BAB 6 - MOTOR DAN GENERATOR INDUSTRI

Motor Listrik

Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll di industri dan digunakan juga pada peralatan listrik rumah tangga (seperti: mixer, bor listrik,kipas angin).

Anda dapat melihat animasi prinsip kerja motor DC ini di sini.

Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri, sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum sama (Gambar 1), yaitu:
• Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.
• Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
• Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.
• Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok:
• Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.
• Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).
• Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.

Gambar 1. Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.

JENIS MOTOR LISTRIK

Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawah ini.

Gambar 2. Klasifikasi Motor Listrik.


1. Motor DC/Arus Searah
Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama:
• Kutub medan. Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.
• Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
• Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.

Gambar 3. Motor DC.

Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
• Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
• Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut:

Gaya elektromagnetik: E = KΦN

Torsi: T = KΦIa

Dimana:
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt)
Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)
T = torsi electromagnetik
Ia = arus dinamo
K = konstanta persamaan

Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah

a. Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited, Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately excited.

b. Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt. Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 4. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.

Gambar 4. Karakteristik Motor DC Shunt.

Berikut tentang kecepatan motor shunt (E.T.E., 1997):
• Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
• Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).

c. Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan dalam gambar 5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.

Berikut tentang kecepatan motor seri (Rodwell International Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):
• Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.
• Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.
Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar 5).

Gambar 5. Karakteristik Motor DC Seri.

d. Motor DC Kompon/Gabungan.
Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6. Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-50% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok (myElectrical, 2005).

Gambar 6. Karakteristik Motor DC Kompon.

2. Motor AC/Arus Bolak-Balik

Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar 7.

Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).

Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik

a. Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.

Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 7):
• Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya.
• Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.

Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):

Ns = 120 f / P

Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub

Gambar 7. Motor Sinkron.

b. Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.

Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8):
• Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
- Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
- Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.
• Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .

Klasifikasi motor induksi

Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003):
• Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
• Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.

Gambar 8. Motor Induksi.

Kecepatan motor induksi

Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor”.

Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran(Parekh, 2003):

% Slip = (Ns – Nb)/Ns x 100

Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM

Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi

Gambar 9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.

Gambar 9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):
• Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang rendah (“pull-up torque”).
• Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun.
• Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke nol. 

GENERATOR LISTRIK

Generator merupakan sebuah alat yang mampu menghasilkan arus listrik. salah satu jenis generator adalah generator arus bolak balik yang akan dibahas saat ini. Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik arus bolak-balik. 

Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator atau generator AC (alternating current) atau juga generator singkron. Alat ini sering dimanfaatkan di industri untuk mengerakkan beberapa mesin yang menggunakan arus listrik sebagai sumber penggerak.

Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:

a. Generator arus bolak-balik 1 fasa

b. Generator arus bolak-balik 3 fasa

Prinsip Kerja Generator

Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday yang menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah, maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik.

Besar tegangan generator bergantung pada :

1. Kecepatan putaran (N)

2. Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluk (Z)

3. Banyaknya fluk magnet yang dibangkitkan oleh medan magnet (f)

3. Konstruksi Generator

Generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu

1. Stator, merupakan bagian diam dari generator yang mengeluarkan tegangan bolakbalik

2. rotor, merupakan bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke stator.

Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator. Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat alur-alur tempat meletakkan lilitan stator. 

Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan tegangan. Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Jumlah Kutub pada Generator

Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan berikut ini.

Keterangan:

f = frekuensi tegangan (Hz)

p = jumlah kutub pada rotor

n = kecepatan rotor (rpm)

GENERATOR ARUS SEARAH

Dua bagian utama generator arus searah yakni :

1. Rotor adalah bagian generator yang berputar, terdiri dari :

• Poros jangkar
• Inti jangkar
• Komutator
• Kumparan jangkar

2. Motor adalah bagian generator yang tidak berputar, terdiri dari :

• Kerangka generator
• Kutub utama dengan belitannya
• Kutub pembantu dengan belitannya
• Bantalan poros
• Sikat

Jenis belitan jangkar meliputi :

1. Belitan jerat (lap winding)

     a = p

2. Belitan gelombang (wave winding)

     a = 2

    Dimana :

    p = jumlah pasangan

    a = jumlah kutub

Fungsi dari generator adalah untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga listrik.

