Studi Penggunaan Permanen Magnet Servo
Studi Penggunaan Permanen Magnet Servo Motor Tegangan 460 V DC,
1850 Rpm Pada Mesin Potong Karton
Stephanus A. Ananda, Julius Sentosa S., Benny Augusta S.
Fakultas Teknologi Industri, Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Petra
e-mail: ananda@petra.ac.id
Abstrak
Dengan
kemajuan teknologi yang ada, motor listrik menjadi bagian yang tidak
terpisahkan dalam kegiatan produksi. Motor DC Servo adalah merupakan
salah satu motor yang banyak digunakan dalam industri karena mempunyai
keunggulan yaitu mudah diatur putarannya. Dalam makalah ini akan dibahas
Motor DC Servo jenis
permanen
magnet yang diaplikasikan dalam mesin potong karton. Pengaturan
kecepatan menggunakan pengontrol kecepatan melalui perubahan frekuensi.
Dari hasil pengujian di lapangan didapatkan nilai tegangan konstan, dan
nilai arus, daya, dan torsi meningkat seiring meningkatnya kecepatan.
Didapatkan peningkatan torsi 0,56 Nm pada putaran 102 Rpm dan naik
menjadi 1,43 Nm pada putaran 255 Rpm.
Kata kunci: Motor DC Servo Permanen Magnit.
Abstract
Along
with technology development, electrical motor become essential and
un-separately part of production processes. Permanent Magnet DC Servo
Motor is one of the motor types that often used in industry because of
their superiority in speed control. This paper will discuss about
Permanent Magnet DC Servo Motor that applied in the paper cutting
machine. The motor’s speed is controlled by changing the frequency of
the supply. From the result of the testing, the motor has constant
voltage, raising current, power and torque together along the speed
raise. The torque increases between 0.56 Nm (in 102 rpm) to 1.43 Nm (in
225 rpm).
Keywords: Permanent Magnet DC Servo Motor.
Pendahuluan
Karena
meningkatnya kemajuan teknologi pada saat ini, motor listrik menjadi
bagian yang tidak dapat terpisahkan dalam kegiatan produksi, khususnya
di pabrik-pabrik. Ada suatu kebutuhan bahwa motor-motor tersebut dapat
dikontrol dengan baik.
Permanen
magnet dc servo motor merupakan salah satu jenis motor yang dapat
dikontrol dengan mudah dan presisi tinggi. Umumnya motor jenis ini
banyak digunakan dalam peralatan elektronik yang kecil, misalkan pada
motor pemutar kaset video, penggerak robot dan lain sebagainya[5].
Dalam
makalah ini akan dibahas cara kerja, penggunaan dan karateristik dari
permanen magnet dc servo motor yang diaplikasikan pada mesin pemotongan
karton yang digerakkan dengan kecepatan tinggi, dan menuntut kepresisian
dalam proses pemotongan.
Dengan
mengutamakan pengaturan berpresisi tinggi pada proses pemotongan karton
akan dapat diperoleh hasil potongan karton dalam jumlah yang banyak
dalam waktu relatif singkat, sehingga hal ini dapat memperbesar
kapasitas produksi.
Motor Servo DC Magnet Permanen
Motor
servo adalah jenis motor yang digunakan sebagai penggerak pada sistem
servo (servosystem) seperti pada penggerak pada kontrol posisi lengan
robot. Motor servo secara struktur mesin listrik ada 2 macam : dc servo
motor dan ac servo motor. [2]
DC
Servo motor mempunyai konstruksi yang sama dengan konstruksi motor dc.
Dalam motor dc konvensional sikat dan cincin belah merupakan suatu
kerugian. Karena ada gesekan antara sikat dan cincin maka akan terjadi
rugi gesek, timbulnya percikan api dan terkikisnya sikat arang maupun
cincin. Maka mulai dipikirkan Motor dc tanpa sikat atau disebut
Brushless DC Motor. Brushless DC Motor dapat diwujudkan dengan
menggunakan prinsip kerja motor induksi 3 phasa (tanpa sikat dan
cincin). Dengan menambahkan komponen permanent magnet, electronic inverter (yang menimbulkan medan putar) dan position control (umumnya
menggunakan sensor effek Hall), maka akan didapatkan motor dc
brushless. Jadi disini rangkaian inverter dan kontrol posisi berfungsi
sebagai pengganti komutator mekanik (sikat & cincin belah) dalam
membalik medan. Motor dc brushless ini mempunyai karateristik yang
mendekati dc motor konvensional. [2] Untuk mengerti cara kerja Motor
Servo DC Magnet Permanen haruslah dimengerti bagaimana prinsip kerja
Motor DC Magnet Permanen, Motor DC tanpa sikat dan medan putar.
