Sebelum pengereman b. Saat pengereman 2. Pengereman Plugging Pengereman ini dilakukan dengan cara membalik putaran motor yang sedang berputar. Pada saat motor berputar pada kecepatan nominal, jika salah satu dari arus jangkar atau arus medan dibalik arahnya maka akan timbul torsi baru yang berlawanan arah dengan torsi mula – mula. Torsi ini dipengaruhi oleh besar arus yang mengalir pada tahanan jangkar. Untuk membatasi arus yang mengalir pada jangkar dipasang tahanan yang diserikan dengan tahanan jangkar. Besar tahanan inilah yang mempengaruhi waktu mulai saat pengereman dilakukan sampai motor berhenti. Pada pengereman plugging, saat kecepatan putaran motor menjadi nol maka sumber tegangan harus dilepas dari kumparan jangkar, jika pada kumparan Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 34 jangkar masih tetap mengalir arus maka motor akan kembali berputar dengan arah yang berlawanan. Pengereman plugging pada motor DC penguatan shunt dan motor DC penguatan seri dapat dilakukan dengan 2 cara : 1. Dengan membalik arah arus medan I f 2. Dengan membalik arah arus jangkar I a Salah satu cara pengereman secara plugging dapat dilihat pada gambar 3.3. 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C Rp Rsh Ra Ea + - Gambar 3.3. Pengereman Plugging pada Motor DC Shunt 3. Pengereman Regeneratif Pada pengereman regeneratif ini energi yang tersimpan pada putaran dikembalikan kepada sistem jala-jala. Cara ini biasanya dipakai pada kereta api listrik. Ketika kereta api berjalan menuruni lereng bukit maka kecepatan motor akan laju sekali meskipun tegangan yang diberikan tetap. Dengan bertambahnya kecepatan motor yang melebihi kecepatan nominalnya maka besar E a akan lebih besar dari V t . Sehingga ini akan mengakibatkan daya dikembalikan kepada sistem jala-jala untuk keperluan lain. Pada saat daya dikembalikan ke jala-jala kecepatan menurun dan proses pengereman berlangsung seperti pengereman dinamis. Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 35 III.3. Pengereman Dinamis pada Motor Shunt Dengan Mikrokontroller Penggunaan mikrokontroller pada pengereman ini hanyalah untuk menunjukkan salah satu otomatisasi pada motor. Gambar 3.4. Pengereman Dinamis Motor Shunt Dengan Mikrokontroller Rangkaian dibuat seperti Gambar 3.4. Mula-mula tegangan terminal Vt sama dengan nol sehingga motor dalam masih keadaan diam. Kemudian secara perlahan tegangan terminal Vt dinaikkan sampai motor mencapai kecepatan nominal kemudian jika mikrokontroller menerima perintah untuk mengerem maka Relay1 memiliki 2 kontak dimana jika pada posisi NO Normally Open maka motor akan mengerem sedangkan jika NC Normally Closed maka motor terhubung ke sumber tegangan. Mikrokontroller akan memberikan masukan ke ULN2803A kemudian meneruskannya ke Relay1. Relay1 kemudian akan membuka Normally Closed dan menutup Normally Open sehingga kini motor tidak menerima sumber tegangan dan rangkaian jangkar motor terhubung ke Aditia Oktavianus Sitepu : Studi Pengereman Secara Dinamis Pada Motor Arus Searah Penguatan Shunt Dengan Mikrokontroller Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-Usu , 2008. USU Repository © 2009 36 tahanan pengereman. Pada keadaan ini motor akan tetap berputar, akibatnya motor akan berlaku sebagai generator dan arus pengereman akan mengalir tergantung pada besar tahanan R P . Energi yang dimiliki oleh jangkar yang diakibatkan oleh perputaran akan dilepas melalui tahanan dalam bentuk panas yang menyebabkan kecepatan motor berkurang dan sampai akhirnya akan berhenti. Walaupun pengereman dilakukan dengan mikrokontroller tetapi cara menentukan besarnya arus dan torsi tetap sama seperti pada pengereman dinamis umumnya, yaitu : I arem = Ra R Ea Vt P + + = Ra R Ea Ra R Vt P P + + + = Ra R n c Ra R Vt P P + + + φ dan besarnya torsi pengereman adalah : T rem = k 1 φ I arem = k 1 φ     + + + a P a P t R R cn R R V φ T rem = 2 1 1 φ φ     + +     + a P a P t R R cn k R R V k = k 2 φ + k 3 2 φ

BAB IV ANALISIS PENGEREMAN SECARA DINAMIS PADA