Adapun prinsip kerjanya :

1. Arus listrik yang diberikan pada penghantar rotor akan menimbulkan momen elektromagnetik yang bersifat melawan putaran rotor dan seterusnya menimbulkan gaya gerak listrik.
2. Tegangan ggl yang dibangkitkan akan menghasilkan arus jangkar.

Persamaan dalam perhitungan generator arus searah

Ea = V + Ia Ra

Ea = (Ø Z N/60) x (P/a)

Dimana :

Ea = Gaya gerak listirk yang dibangkitkan pada jangkar generator

V = Tegangan terminal generator yang diberikan

Ia = Arus jangkar

Ra = Tahanan jangkar

Ø = Fluks per kutub

Z = Jumlah konduktor

N = Kecepatan putaran (rpm)

a = Jumlah kutub

Macam – macam generator arus searah :

1. Generator mesin berpenguatan luas

2. Generator mesin berpenguatan sendiri, meliputi :

• Mesin hubungan seri
• Mesin hubungan parallel (shunt)
• Mesin hubungan kompon (gabungan seri dan parallel)

Adapun rugi – rugi yang terjadi pada generator, diantaranya :

1. Rugi – rugi tembaga, antara lain :

• Pada kumparan medan shunt
• Pada kontak sikat
• Pada jangkar
• Pada kumparan medan seri
• Pada lilitan – lilitan medan tambahan misalnya belitan dan kompensasi

2. Rugi – rugi besi/mekanis, antara lain :

• Pada besi
• Pada gesekan

Tiga karakteristik generator DC, yakni :

1. Karakteristik penjenuhan beban nol (Eo/If)

     Disebut juga sebagai karakteristik magnetic atau untai terbuka.

2. Karakteristik total atau karakteristik dalam (E/Ia)

3. Karakteristik luar (V/IL)

BAB 5 - ELEKTRONIK DAYA

Pada Sistem Tenaga Listrik terdapat penggunaan komponen elektronika yang umumnya dipakai dalam rangkaian pengaturan motor-motor listrik. Komponen-komponen elektronika yang dipergunakan pada sistem tenaga listrik pada prinsipnya harus mampu menghasilkan daya yang besar atau mampu menahan disipasi daya yang besar. 

Elektronika daya meliputi switching, pengontrolan dan pengubah (konversi) blok-blok yang besar dari daya listrik dengan menggunakan sarana peralatan semikonduktor. Dengan demikian elektronika daya secara garis besar terbagi menjadi 2 (dua) bagian yaitu : 

1. Rangkaian Daya 
2. Rangkaian kontrol 

Pada gambar berikut menunjukkan hubungan antara kedua rangkaian diatas yang terintegrasi menjadi satu, dimana keduanya banyak memanfaatkan peralatan semikonduktor.



Rangkaian daya terdiri dari komponen Dioda, Thyristor dan Transistor Daya. Sedangkan rangkaian kontrol terdiri atas Dioda, Transistor dan rangkaian terpadu (Integrated Circuit / IC).

Dengan menggunakan peralatan-peralatan yang serupa keandalan dan kompatibilitas dari perlengkapan (sistem) akan dapat diperbaiki. Elektronika daya merupakan bagian yang penting dalam industri-industri, yaitu dalam pengontrolan daya pada sistem, proses elektronika dan lain-lain.

I. DIODA

Dioda merupakan penyatuan dari lapisan P dan N sebagaimana gambar struktur dan simbol lapisan.



Syarat dioda dalam keadaan ON adalah Vak positip sedangkan untuk OFF adalah Vak negatif.



Karateristik tersebut menggambarkan hubungan antara arus dioda (IR dan IF) agar Vak dalam kondisi menahan arus (OFF) maupun dalam keadaan mengalir (ON). Dalam keadaan OFF, Vak = Vr = negatif, maka dioda menahan arus namun terdapat arus bocor Ir yang kecil.

Dalam keadaan ON, Vak = Vf = positif, dioda mengalirkan arus namun terdapat tegangan jatuh pada dioda = ∆ Vf, dan jika ∆ Vf ini makin besar untuk arus dioda yang makin tinggi, berarti rugi konduksi If * ∆ Vf naik. Terlihat pula pada karateristik dioda diatas bahwa bila Vr terlalu tinggi dioda akan rusak.

Karateristik Switching

Karateristik ini menggambarkan sifat kerja dioda dalam perpindahan keadaan ON ke OFF dan sebaliknya.



Dioda akan segera melalukan arus jika Vr telah mencapai lebih dari Vf minimum dioda kondusif dan pada saat OFF terjadi kelambatan dari dioda untuk kembali mempunyai kemampuan memblokir tegangan reverse. Dari gambar diatas tgerlihat adanya arus balik sesaat pada dioda, dimana arus balik ini terjadi pada saat peralihan keadaan dioda dari kondisi ON ke kondisi membloking tegangan reverse.

Dengan adanya sifat arus balik, maka diperoleh dua jenis penggolongan dioda yaitu :
1. Dioda Cepat, yaitu dioda dengan kemapuan segera mampu membloking
tegangan reverse yang cepat, orde 200 ns terhitung sejak arus forward dioda
sama dengan 0 (nol).

2. Dioda Lambat, yaitu untuk hal yang sama dioda memerlukan waktu lebih lama,
Q32 > Qs1.

Terminologi karateristik dioda

Trr : Reverse Recovery Time, waktu yang diperlukan dioda untuk bersifat membloking tegangan forward.
Tjr : Waktu yang diperlukan oleh Juction P-N untuk bersifat membloking.
Tbr : Waktu yang diperlukan daerah perbatasan Junction untuk membentuk zone bloking.
Qs : Jumlah muatan yang mengalir dalam arah reverse selama perpindahan status dioda ON ke OFF.

Dioda jenis lambat banyak digunakan pada rangkaian konverter dengan komutasi lambat/natural, seperti rangkaian penyearah. Sedangkan Dioda jenis Cepat dipergunakan pada konverter statis dengan komutasi sendiri seperti misalnya pada DC Chopper, konverter komutasi sendiri dll.

Kemampuan Tegangan 
Dioda bersifat memblokir tegangan reverse, ternyata mampu menahan tegangan tersebut tergantung pada karateristik tegangan itu sendiri.



VRWM = Puncak tegangan kerja normal.
VRRM = Puncak tegangan lebih yang terjadi secara periodik.
VRSM = Puncak tegangan lebih tidak periodik.

Kemampuan Arus Dioda

Adanya tegangan jatuh konduksi ∆ Vf menyebabkan rugi daya pada dioda yang keluar dalam bentuk panas. Temperatur junction maksimum terletak antara 110°C - 125°C. Panas yang melebihi dari temperatur ini akan menyebabkan dioda rusak. Temperatur maksimum ini dapat dicapai oleh bermacam-macam pembebanan arus terhadap dioda.



If (AV) : Arus rata-rata maksimum yang diijinkan setiap harga arus rata-rata akan menghasilkan suatu harga temperatur akhir pada junction dioda. Batas If (AV) ini juga tergantung pada temperatur ruang dan jenis sistem pendinginan (Heat-sink).

If (RMS) : Harga effektif maksimum arus dioda. Harga rata-rata yang di bawah If (∆V) maksimum, belum menjamin keamanan operasi dioda terutama arus beban dioda dengan form factor yang tinggi. ( Rate Mean Square )

If (RM) : Harga puncak arus lebih periodik yang diijinkan.

If (SM) : Harga puncak arus lebih non periodik yang diijinkan

T : Batas integral pembebanan arus dimana dioda masih mampu mengalaminya.

Besaran ini berlaku untuk ½ cycles atau 1 ms dan merupakan pedoman dalam pemilihan pengaman arus.

Contoh data Fast Dioda Type MF 70
Maximum repetitive peak reverse voltage, Vdrm = 1200 Volt.
Mean forward current, If (AV) = 70 A
RMS forward current, Irms max = 110 A
Non repetitive forward current, If (ms) = 700 A
Forward V-Drop, Vfm=V, pada Ifm = 210 A
Peak reverse current, Irm = 5 mA
Reverse recovery time, trr = 200 ns
Stored, charger, Qrr = T µc (Qs)
Thermal resistance, Rth-jc = 0,37°C/w 

BAB 4 - ALAT PENGENDALI INDUSTRI

Era modernisasi ikut berimbas terhadap modernisasi alat baik di industri kecil maupun di industri besar. Peralatan di sebuah industri yang dulunya digerakkan manual oleh manusia kini mulai terotomatisasi yakni dikendalikan secara otomatis oleh mesin itu sendiri. Proses otomatisasi mesin dikenal dengan istilah sistem kontrol atau ada juga yang menyebut sistem pengendalian. Pentinganya mempelajari sistem pengendalian ini erat kaitannya dengan mengefisiensikan dan mengoptimalkan kerja mesin agar mampu kita atur sesuai dengan apa yang kita harapkan

Secara teori apa perbedaan antara sistem pengendalian manual dengan sistem pengendalian otomatis?

Sistem adalah kombinasi dari beberapa komponen yang bekerja bersama- sama dan melakukan suatu sasaran tertentu, sedangkan pengendalian diartikan sebagai mengekang dan menguasai. Jadi sistem pengendali proses adalah sistem pengendalian suatu parameter dari berbagai macam proses.

Sistem pengendalian proses terbagi menjadi dua yaitu sistem pengendalian manual dan sistem pengendalian otomatis.

1.       Sistem Pengendalian Manual adalah sistem pengendalian dengan subyek adalah makhluk hidup, contoh oleh manusia. Biasanya sistem ini dipakai pada beberapa proses-proses yang tidak banyak mengalami perubahan beban  ( load ) atau pada proses yang tidak kritis.

2.   Sistem Pengendalian Otomatis adalah sistem pengendalian dimana subyek digantikan oleh suatu alat yang disebut controller. Dimana tugas untuk membuka dan menutup valve tidak lagi dikerjakan oleh operator, tetapi atas perintah controller.  (Gunterus, 1994)

                       Gb. 2. Sistem Pengendalian otomatis                               

Gb.1. Sistem pengendalian manual

Dari gambar diatas terlihat bahwa contoh sistem pengendalian manual salah satunya adalah proses merebus botol dengan panci panas yang dikasih air. Proses merebus botol ini biasanya dilakukan oleh ibu-ibu untuk mensterilkan botol. Biasanya proses perebusan dimulai dengan memanaskan air sampa mendidih, kemusian botol2 dimasukkan ke panci sampai sekitar 5- 10 menit, setelah selesai maka kita harus mematikan kompor gas secara manual. Sedangkan gambar 2 menunjukkan contoh sistem pengendalian otomatis pada proses sterilisasi botol. Gambar 2 menunjukkan proses sterilisasi botol dilakukan dengan alat sterilizer, dimana kita tinggal memasukkan botol ke alat kemudian kita putar atau tekan sistem kontrol temperatur pada alat tersebut dan jika proses sterilisasi sudah selesai maka alat akan otomatis mati sendiri, sehingga tidak perlu ditunggu dan dimatikan secara manual.

Nah dua kasus tersebut merupakan salah satu contoh dari perbedaan sistem pengendalian manual dan sistem pengendalian otomatis. Dimana perbedaannya terdapat pada adanya suatu alat kontrol yang menggantikan kerja subjek manusia. Jika pada kasus ini maka alat kontrol pada alat sterilisasi adalah alat kontrol temperatur. 

Bagaimana proses kerja sistem pengendalian otomatis secara fisika dan elektronika? 

Semua analisa sistem pengendalian selalu dimulai dengan menampilkan diagram kotak sistem. Didalam diagram kotak sistem pengendalian otomatis, akan selalu ada komponen-komponen pokok seperti elemen proses, elemen pengukuran (sensing element dan transmitter) , elemen controller (control unit), dan final control element (atau control valve).

                     Diagram kotak sistem pengendalian otomatis adalah sebagai berikut :

Gambar 3. Diagram kotak sistem pengendalian otomatis (Gunterus, 1994)

Pada gambar 3, bagian controller mempunyai summing junction dengan tanda positif-negatif (+/-). Di titik inilah langkah membandingkan dilakukan mengurangi besaran set point dengan sinyal measurement variable. Hasilnya adalah sinyal yang disebut error.

Untuk tanda (-) pada summing junction  sistem pengendalian otomatis disebut sistem negative feedback., jika tanda pada summing junction (+) maka sistem pengendalian otomatis disebut positif feedback

Beberapa keterangan mengenai elemen-elemen sistem pengendalian otomatis dari diagram kotak pada gambar 1.1 sebagai berikut :

Proses (Process) adalah tatanan peralatan yang mempunyai suatu fungsi tertentu. Input proses dapat bermacam- macam, yang pasti merupakan besaran yang dimanipulasi oleh final control element atau control valveagar variabel yang dimaksud sama dengan set point. Input proses ini juga disebut variabel yang dimanipulasi.

Variabel yang dimanipulasi adalah input dari suatu proses yang dapat dimanipulasi atau diubah-ubah besarnya agar process variable atauvariabel yang dikendalikan besarnya sama dengan set point.

Gangguan adalah besaran lain, selain variabel yang dimanipulasi, yang dapat menyebabkan berubahnya variabel yang dikendalikan. Besaran ini lazim disebut load.

Elemen Pengukur adalah bagian paling ujung suatu sistem pengukuran (measuring system). Contoh elemen pengukur yang banyak dipakai misalnya termocouple atau oriface plate. Bagian ini juga biasa disebut sensor atau  primary element.

Transmitter adalah alat yang berfungsi untuk membaca sinyal sensing element, dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat dimengerti olehcontroller.

Transducer adalah unit pengalih sinyal. Kata transmitter, seringkali dirancukan dengan kata transduser. Keduanya memang mempunyai fungsi yang serupa, walaupun tidak sama benar. Transducer lebih bersifat umum, sedangkan transmitter lebih khusus pada pemakaian dalam sistem pengukuran.

Variabel yang dimaksud atau measured variable adalah sinyal yang keluar dari transmitter. Besaran ini merupakan cerminan besarnya sinyal sistem pengukuran.

Set Point adalah besar process variable yang dikehendaki. Sebuah kendaliakan selalu berusaha menyamakan variabel yang dikendalikan dengan set point.

Error adalah selisih antara set point dikurangivariabel yang dimaksud.Error bisa negatif, bisa juga positif. Sebaliknya, bila set point lebih kecil darivariabel yang dimaksud, error menjadi negatif.

Controller adalah elemen yang mengerjakan tiga dari empat tahap langkah pengendalian yang membandingkan set point denganmeasurement variable, menghitung berapa banyak koreksi yang perlu dilakukan, dan mengeluarkan sinyal koreksi sesuai dengan hasil perhitungan tadi. Controller sepenuhnya menggantikan peran manual dalam mengendalikan sebuah proses. Controller merupakan alat pengendali.

Unit Pengendali adalah bagian dari controller yang menghitung besarnya koreksi yang diperlukan. Input control unit adalah error, dan outputnya adalah sinyal yang keluar dari controller (manipulated variable). Unit Pengendali memiliki fungsi transfer yang tergantung pada jenis controller. Output unit pengendali adalah hasil penyelesaian matematik fungsi transfer dengan memasukkan nilai error sebagai input.

Final control element, seperti tercermin dari namanya, adalah bagian akhir dari instrumentasi sistem pengendalian. Bagian ini berfungsi untuk mengubah measurement variable dengan cara memanipulasi besarnyamanipulated variable, berdasarkan perintah controller.

Jika diagram sistem pengendalian ini dikaitkan dengan proses sterilisasi dengan alat sterilizer, maka pada saat kita memasukkan botol kealat dan memutar atau menekan tombol kontrol temperatur dan waktu sterilisasi, maka disini kita melakukan proses setting point pada sistem pengendalian otomatis. Setting point yang kita masukkan ini akan di baca oleh elemen pengukur (sensor suhu/termokopel misalnya) dan dibaca oleh transmitter. Dari transmitter inilah setting point yang kita masukkan dalam hal ini misalkan suhu temperatur dan waktu sterilisasi akan diubah menjadi sinyal listrik dan dikendalikan oleh sistem kontrol pada alat. Jika proses sterilisasi sudah memenuhi suhu dan waktu proses untuk mensterilkan, maka alat kontrol akan memaksa kerja alat sterilisasi berhenti secara otomatis.

TRANSDUSER DAN SENSOR

Transduser adalah alat yang mengubah energy dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Transuder dibagi dua, yaitu transuder input dan transduser output.

Transduser input listrik mengubah energi non listrik, misalnya suara atau sinar menjadi tenaga listrik. Transduser output listrik bekerja pada urutan yang sebaliknya. Transduser tersebut mengubah energi listrik pada bentuk energi non listrik.Sensor adalah alat yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan lingkungan fisik.

SENSOR PROXIMITY Sensor Proximity adalah alat pendeteksi yang bekerja berdasarkan jarak obyek terhadap sensor.  Karakteristik dari sensor ini adalah menditeksi obyek benda dengan jarak yang cukup dekat, berkisar antara 1 mm sampai beberapa centi meter saja sesuai type sensor yang digunakan. Sensor proximity dibedakan menjadi dua :

• Proximity Induktif
• Proximity Kapasitif

Proximity Induktif Berfungsi untuk mendeteksi obyek besi atau metal. Meskipun terhalang oleh benda non-metal, sensor akan tetap dapat mendeteksi selama dalam jarak (nilai) normal sensing atau jangkauannya. Proximity Kapasitif Sensor pembatas yang mendeteksi benda isolator atau selain logam Missal: kertas atau plastic.

SENSOR SINAR

Sensor sinar dibagi menjadi tiga :

• Fotovoltaic

Merupakan Alat sensor sinar yang mengubah energi sinar langsung menjadi energi listrik, dengan adanya penyinaran cahaya akan menyebabkan pergerakan elektron dan menghasilkan tegangan Berfungsi untuk mengubah sinar matahari menjadi arus listrik DC. Tegangan yang dihasilkan sebanding dengan intensitas cahaya yang mengenai permukaan solar cell. Semakin kuat sinar matahari tegangan dan arus listrik Dc yang dihasilkan semakin besar.

• Fotokonduktif

Merupakan Alat sensor sinar yang memberikan perubahan tahanan (resistansi) pada sel-selnya, semakin tinggi intensitas cahaya yang diterima, maka akan semakin kecil pula nilai tahannya.

• Fotolistrik

Merupakan Alat sensor sinar yang berprinsip kerja berdasarkan pantulan karena perubahan posisi/jarak suatu sumber sinar (inframerah atau laser) ataupun target pemantulnya, yang terdiri dari pasangan sumber cahaya dan penerima. Contoh            :fingerprint

Teknologi kode batang banyak digunakan di industri, karena penggunaan yang luas dan cepat. Memasukan data jauh lebih cepat dibandingkan metode manual dan sangat akurat. Tersiri dari tiga elemen utama : simbol kode batang, scanner, dan decoder. Simbol kode batang berisi 30 karakter yang disandikan dalam bentuk mesin yang dapat dibaca.

  

SENSOR HALL-EFFECT

Hall effect sensor merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet. Hall Effect sensor akan menghasilkan sebuah tegangan yang proporsional dengan kekuatan medan magnet yang diterima oleh sensor tersebut. Sensor ini didesain untuk mendeteksi keberadaan dari objek magnetik, biasanya magnet permanen. Biasanya digunakan untuk mensinyalir posisi dari komponen, dan sensor ini memiliki tingkat ketelitian yang tinggi

SENSOR ULTRASONIKSensor ultrasonik adalah sensor yang bekerja berdasarkan prinsip pantulan gelombang suara dan digunakan untuk mendeteksi keberadaan suatu objek tertentu di depannya, frekuensi kerjanya pada daerah diatas gelombang suara dari 40 KHz hingga 400 KHz. Sensor ini dioperasikan dengan mengirimkan gelombang suara pada taget dan mengukur waktu yang dibutuhkan oleh gelombang untuk memantulkan kembali. Waktu yang dibutuhkan oleh gema untuk kembali ke sensor adalah proporsional terhadap jarak dan tinggi dari objek, karena  sura memiliki kecepatan yang tetap.

SENSOR TEKANAN

Sensor Tekanan adalah sensor untuk mengukur tekanan suatu zat. Tekanan (p) adalah satuan fisika untuk menyatakan gaya (F) per satuan luas (A). Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas. Sensor tekanan dapat diaplikasikan pada:

• Motor bensin

—  Pesawat terbang —  Pengukur tekanan ban —  ketinggian, pesawat terbang, roket, satelit, balon udara dll

PEMINDAHAN TRANSDUSER

Pengertian William D.C, (1993), mengatakan transduser adalah sebuah alat yang bila digerakan oleh suatu energi di dalam sebuah sistem transmisi, akan menyalurkan energi tersebut dalam bentuk yang sama atau dalam bentuk yang berlainan ke sistem transmisi berikutnya” Transmisi energi ini bisa berupa listrik, mekanik, kimia, optic (radiasi) atau thermal (panas). Pemindahan Transduser yang sering digunakan di industri adalah transvormator diferensial variabel linear ( the Linear Variable Differential Transformer = LVDT) LVDT (Linear Variable Differential Transformer) merupakan salah satu contoh sensor posisi, yang bekerja berdasarkan pada ada tidaknya medan magnet yang terjadi. LVDT terdiri atas 2 bagian yaitu :

1. Kumparan (Tansformer)

salah satu komponen penyusun LVDT merupakan kumparan. terdapat 3 kumparan dalam LVDT,yaitu 1 kumparan primer dan 2 kumparan sekunder. kenapa digunakan 2 buah kumparan sekunder adalah agar perbedaan besar induksi yang diterima kedua kumparan sekunder dapat digunakan untuk menentukan seberapa besar perubahan posisi batang inti (magnet).

2. CORE (batang inti magnet)

material core atau batang inti ini biasanya berbentuk silinder atau turbular dengan komponen penyusun berupa nickel-iron alloy permalloy. dalam proses produksinya, setelah bentuk dan ukuran dari batang inti ini di atur proses akan memasuki tahap annealing (atau penguatan dengan proses memanasi). Selama proses annealing ini biasanya dilakukan reduksi aliran gas untuk mencegah terjadinya oksidasi. gas yang biasanya digunakan dalam proses annealing ini biasanya hydrogen ataupun gas yang mengandung hidrogen.

Prinsip Kerja LVDT Secara umum LVDT bekerja karena adanya perbedaanmedan magnet. Medan magnet ini muncul karena adanya gerakan inti magnet yang dimasukkan ke dalam kumparan. Semakin dalam inti magnet dimasukkan ke dalam kumparan maka nilai medan magnet yang di hasilkan akan semakin besar. LVDT bekerja pada frekuensi rendah dan gerakannya linear terhadap masukan. Kelebihan dan Kekurangan LVDT Berikut ini adalah kelebihan serta kekurangan LVDT : Kelebihan

• Padat dan kuat, sehingga dapat digunakan pada peralatan yang berat.
• System operasi tanpa gesekan antara aramature dan transformer sehingga cocok untuk pengujian material.
• Sensitif, sehingga dapat mendeteksi sedikit saja perubahan.
• Mampu menanganai input yang berlebih
• Dapat digunakan pada lingkungan yang bervariasi.
• Output mutlak

Kekurangan

• LVDT baru bekerja jika ada kontak antara armature dan transformer.
• Pengukuran dinamis dibatasi tidak lebih dari 1/10 dari LVDT resonansi frekuensi. Di beberapa kasus, hasilnya lebih dari 2 kHz.

SENSOR SUHU Sensor Suhu adalah komponen yang biasanya digunakan untuk merubah panas menjadi listrik untuk mempermudah dalam menganalisa besarannya. Ada 4 jenis utama sensor suhu yang biasa digunakan : 

1. Termokopel

Termokopel merupakan sensor suhu yang terdiri atas sepasang penghantar yang berbeda disambung las atau dileburkan bersama pada satu sisi membentuk penghantar ”hot” atau sambungan pengukuran yang ada ujung ujung bebasnya untuk menghubungkan dengan penghantar ”cold” atau sambungan referensi.

2. RTD (Resistance Temperture Detector)

Alat ini fungsinya adalah untuk mengubah suhu menjadi hambatan listrik yang sebanding dengan perubahan suhu. Semakin tinggi suhu, maka hambatan listriknya semakin besar. RTD adalah sensor suhu yang terbuat dari kumparan kawat platinum pada papan pembentuk isolator.

3. Thermistor

Thermistor, atau bisa disebut juga dengan Thermal Resistor atau Thermal Sensitive Resistor. Alat ini berfungsi untuk mengubah suhu menjadi hambatan listrik yang berbanding terbalik dengan berubahnya suhu. Semakin tinggi suhu maka semakin kecil hambatan listriknya. Thermistor biasanya terbuat dari bahan oksida logam campuran, kromium, kobalt, tembaga, besi, atau nikel.

4. Sensor IC ( Sensor Suhu Rangkaian Terpadu)

fungsinya untuk mengubah suhu menjadi tegangan tertentu yang sesuai dengan perubahan suhu. Alat ini biasanya digunakan pada sistem monitor rumah kaca atau sensor suhu ruang pada laboratorium kimia.

SENSOR KECEPATAN (SENSOR RPM)

Tachometer umumnya menunjuk pada magnet permanen kecil dari generator dc. Ketika generator diputar, generator menghasilkan tegangan dc berbanding lurus dengan kecepatan. Tachometer yang dirangkai dengan motor, umumnya digunakan pada aplikasi pengendali kecepatan motor untuk memberikan tegangan umpan-balik pada pengontrol yang sebanding dengan kecepatan motor.

SENSOR PENYANDI (ENCODER SENSORE)

Sensor penyandi digunakan untuk mengubah gerakan linear atau putaran menjadi sinyal digital. Penyandi putaran memonitor gerakan putar dari alat. Ada dua jenis :

• Penyandi tambahan, yang mentransmisikan jumlah tertentu dari pulsa untuk masing-masing putaran alat.
• Penyandi absolut, yang memperlengkapi kode binary tertentu untuk masing-masing posisi sudut alat.

PENGUKURAN ALIRAN

Prinsip kerja dari alat ukur aliran tekanan differensial disebut efek Bernauli : Apabila cairan mengalir, tekanan P1 akan menjadi lebih besar disbanding dengan P2 dan perbedaan tekanan berbanding lurus dengan tekanan. Balon memuai sebanding dengan alilran. Apabila P1 lebih besar disbanding P2 inti pada LVDT akan bergerak kekanan. Apabla aliran terhenti tidak akan ada efek bernauli dan inti akan menjadi ditengah.

PENGKONDISIAN SINYAL

Kondisioner sinyal mengubah sinyal dengan cara yang dikehendaki untuk lebih mempermudah mengukur sinyal atau membuatnya lebih stabil. Amplifikasi(penguatan) diperlukan apabila output sensor terlalu rendah untuk langsung bermanfaat pada pengukuran atau pada sistem pengendali. Atenuasi (pelemahan) digunakan untuk mengurangi tegangan sebelum pengukuran. Pada contoh tertentu sinyal dapat diubah dari analog menjadi digital atau sebaliknya dengan menggunakan konventer A/D (analog ke digital) atau konventer D/A (digital ke analog).

AKUATOR

adalah sebuah peralatan mekanis untuk menggerakkan atau mengontrol sebuah mekanisme atau sistem. Aktuator diaktifkan dengan menggunakan lengan mekanis yang biasanya digerakkan oleh motor listrik, yang dikendalikan oleh media pengontrol otomatis yang terprogram di antaranya mikrokontroler. Aktuator adalah elemen yang mengkonversikan besaran listrik analog menjadi besaran lainnya misalnya kecepatan putaran dan merupakan perangkat elektromagnetik yang menghasilkan daya gerakan sehingga dapat menghasilkan gerakan pada robot. Untuk meningkatkan tenaga mekanik aktuator ini dapat dipasang sistem gearbox. Aktuator dapat melakukan hal tertentu setelah mendapat perintah dari kontroller. Misalnya pada suatu robot pencari cahaya, jika terdapat cahaya, maka sensor akan memberikan informasi pada kontroller yang kemudian akan memerintah pada aktuator untuk bergerak mendekati arah sumber cahaya.

Aktuator dalam perspektif kontrol dapat dikatakan sebagai:

• Aktuator : Pintu kendali ke sistem
• Aktuator : Pengubah sinyal listrik menjadi besaran mekanik
• Batasan aktuator riil: Sinyal kemudi terkesil, saturasi.

Fungsi aktuator adalah sebagai berikut.

• Penghasil gerakan
• Gerakan rotasi dan translasi
• Mayoritas aktuator > motor based
• Aktuator dalam simulasi cenderung dibuat linier
• Aktuator riil cenderung non-linier

Jenis tenaga penggerak pada aktuator

• Aktuator tenaga elektris, biasanya digunakan solenoid, motor arus searah (Mesin DC). Sifat mudah diatur dengan torsi kecil sampai sedang
• Aktuator tenaga hidrolik, torsi yang besar konstruksinya sukar.
• Aktuator tenaga pneumatik, sukar dikendalikan.
• Aktuator lainnya: piezoelectric, magnetic, ultra sound.

Tipe aktuator elektrik adalah sebagai berikut:

1. Solenoid.
2. Motor stepper.
3. Motor DC.
4. Brushless DC-motors.
5. Motor Induksi.
6. Motor Sinkron.

Keunggulan aktuator elektrik adalah sebagai berikut:

1. Mudah dalam pengontrolan
2. Mulai dari mW sampai MW.
3. Berkecepatan tinggi, 1000 – 10.000 rpm.
4. Banyak macamnya.
5. Akurasi tinggi
6. Torsi ideal untuk pergerakan.
7. Efisiensi tinggi