Motor DC Magnet Permanen
Motor
dc magnet permanen adalah motor yang medan magnet utamanya berasal dari
magnet permanen. Dan kumparan medan elektromagnetik digunakan untuk
medan jangkar.[3] Gambar 1. memperlihatkan operasi motor dc magnet
permanen. Arus mengalir melalui kumparan jangkar dari sumber tegangan
dc, menyebabkan jangkar berfungsi sebagai magnet. Kutub pada kumparan
jangkar akan ditarik oleh kutub medan utama dari polaritas yang berbeda,
sehingga jangkar berputar.
Pada
Gambar 1a terlihat jangkar berputar searah dengan putaran jarum jam.
Apabila kutub jangkar segaris dengan kutub medan, sikat-sikat ada pada
celah di komutator sehingga tidak ada arus mengalir pada jangkar. Jadi,
gaya tarik atau gaya tolak dari magnet akan berhenti, seperti tampak
pada gambar 1b. Kemudian kelembaman membawa jangkar melewati titik
netral. Komutator akan membalik arus jangkar ketika kutub yang tidak
sama dari jangkar dan medan saling berhadapan satu sama lain, sehingga
membalik polaritas medan jangkar. Kutub-kutub yang sama dari jangkar dan
medan kemudian menjadi saling tolak menolak, sehingga jangkar berputar
terus menerus seperti diperlihatkan pada gambar 1c. [3] Arah putaran
dari motor dc magnet permanen ditentukan oleh arah arus yang mengalir
pada jangkar. Pembalikan ujung-ujung jangkar tidak akan membalik arah
putaran. Salah satu keistimewaan dari motor dc magnet permanen ini
adalah kecepatannya dapat dikontrol dengan mudah. Kecepatan motor magnet
permanen berbanding langsung dengan harga tegangan yang diberikan di
jangkar. Semakin besar tegangan jangkar, semakin tinggi kecepatan motor.
[3][1]
Gambar 1. Operasi Motor DC Magnet Permanen
Motor Dc Tanpa Sikat Magnet Permanen
Pada
gambar 2. digambarkan operasi motor DC tanpa sikat magnet permanen.
Magnet permanen dipasang pada bagian yang berputar (rotor) dan kumparan
dipasang pada stator. Tidak seperti pada motor DC dengan sikat, motor DC
tanpa sikat tidak dapat jalan dengan menghubungkannya dengan sumber DC.
Arus pada rangkaian stator harus disupply pada posisi rotor yang
ditentukan sehingga pada kenyataannya motor dijalankan dengan arus
bolak-balik. Kumparan medan stator diberi medan magnet berputar dari
pemberian tegangan yang berurutan [3]. Arus disuplai dengan encoder
komutasi dalam merespon sinyal dari optik atau sensor efek hall untuk
menggantikan komutasi mekanik.[7] Dengan demikan bisa dihilangkan
rugi-rugi gesek sikat dan komutator.
Motor
DC tanpa sikat magnet permanen banyak digunakan pada sistem servo dan
robot. Motor tersebut mempunyai efisiensi tinggi, umur pemakaian lama,
tingkat kebisingan suara rendah, dan pemakaian daya rendah. Motor DC
tanpa sikat bukan motor stepper. Motor ini mempunyai putaran yang halus
dan kontinyu seperti motor DC magnet permanen konvensional, dan tidak
ada penahanan ”fixed-steps” seperti pada motor stepper. [3]
Gambar 2. Motor DC Magnet Permanen
Medan Magnet Putar
Supply
tiga phasa atau tiga kumparan yang bergeseran 1200 diruang dan diberi
tegangan atau arus yang 1200 bergeser terhadap waktu (3 phasa) maka
fluks resultan akan ditimbulkan dan ini seolah-olah seperti ada kutub
magnetis yang diputar secara mekanis. [3][5]
Gambar 3. Pembangkitan medan-magnet putar
Pada gambar 3(b) kecepatan sinkron dapat dihitung sebagai berikut :
S= 120f/P=(120x60)/2=3600 rms
Motor arus bolak-balik
diklasifikasikan sebagai motor dengan dasar prinsip pengoperasian
sebagai motor induksi atau motor sinkron. Motor induksi AC adalah motor
yang paling sering digunakan sebab motor ini relatif sederhana dan dapat
dibuat lebih murah dibandingkan dengan yang lain. Motor induksi dapat
dibuat baik untuk jenis tiga-fase maupun satu-fase, karena pada motor
induksi tidak ada tegangan eksternal yang diberikan secara langsung pada
rotornya. Sebagai penggantinya, arus AC pada stator menginduksikan
tegangan lewat celah udara dan pada lilitan rotor untuk menghasilkan
arus rotor dan medan magnet. Medan magnet stator dan rotor kemudian
berinteraksi dan menyebabkan rotor jadi berputar (Gambar 4.). [3][4]
Gambar 4. Arus Induksi Rotor
Motor Servo DC Magnet Permanen
Motor
servo DC magnet permanen (Gambar 5.) digunakan pada mesin yang
menghendaki posisi yang tepat dari objek, dimana diperlukan torsi
konstan. Pemakaian lain meliputi pengoperasian katub bertekanan,
penempatan cermat dari damper dan operasi khusus yang lain di berbagai
aplikasi sistim kontrol. [3]
Gambar 5. Servomotor DC Magnet Permanen
Kontrol Gerak Dengan Sistem Kontrol Loop Tertutup Menggunakan Motor Servo Magnet Permanen
Sesuai
dengan fungsinya sebagai penggerak yang terkontrol Motor Servo DC
Magnet Permanen di supply dari driver elektronik yang berfungsi sebagai
penyearah dan pengontrol. Dalam pengontrolan motor servo umumnya
digunakan sistem loop tertutup. Struktur umum pada kontrol loop tertutup
ini terdiri dari loop arus, loop kecepatan dan loop posisi. Struktur
kontrol multi loop ini akan berfungsi dengan baik apabila bandwidth dari tiap loop memiliki komposisi yang tepat. Loop arus memiliki tingkat bandwidth paling tinggi, loop posisi memiliki bandwidth terendah.
Bandwidth umum yang ada pada kontrol ini – 3 DB dan pergeseran fase
sebesar – 450. Pada umumnya kontrol arus menggunakan PWM Amplifier dan
kontrol loop tertutup dari arus pada tiap phasanya.
Gambar 6. Kontrol loop tertutup untuk kontrol gerak
Peralatan daya harus bertahan
terhadap tegangan tinggi, arus tinggi dan memperlihatkan tingkat
konduksi dan losses yang rendah. Saklar yang umum digunakan adalah
transistor bipolar dan fet, tetapi saat ini telah ditemukan komponen
baru yang disebut IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Alat ini mengkombinasikan output transistor bipolar dengan trigger dari gate dan proses pemadaman yang cepat dari FET. Pada umumnya frekuensi PWM berkisar antara 5 – 20 kHz. Sensor arus feedback sangat penting dan harus memberikan angka yang tepat dari arus yang sebenarnya. Sinyal arus feedback dibandingkan dengan perintah yang diberikan saat itu, akan menghasilkan sinyal error dari arus. Error yang
terjadi diproses oleh regulator untuk menghasilkan perintah terhadap
tegangan motor. Sinyal tegangan dibandingkan dengan gelombang segitiga
untuk menghasilkan sinyal PWM yang memerintahkan komponen daya untuk
menghidupkan dan mematikan sistem. Teknik PWM banyak digunakan pada
konversi daya DC ke AC [7].
Gambar 7. Loop arus 3 phasa untuk PWM power amplifier
Pengumpulan Data
Dari
hasil pengamatan terhadap mesin potong karton didapatkan bahwa mesin
potong tersebut terdiri dari dua motor servo permanen magnet yaitu motor
upper dan motor lower. Pada saat pemotongan karton, hanya diggunakan
salah satu dari motor servo permanen magnet. Berikut ini adalah
identifikasi dan hasil pengukuran terhadap motor servo permanen magnet:
NAME PLATE
Permanen Magnet Servo Motor
480V 30A S1
RPM. 1850 I4 IEC 34-1 (1983)
Power Factor 1.0
INS CL H Max Amb 55°C
WT 116kg IP-54
Data Pengukuran Pada Mesin Potong Karton
Tabel 1. Tegangan terhadap Putaran
Tabel 2. Arus terhadap Putaran
Tabel 3. Frekuensi terhadap Putaran
Gambar 8. Rangkaian Pengukuran di Terminal A1-A2
Analisa Data
Dari hasil pengumpulan data didapat grafik yang dapat dianalisa sebagai berikut:
Gambar 9. Grafik f terhadap putaran
Pengaturan putaran motor diatur
dengan mengubah frekuensi sumber, maka pada grafik frekuensi (f)
terhadap putaran pada gambar 1. dapat dilihat bahwa hubungan kenaikan
frekuensi terhadap putaran cukup linier.Terlihat frekuensi naik
bersamaan pada keempat kumparan dengan jarak antara masing-masing
kumparan berhimpit. Frekuensi pada tiap kumparan juga mengalami
kenaikan, sejak dari putaran 102 rpm hingga 255 rpm frekuensi terus
naik.
Gambar 10. Grafik V terhadap putaran
Gambar 11. Grafik I terhadap putaran
Gambar 12. Grafik V terhadap I (A)
Gambar 13. Grafik V terhadap I (B)
Gambar 14. Grafik V terhadap I (C)
Gambar 15. Grafik V terhadap I ( D )
Dari grafik tegangan (V) terhadap n
(putaran) pada gambar 10 terlihat bahwa tegangan antara masing-masing
kumparan hampir berdekatan atau berhimpit dan cenderung konstan. Pada
tiap kumparan di putaran 102 rpm hingga 255 rpm, terlihat tegangannya
konstan berada dikisaran 225 V hingga 350 V.
Sedangkan
dari grafik arus (I) terhadap n (putaran) pada gambar 11 terlihat bahwa
Arus antara masing-masing kumparan hampir berdekatan atau berhimpit.
Hanya pada A1 – A2 arus terlihat turun, dan yang lain cenderung naik.
Tiap kumparan diputaran 102 rpm hingga 255 rpm memiliki arus yang
cenderung naik (kurang lebih 12 A), hanya pada kumparan A mengalami
penurunan arus setelah mencapai putaran 185 rpm.
Dari
grafik V terhadap IA, IB, IC, dan ID pada gambar 12 sampai gambar 15
terlihat bahwa tegangan konstan. Pada grafik tegangan terhadap arus
tampak bahwa tegangan untuk tiap kumparan konstan diantara 250 V – 350
V.
Jadi secara umum dapat
dikatakan tegangan relatif konstan pada kenaikan putaran. Sedangkan arus
meningkat seiring dengan kenaikan putaran.
Gambar 16. Grafik P input terhadap putaran
Gambar 17. Grafik P loss terhadap putaran
Gambar 18. Grafik P output terhadap putaran
Gambar 19. Grafik Torsi terhadap putaran
Dari data pengukuran dapat
dihitung daya input (Pin), daya output (Pout), daya rugi-rugi (Ploss),
dan Torsi (T) lalu digambarkan grafiknya terhadap fungsi putaran. Grafik
P input terhadap n (putaran) pada gambar 16 terlihat bahwa trendline
linier dan naik. Corelation = 0,9751.
Sedangkan
dari grafik P loss terhadap n (putaran) pada gambar 17 terlihat bahwa
trendline linier dan naik. Correlation = 0,963. Dari grafik Daya Nyata
(P) output terhadap n (putaran) pada gambar 18 terlihat bahwa garis
trend terlihat naik. Correlation = 0,985.
Dan dari grafik Torsi terhadap n (putaran) pada gambar 19 terlihat bahwa trendline naik dan berfluktuasi sedikit. Correlation = 0,972 (Correlation mendekati
1 berarti mendekati linier). Torsi yang dihasilkan dari putaran 102 rpm
hingga 255 rpm terus naik, hanya sedikit berfluktuasi pada putaran 159
rpm dan 229 rpm. Didapat juga nilai torsi terendah sebesar 0,56 Nm pada
putaran 102 rpm dan torsi tertinggi sebesar 1,43 Nm pada putaran 255
rpm.
Secara umum dapat dilihat bahwa P in, P loss dan P out, terus naik dari putaran 102 rpm hingga 255 rpm.
Kesimpulan
- Dari karateristik tegangan terhadap putaran didapat bahwa tegangan relatif konstan di 225-350 V
- Secara umum arus naik seiring dengan kenaikan kecepatan hingga mencapai sekitar 12 A.
- Daya input, daya loses dan Torsi meningkat secara linier seiring dengan kenaikan kecepatan. Torsi mencapai 1,43 Nm pada putaran 255 rpm.
- Grafik arus terhadap tegangan ditiap kumparan relatif konstan disekitar 250-350 V.
References
[1]. Kadir, Abdul, Prof. Ir., Pengantar Teknik Tenaga Listrik., Jakarta: LP3ES, 1991.
[2]. Kenjo, Tak, Electric Motors and Their Controls : An Introduction, Oxford, Oxford University Press : 1991.
[3]. Petruzella, Frank D., Industrial Electronics., Diterjemahkan oleh : Drs. Sumanto, MA, Yogyakarta : Andi Offset, 1996.
[4]. Panjaitan, R. Drs., Mesin Arus Bolak Balik., Jakarta: Erlangga, 1989.
[5]. Theraja, B.L., Text Book of Electrical Techonology., New Delhi;
Publication Division of Nirja Construction & Development, 1984.
[6]. Veinot, Cyril G., Martin, Joseph E. Martin, Fractional and
Subfractional Horse Power Electric Motors., Cledonia:University
Graphics, 1986.
[7]. ___, Handbook Electro-craft Servo System., Minnesota: Electro-Craft Limited, 1999.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar