PROPOSAL TUGAS AKHIR
STUDI EVALUASI PERANCANGAN RANGKAIAN PENGAMAN FASA HILANG DENGAN MENGGUNAKAN GERBANG LOGIK NAND TERHADAP PENGOPERASIAN MOTOR LISTRIK INDUKSI TIGA FASA
( Hotel Aryaduta Palembang )
Disusun Oleh :
Nama : Muhamad Agus Nurta
NIM : 4.31.06.0.16
KONSENTRASI HOTEL ENGINEERING
PRODI PERAWATAN GEDUNG BERTINGKAT
JURUSAN TEKNIK SIPIL
POLITEKNIK NEGERI SEMARANG
TAHUN 2010
HALAMAN PENGESAHAN
Judul Tugas Akhir : Studi Evaluasi Perancangan Rangkaian Pengaman Fasa Hilang Dengan Menggunakan Gerbang Logik NAND Terhadap Pengoperasian Motor Listrik Induksi Tiga Fasa (Hotel Aryaduta Palembang)
Nama / NIM : Muhamad Agus Nurta/ 4.31.06.0.16
Progam Studi : Perawatan Gedung
Konsentrasi : Hotel Engineering
Semarang, Mei 2010
Menyetujui,
Pembimbing Utama Pembimbing Pembantu
Mengetahui,
Kaprodi Perawatan Gedung
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Pemakaian tenaga listrik saat ini sudah menjadi kebutuhan primer dari kehidupan. Segala sarana dan prasarana yang menggunakan tenaga listrik menjadi andalan untuk melakukan proses kerja. Seperti alat rumah tangga, kantor, sampai pada mesin-mesin industri perhotelan.
Sudah banyak mesin-mesin sekarang ini bekerja secara otomatis dengan berbagai alat pengaman arus, namun demikian masih banyak juga yang dikontrol semi otomatis dengan perlengkapan pengaman sangat terbatas dan tanpa dilengkapi sistem proteksi fasa hilang. Sebagai mahasiswa konsentrasi Hotel Engineering penulis harus mampu membuat suatu rancangan maupun inovasi-inovasi terbaru yang bermanfaat bagi dunia industry perhotelan. Itulah alasan penulis mengambil judul “Studi Evaluasi Perancangan Rangkaian Pengaman Fasa Hilang Dengan Menggunakan Gerbang Logik NAND Terhadap Pengoperasian Motor Listrik Induksi Tiga Fasa”.
Motor listrik sebagai pengerak utama dalam kerja suatu mesin industri, khususnya industri perhotelan. Faktor kontuinitas kerja sangatlah penting. Dengan demikian motor induksi 3 fasa yang menggunakan sumber listrik 3 fasa menjadi pilihan utama sebagian besar industri perhotelan. Penggunaan motor induksi 3 fasa ini selayaknya diikuti dengan penyediaan sumber 3 fasa yang handal, artinya sumber tegangan 3 fasa yang seharusnya ada dan seimbang, tidak boleh hanya 2 fasa saja yang sampai ke beban (motor). Jika kondisi ini terjadi dan tidak segera diatasi, motor akan mengeluarkan suara mendengung. Ini terjadi dikarenakan tidak beroperasinya salah satu kumparan, jika ini terjadi dalam jangka waktu yang lama. Maka dapat mengakibatkan lilitan motor terbakar.
Dikarenakan kondisi inilah, rangkaian pengaman fasa hilang menjadi sangat penting. Karena apabila terjadi gangguan kurangnya fasa akan segera terdekteksi dan alat pengaman secara otomatis mematikan rangkaian kontrol dan memutuskan sumber tegangan dengan beban. Saat ini alat pengaman fasa hilang sudah banyak dipasaran, namun dalam penggunaannya tidak selalu dapat ditempatkan pada bagian beban. Selain itu dari segi harga masih terasa cukup mahal terutama pada beban-beban berdaya rendah.
Oleh karena itu penulis tertarik untuk mengadakan penelitian dalam pembuatan pengaman fasa hilang yang lebih ekonomis dan direncanakan untuk dapat dipasang pada bagian beban. Selain itu penulis juga ingin menerapkan pengartian tentang IC (Integrated Circuit) gerbang untuk pemakaian teknik tenaga listrik.
Maka penulis tuangkan pada laporan tugas akhir dengan judul “Studi Evaluasi Perancangan Rangkaian Pengaman Fasa Hilang Dengan Menggunakan Gerbang NAND Terhadap Pengoperasian Motor Induksi Tiga Fasa”. Adapun bagian-bagian yang ada pada rangkaian tersebut adalah sebagai berikut :
1. Gerbang NAND
Merupakan salah satu gerbang dasar pada teknik digital yang mempunyai keluaran logik “0” apabila semua masukkan berlogik “1”
2. Pengaman
Suatu kondisi dimana tidak terjadi gangguan. Sedangkan pengaman adalah suatu alat/sarana yang dapat digunakan untuk menjaga agar gangguan yang terjadi dapat hilangkan.
3. Fasa Hilang
Hilangnya salah satu dari 3 hantaran listrik, hal ini mengakibatkan terjadi ketidakseimbangan dalam proses kerja peralatan listrik yang mempergunakan aliran 3 fasa.
4. Jaringan listrik 3 Fasa
Suatu sumber listrik yang mempunyai 3 hantaran fasa, dimana masing-masing mempunyai beda potensial satu sama lain serta beda potensial terhadap nol/ground. Biasanya hantaran tersebut diberi tanda R, S, T dan N.
5. Motor Listrik Induksi Tiga Fasa
Merupakan jenis motor listrik induksi, yang mempergunakan aliran listrik 3 fasa untuk pengoperasiannya. Dan memiliki tiga buah kumparan pada bagian statornya.
Dari uraian-uraian diatas dapat diketahui pengertian dari laporan tugas akhir ini yang berjudul “Studi Evaluasi Perancangan Rangkaian Pengaman Fasa Hilang Dengan Menggunakan Gerbang NAND Terhadap Pengoperasian Motor Listrik Induksi Tiga Fasa” penulis menginginkan untuk membuat suatu rancangan rangkaian yang menggunakan gerbang NAND yang merupakan salah satu komponen elektronik yang dapat bekerja untuk mengamankan sumber tegangan terhadap beban apabila salah satu fasa yang hilang dari jaringan listrik 3 fasa tersebut.
1.2. Indentifikasi Masalah
Sumber listrik 3 fasa banyak digunakan untuk pengoperasian motor listrik 3 fasa dengan kontaktor magnet. Selain itu dilengkapi dengan peralatan pengaman arus. Dari pemasangan alat pengaman tersebut ada kemungkinan kondisi salah satu dari pengaman arusnya putus, atau justru terjadi kerusakkan pada mata kontak dari kontaktornya. Semua itu akan mengakibatkan kerja beban tidak sempurna. Apabila kondisi tersebut dibiarkan terus-menerus, akan mengakibatkan kerusakkan pada beban (motor). Untuk itu diperlukan adanya alat yang dapat mengamankan sumber secara otomatis apabila salah satu fasanya putus, sehingga kerusakkan beban dapat dihindarkan.
Pada umumnya alat yang beredar di pasaran herganya cukup mahal, disamping itu dalam pemasangan biasanya hanya dapat dipasang sebelum kontaktor. Apabila terjadi salah satu fasanya putus karena mata kontaktornya, alat tersebut tidak dapat dipergunakan untuk memutus rangkaian.
Dari penguraian diatas, maka timbullah permasalahan-permasalahn sebagai berikut :
1. Bagaimana fungsi gerbang NAND dalam rangkaian pengaman fasa hilang ?
2. Bagaimana merencanakan dan membuat alat pengaman fasa hilang dengan menggunakan IC TTL (Intergraded Circuit Transistor Transistor Logik) ?
3. Bagaimana mendekteksi ada tidaknya fasa yang mengalir ?
4. Sejauh mana sensitivitas terhadap tegangan fasanya ?
5. Seberapa lama selang waktu pemutusan rangkaiannya ?
1.3. Pembatasan Masalah
Agar terjadi kesinambungan antara permasalahan dan pembahasan yang akan dilakukan, maka penulis ingin membatasinya. Agar tidak terjadi salah penafsiran dan tidak meluasnya pembahasan yang mungkin akan menimbulkan masalah baru yang tidak sesuai, maka perlu membatasi permasalahan yang ada sebagai berikut :
1. Alat pengaman hanya direncanakan untuk sumber tegangngan 220 Volt tiap fasa (Uf ).
2. Perencanaan dan pembuatannya dengan IC TTL 7420 sebagai pengolah fasanya.
3. Pengaman rangkaian kontrol hanya bekerja apabila ada fasa hilang (putus).
1.4. Tujuan Penelitian
Dari uraian-uraian diatas, maka timbul tujuan yang ingin dicapai dalam penyusunan laporan tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
1. Merencanakan dan membuat peralatan yang dapat berfungsi sebagai pengaman fasa hilang pada jaringan listrik 3 fasa 380 Volt menggunakan IC TTL 7420.
2. Melakukan pengujian peralatan pengaman fasa hilang.
3. Mengetahui sensitfitas peralatan yang dibuat dalam mengamankan adanya fasa hilang.
4. Melakukan analisa terhadap pengoperasian motor listrik induksi tiga fasa pada Hotel Aryaduta Palembang.
1.5. Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini diharapkan dapat dimanfaatkan bagi dunia industri perhotelan yang banyak menggunakan jaringan listrik 3 fasa, agar tercipta suatu layanan prima terhadap customer (tamu hotel). Agar dapat digunakan untuk pengaman jaringan listriknya serta dapat memperkecil kerusakkan pada motor induksi tersebut. Dan bagi dunia pendidikan dapat dimanfaatkan sebagai model dalam penerapan IC gerbang untuk keperluan teknik listrik.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Kajian Pustaka
Penggunaan motor listrik induksi tiga fasa membutuhkan sumber listrik tiga fasa yang handal, sumber listrik tiga fasa yang secara konvensional terdiri dari tiga buah kumparan tegangan yang simetris dan sama besar serta berbeda sudut sebesar 1200 listrik (Zuhal, 1988. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya).
Pada rangkaian pengaman yang menggunakan gerbang NAND, yang merupakan salah satu gerbang dasar pada teknik digital yang mempunyai keluaran logik ”0” apabila semua masukkan berlogik “1”. (Dedy Rusmadi, 2000, Digital dan Rangkaian)
Prinsip perancangan rangkain pengaman dan pendektesian mengenai ada tidaknya fasa yang hilang (Bambang Erawan, Drs. 1987, Elektronika Dasar). Perancangan rangkaian pengaman fasa hilang dapat didefinisikan sebagai proses antisipasi kerusakkan yang terjadi pada motor listrik induksi tiga fasa, untuk mengetahui tentang ketersedian sumber tegangan yang stabil serta mampu membuat suatu terobosan baru di industry perhotelan (Chapallaz, J.M. 1992, Manual on induction Motors). formula yang bisa dipergunakan untuk merancang sebuah rangkaian pengaman fasa hilang, yaitu :
a. Memperhitungkan kapasitas beban dan semua komponen yang ada pada rangkaian pengaman.
b. Melakukan pendataan terhadap beban yang akan dirangkai bersamaan atau tanpa rangkaian pengaman fasa hilang.
c. Melakukan pendataan terhadap lamanya penggunaan beban.
d. Menganalisa kedua data yang ada diatas dalam sebuah dugaan (Hipotesa).
Perencanan system kendali adalah yang utama, karena penulis menginginkan sebuah rangkaian pengontrol. Agar tercipta ketelitian yang tinggi, nilai yang konstan untuk selang waktu tertentu, harga yang variasi dalam rangkuman tertentu, perbandingan yang tetap antara dua variable, dan menyusun suatu besaran fungsi dari besaran lain (Pakpahan, S. 1987 : Teori dan Penerapan Kontrol Otomatik)
Dalam proses pembuatan laporan nanti. Penulis mungkin memiliki keterbatasan pemaham kosakata dalam penyusunan kalimat-kalimat, dimana dalam penulisan laporan ini menggunakan bahasa Indonesia. Untuk itu agar terjadi kesinambunagan dan pemahaman yang mendasar terhadap suatu kontek, maka penulis menggunakan kamus Besar Bahasa Indonesia sebagai bahan acuan (Dinas Pendidikan Nasional. 2008. Kamus Besar Bahasa Indnesia).
2.2. Landasan Teori
A. Sumber Listrik Tiga Fasa
Pembangkitan dasar dari sebuah sistem tiga fasa adalah menggunakan generator tiga fasa yang secara konvensional terdiri dari tiga buah kumparan tegangan yang simetris dan sama besar serta berbeda sudut sebesar 1200 listrik. Tiga buah kumparan tegangan ini biasanya ditandai dengan R, S, T dan N (Titik Netral). Gambar berikut ini memperlihatkan bentuk gelombang yang terbangkit dari sistem tiga fasa pada satu perioda.
Gambar Bentuk Gelombang Tiga Fasa
Dalam penyaluran sumber tegangan tiga fasa terbagi dalam dua sistem, yaitu :
1. Sumber tiga fasa tiga kawat
Penyaluran sumber tegangan tiga fasa dalam sistem tiga kawat tidak mempunyai saluran netral. Jadi hanya mempunyai saluran fasa saja yaitu R, S dan T.
2. Sumber tiga fasa empat kawat
Penyaluran sumber tegangan tiga fasa dalam sistem empat kawat mempunyai saluran netral (N), Selain R, S dan T. Sehingga dalam pemakaian sumbernya dapat digunakan tiga fasa maupun satu fasa. Sistem ini yang paling banyak dijumpai pada industri, khususnya industri perhotelan.
B. Motor Induksi Tiga Fasa
Motor tiga fasa adalah motor atau mesin yang menggunakan sumber tiga fasa sebagai sumber listriknya. Motor induksi tiga fasa merupakan motor elektrik yang paling banyak digunakan dalam dunia industri, khususnya industri perhotelan. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai konstruksi yang sederhana, kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah, sehingga motor induksi mulai menggeser penggunaan motor DC pada industri. Salah satu kelemahan motor induksi yaitu memiliki beberapa karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban, untuk itu harga slip pada motor bersifat relatif, belum lagi jika terdapat fasa yang hilang. Untuk mendapatkan peformansi sistem yang lebih baik terhadap ada tidaknya fasa yang hilang dibutuhkan suatu pengontrol yang bekerja berdasarkan logik gerbang NAND. Penggunaan motor induksi tiga fasa di beberapa industri perhotelan membutuhkan performansi yang tinggi dari motor induksi.
Tujuan penelitian ini untuk merancang suatu rangkaian pengaman fasa hilang. Dengan adanya rangkaian pengaman fasa hilang ini diharapkan kecepatan motor induksi dan kinerja motor induksi dapat steady state sesuai yang diinginkan walaupun terdapat gangguan atau perubahan beban. Motor ini mempunyai tiga buah kumparan yang memiliki jumlah dan diameter kawat yang sama dan ditempatkan pada stator dengan perbedaan sudut 1200 listrik satu dengan yang lainnya. Pada bagian rotor, motor ini mempunyai dua jenis rotor yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Motor induksi memiliki beberapa parameter yang bersifat non-linier, terutama resistansi rotor, yang memiliki nilai bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda. Hal ini yang menyebabkan pengaturan pada motor induksi lebih rumit dibandingkan dengan motor DC.
Salah satu contoh aplikasi motor induksi yaitu pada semua sistem utilitas yang ada di industri perhotelan, hal ini meliputi : pemipaan air bersih, pengelolahan limbah domestik, sistem hydranrt, sistem pendinginan serta sistem tranportasi vertikal dan horizontal. Dengan adanya pengaman fasa hilang ini diharapkan performansi motor induksi yang tinggi. Sesuai yang diinginkan, karena kerusakkan yang disebabkan oleh hilangnya salah satu fasa dapat diperkecil, walaupun sumber tegangan sering mengalami gangguan.
Belitan stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sikron (Ns = 120 f/P), dimana f merupakan frekuensi sumber tegangan listrik (50 hz, Indonesia) dan P adalah jumlah kutub pada motor (minimal berjumlah 2 pada motor satu fasa dan minimal 6 buah pada motor tiga fasa). Medan putar pada stator ini akan memotong konduktor pada rotor sehingga terinduksi arus pada rotor sesuai dengan hukum Lentz. Rotorpun akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Adanya beban pada rotor mengakibatkan putaran rotor sedikit tertinggal dengan putaran medan stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor ini disebut slip. Makin besar beban maka semakin besar harga slip-nya, sehingga bila beban bertambah putaran motor cenderung menurun.
Terjadinya medan putar pada stator dapat terlihat pada gambar 2 berikut ini :
Gambar Medan Putar Stator
Misalkan kumparan a-a, b-b dan c-c dihubungkan pada sumber tegangan tiga fasa dengan beda fasa 1200 listrik, maka akan mengalir arus yang sinusoida. Pada saat t1, t2, t3 dan t4. fluks resultante yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut berturut-turut membentuk gerakkan melingkar searah jarum jam.
C. Resistor
Resistor atau hambatan banyak sekali digunakan dalam rangkaian elektronika. Di dalam rangkaian ini, resistor mempunyai banyak kegunaan antara lain pengatur arus, pengatur tegangan agar sesuai dengan kebutuhan rangkaian.
Resistor disediakan dalam beberapa bentuk dan jenis disesuaikan dengan kebutuhan suatu rangkaian, antara lain :
1. Resistor Tetap
Nilai dari resistor ini sudah tertentu dan yang paling sering kita jumpai pada rangkaian elektronika adalah resistor arang.
2. Resistor Variabel
Resistor ini memiliki nilai hambatan yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.
Dalam penggunaannya resistor dapat dirangkai dengan beberapa cara antara lain :
a. Rangkaian Seri Resistor
Resistor nilainya akan lebih besar apabila disambung dengan secara seri dengan resistor lain. Besarnya nilai resistor ini akan sama besar dengan jumlah dari keseluruhan nilai resistor yang disambungkan. Jadi, semakin banyak resistor yang tersambung, maka semakin besar pula nilai hambatannya. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut :
Rtotal (Rt) = R1 + R2 + R3 + ... + Rn
Pada rangkaian ini arus yang mengalir pada setiap resistor besarnya sama. Sedangkan untuk tegangannya disesuaikan dengan perbandingan nilai masing-masing hambatannya, atau dapat ditulis :
Vt = Vr1 + Vr2 + Vr3 + Vr4
Vr1 = (R1 + Rt) . Vt
Vr2 = (R2 + Rt) . Vt
Vr3 = (R3 + Rt) . Vt
Oleh karena itu rangkaian seri resistor ini dapat juga disebut rangkaian pembagi tegangan. Sedangkan untuk besarnya arus yang mengalir adalah sama.
b. Rangkaian Paralel Resistor
Selain rangkaian seri, resistor juga dapat dihubungkan secara paralel. Dalam rangkaian paralel ini setiap resistor akan mendapatkan tegangan sama besar. Sedangkan untuk arusnya akan berbanding terbalik dengan besar masing-masing resistor. Artinya bila nilai hambatannya besar, arus yangmengalir kecil.
Perhitungan besar nilai resistor total dalam rangkaian pararel dirumuskan sebagai berikut :
1/Rt = 1/r1 + 1/r2 + 1/r3 + ... + 1/Rn
D. Dioda
Dioda mempunyai 2 elektroda yang dihubungkan oleh masing-masing lapisan pertemuan semi konduktor yang terdiri dari type P dan type N. pada lapisan pertemuan tersebut secara difusi electron-elektron bebas lapisan N mengisi lubang-lubang lapisan P, sehingga menimbulkan muatan ruang negative dilapisan P. karena kekurangan electron timbul muatan ruangan positif. Elektroda tersambung dengan type N disebut Anoda (A), sedangkan type P disebut Katoda (K).
Gambar Simbol P-N junction dioda
Bila pada jepitan A dipasang potensial positif terhadap K, maka medan listrik dari luar ini arahnya berlawanan dengan medan lapisan P-N sebelumnya, sehigga lebih banyak electron pindah dari laisan N ke lapisan P. sementara itu kekurangan electron lapisan N dipenuhi oleh jepitan negative dari sumber tegangan. Sedangkan kelebihan electron dilapisan P disalurkan ke jepitan positif sumber tegangan. Hal ini menyebabkan berkurangnya muatan ruangan di kedua sisi pertemuan P-N, sehingga tebal lapisan peralihan berkurang. Dengan demikian mengalirlah arus melalui dioda (forward bias dioda).
Gambar Dioda Bias Maju
Sekarang apabila pada A dipasang potensial negative terhadap K, maka medan listrik luar ini membantu medan lapisan P-N, sehingga aliran electron menjadi lebih sukar. Hal ini disebabkan karena adanya electron-elektron dari jepitan negative yang mengisi lubang-lubang lapisan P, maka muatan ruangan negative dilapisan N juga bertambah karena electron-elektronnya harus menetralisir jepitan positif sumber tegangan. Dalam keadaan ini lapisan peralihan bertambah tebal sehingga mempersulit arus mengalir dalam dioda. Kondisi ini dikatakan bias arah mundur dioda (reverse bias mundur).
Gambar Dioda Bias Mundur
E. Penyearah
Berdasarkan sifat-sifat dioda, maka salah satu fungsi dioda adalah sebagai penyearah arus atau tegangan bolak-balik (AC) menjadi arus atau tegangan searah (DC). Pada dasarnya penyearah dapat digolongkan menjadi 2 macam :
1. Penyearah Setengah Gelombang (half wave rectifier)
2. Penyearah Gelombang Penuh (full wave rectifier)
a. Penyearah Setengah Gelombang
Rangkaian penyearah setengah gelombang dapat dilihat pada gambar.
Gambar Penyearah Setengah Gelombang
Pada saat tegangan dititk A sedang positif, maka setengah perioda ini dioda dalam kondisi forward bias sehingga dilewatkan arus melalui dioda ke beban (Rl) dan antara titik C dan D terjadi tegangan sebanding dengan arus.
Pada saat tegangan di A negative, dioda dalam keadaan reverse bias, maka Rl hanya dialiri arus bocor (sering diabaikan). Dan juga antara C dan D tegangannya sangat kecil. Karena hanya setengah perioda saja yang dapat dilewatkan ke beban, maka dikatakan penyearah setengah gelombang.
3. Penyearah Gelombang Penuh
Sistem penyearah gelombang penuh dibagi dalam dua cara yaitu :
a. Penyearah dengan system CT (center tap)
Sitem ini dapat dilakukan apabila transformator yang digunakan mempunyai cabang tengah (center tap) sehingga dapat diperoleh 2 tegangan sekunder yang sama besar dan berlawanan fasa. Bekerjanya system ini dapat dijelaskan sebagai berikut :
Pada saat titik X positif dan Y negative, dioda D1 mendapatkan forward bias dan D2 reverse bias. Sehingga arus mengalir melalui D1 dan kembali ke CT.
Gambar Penyearah Sistem CT
b. Penyearah Dengan Sistem Jembatan
Sistem penyearahan ini memerlukan empat buah dioda dengan transformator tidak terbatas pada CT saja. System ini bekerja dengan cara sebagai berikut :
Pada setengah perioda pertama titik X positif dan titki Y negative, sehingga D1 dan D4 dan ketitik Y.
Pada setengah gelombang kedua titik Y positif dan titik X negative, sehingga D2 dan D3 forward bias serta D1 dan D4 reverse bias. Jadi arus mengalir dari titik Y melewati D2, lalu beban kemudian D3 dan kembali ke X.
Gambar Penyearah Sistem Jembatan
F. Transistor
Transistor adalah komponen elektronik yang fungsi utamanya adalah sebagai penguat (amplifier). Transistor mempunyai 3 elektroda yaitu Emitor, Basis dan Colektor. Pada prinsipnya transistor dibentuk dari bahan semi konduktor Type P dan type N yang digabungkan sedemikian rupa sehingga diperoleh tiga lapisan membentuk type NPN dan PNP.
Gambar Susunan Fisis Transistor
Gambar Struktur sederhana transistor npn
Gambar Struktur sederhana transistor pnp
Gambar Polaritas Tegangan dan Aliran Arus Dalam Transistor yang Dibias dalam Mode Aktif
Gambar Karakteristik iC – vBE dari sebuah transistor npn
Mengingat fungsinya yang cukup luas, maka penulis hanya mejelaskan sedikit tentang transistor NPN sebagai saklar. Agar transistor dapat bekerja aktif, maka ketiga eletroda-nya harus diberikan muatan arus searah. Pemberian tegangan muka ini disebut tegangan bias. Tegangan bias ini diberikan antara kaki B dengan E, dimana pada jenis transistor NPN, kaki B lebih positif 0,7 Volt terhadap kaki E (silicon).
Dengan sebuah sumber tegangan dan rangkaian seri resistor (rangkaian pembagi tegangan), maka besarnya tegangan bias pada sebuah transistor NPN dapat dihitung dengan rumus :
Vbe = (Rbe/Rtotal ) x Vsumber
Dimana :
Vs = Tegangan Sumber
Vbe = Tegangan Bias
Rbe = Resistor antara kaki B dan kaki E
Rt = Resistor total terhadap sumber tegangan
1. transistor Dalam Kondisi Menyumbat (cut off)
Jika kemudian tegangan VCC dinaikkan perlahan-lahan, sampai tegangan VCE tertentu tiba-tiba arus IC mulai konstan. Pada saat perubahan ini, daerah kerja transistor berada pada daerah cut-off yaitu dari keadaan saturasi (On) menjadi keadaan mati (Off). Perubahan ini dipakai pada system digital yang hanya mengenal angka biner 1 dan 0 yang tidak lain dapat direpresentasikan oleh status transistor OFF dan ON.
Gambar berikut ini memperlihatkan transistor yang dirangkai sedemikian rupa, sehingga tahanan beban RL dianggap seri satu sama lainnya.
Gambar Transistor Dalam Kondisi Tersumbat
Tegangan total yang terdapat pada ujung-ujung rangkaian seri ini sama dengan tegangan catu (VCC) dan diberi notasi Vr dan VCE. Menurut hokum kirchoff :
VCC = VCE + VRL
Arus kolektor IC mengalir melalui RL dan drop tegangannya adalah :
IC x RL
Sehingga :
VCC = VCE + IC.RL
Apabila basis memperoleh bias negative (reverse bias), maka kondisi ini akan memutuskan arus kolektor (IC = 0) sehingga diperoleh persamaan :
IC. R L = 0 sehingga V CC = VCE
Dengan demikian apabila transistor ini kita anggap sebagai saklar, maka keadaan ini sama dengan saklar dalam keadaan terbuka (OFF).
2. Transistor Dalam Kondisi Saturasi
Daerah saturasi adalah mulai dari VCE = 0 volt sampai kira-kira 0.7 volt (transistor silikon), yaitu akibat dari efek dioda kolektor-base yang mana tegangan VCE belum mencukupi untuk dapat menyebabkan aliran elektron. Bila sekarang basis diberi bias arah maju (forward bias) sampai pada titik dimana seluruh tegangan baterai VCC muncul sebagai drop tegangan pada RL, maka pada keadaan ini dapat ditulis sebagai berikut :
IC . RL = VCC
Dari persamaan : VCC = (IC . RL) + VCE
VCE = VCC - (IC . RL)
Dan karena IC . RL = VCC
Maka VCC - (IC . RL) = 0
VCE = 0
Dengan demikian bila IC diperbesar sampai seluruh tegangan VCC muncul pada RL, maka keadaan tersebut dikatakan kondisi saturasi (jenuh). Dan jika trnsistor dianggap sebagai saklar, maka kondisi ini dalam keadaan tertutup (ON).
Gambar Transistor Keadaan Saurasi
G. IC Regulator
Penggunaan IC LM 78xx banyak digunakan dalam rangkaian untuk mendapatkan regulator tegangan yang stabil (tetap). IC ini mempunyai tiga terminal dan dapat digunakan dalam pengaturan tegangan yang luas.
IC regulator ini mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :
a. Arus keluaran melebihi 1 Ampere.
b. Pengaman pembebanan lebih termik secara intern.
c. Tidak diperlukan komponen tambahan.
d. Pembatas arus dihubung singkat intern.
Gambar IC Regulator LM 7812
Gambar Bentuk Fisik IC Regulator LM 7812
Dengan penggunaan IC LM 7812, maka bagian yang tidak boleh berubah tegangannya apabila terjadi penurunan tegangan pada bagian lain dapat dihindari.
H. Level Tegangan IC Logik
Prinsip dasar dari rangkaian logika adalah menggunakan system bilangan biner dengan operasinya meliputi : penjumlahan dan perkalian. Operasi-operasi bilangan tersebut dilaksanakan berdasarkan susunan dan kombinasi dari rangkaian logika terpadu yang lebih dikenal dengan rangkaian digital.
Adanya penggunaan bilangan biner, maka didalam teknik digital hanya mengenal dua macam level/taraf tegangan yaitu :
1. Level tegangan rendah (low level) adalah level untuk menyatakan tegangan rendah yaitu dari 0 Volt – 2,2 Volt yang secara digital dinotasikan dengan angka nol (0).
2. Level tegangan tinggi (high level) adalah level untuk menyatakan tegangan tinggi yaitu dari 4,5 Volt – 5,5 Volt yang secara digital dinotasikan dengan angka-angka satu (1).
HIGH LEVEL atau “1”
Floating (tidak diharapkan)
LOW LEVEL atau “0”
5,5 Volt
4,5 Volt
2,2 Volt
0 Volt
Gambar Level Tegangan
I. Gerbang Logika
Gerbang logika adalah rangkaian dasar dalam teknik digital dan dengan menggunakan bilangan biner, maka hanya dikenal pernyataan tinggi “1” (satu) atau rendah “0” (nol). Gerbang-gerbang logika yang merupakan dasar dari seluruh rangkaian logika dapat dibagi menjadi :
1. Gerbang AND (AND gate)
2. Gerbang OR (OR gate)
3. Gerbang NOT (NOT gate)
Sedangkan untuk kombinasi dari gabungan ketiga gerbang tersebut membentuk gerbang baru yaitu :
4. Gerbang NAND (NAND gate)
5. Gerbang NOR (NOR gate)
6. Gerbang EXOR (EXOR gate)
7. Gerbang EXNOR (EXNOR gate)
Symbol dan table kebenaran dari gerbang AND, OR, NOT, NAND dan NOR dapat dilihat berikut ini :
Gambar Simbol Gerbang Logika
A B Q
0
0
1
1 0
1
0
1 0
1
1
1
A B Q
0
0
1
1 0
1
0
1 0
0
0
1
Tabel Kebenaran AND Tabel Kebenaran OR
Tabel Kebenaran NAND Tabel Kebenaran NOR Tabel Kebenaran NOT
A B
Q
0
0
1
1 0
1
0
1 1
1
1
0
A Q
0
1 1
0
A B Q
0
0
1
1 0
1
0
1 1
0
0
0
Tabel Tabel Kebenaran Gerbang Logika
Sedangkan untuk symbol dan table kebenaran dari EXOR dan EXNOR dapat dilihat berikut ini :
Dengan memperhatikan table kebenaran dari setiap gerbang logika, maka penulis memilih gerbang NAND sebagai pengaman fasa hilang dalam penelitian ini.
J. Gerbang NAND
Gerbang NAND adalah komponen IC yang mempunyai unsur gate adalah paling banyak dipergunakan dalam praktek. Hal ini disebabkan unsure NAND gate sangat praktis dipergunakan untuk membuat rangkaian logika lain seperti NOT, OR dan AND maupun NAND. Disamping harganya murah dan sangat mudah dicari di pasaran. Gerbang NAND adalah gabungan dari AND gate dan NOT gate, yaitu gerbang AND yang outputnya dipasang gerbang NOT.
Gambar Gerbang NAND
Gabungan AND gate dan NOT gate. Secara Boolen dapat ditulis sebagai berikut :
Q = A . B
Dari table kebenaran dan aljabar Boolean ternyata gerbang NAND adalah rangkaian logika yang mempunyai keluaran ‘1’ bila salah satu atau semua inputnya berlogika “0”. Atau sebaliknya akan mempunyai keluaran “0” bila semua masukkan berlogika “1”. Dengan kondisi inilah penulis beranggapan bahwa gerbang NAND sangatlah tepat untuk rangkaian pengaman fasa hilang.
K. Transformator
Transformator adalah alat yang digunakan untuk memindahkan energi listrik dari suatu rangkaian ke rangkaian lainnya tanpa mengubah frekuensi. Perpindahan ini dapat mengubah besarnya arus maupun tegangan. Perubahan ini dinamakan perbandingan transformasi yang secara metamatis dapat dituliskan sebagai berikut :
E1 = N1 dan I1 = N2
E2 N2 I2 N1
Dimana :
E1 = Tegangan Primer
E2 = Tegangan Sekunder
I1 = Arus Primer
I2 = Arus Sekunder
N1 = Lilitan Primer
N2 = Lilitan Sekunder
Pada prinsipnya tranformator terdiri dari :
1. Inti transformator yang terbuat dari plat lunak.
2. Lilitan transformator umumnya dari tembaga lapisan email.
Gambar 22 : Kontruksi Tranformator
L. Pewaktu (Timer)
Rangkaian pewaktu (timer) yang paling sederhana adalah kombinasi resistor dan kondensator. Lamanya waktu yang dibutuhkan tergantung dari besarnya nilai kedua komponen tersebut. Secara matematis dapat ditulis :
T = R x C
Dimana :
T = Waktu Dalam Detik (sekon)
R = Hambatan dalam Ohm
C = Kapasitas kapasitor dalam Farad (F)
M. Relai
Relai adalah alat yang dapat menghubugkan atau memutuskan arus listrik berdasarkan prinsip kemagnetan yang ditimbulkan oleh kumparannya. Besarnya arus yang dikontrol tergantung dari kemampuan kontak hubungnya.
Gambar Kontruksi Relai
N. Kerangka Berpikir
Gerbang NAND (NAND gate) adalah salah satu gerbang pada teknik digital yang mempunyai keluaran (output) “1” bila salah satu atau semua masukkan (input) berlogika “0”. Dan apabila semua masukan (input) berlogika “1” mak keluarannya “0”. Dengan memperhatikan sifat-sifat tersebut, maka sangat memungkinkan untuk dapat digunakan sebagai pendeteksi satu/ lebih saluran, sehingga dapat mengamankan pesawat (beban) yang terpasang.
Salah satu penerapan dilakukan pada sumber tiga fasa. Sumber ini banyak digunakan untuk mengoperasikan semua peralatan elektrikal yang ada di industri perhotelan, seperti pompa tiga fasa, motor pengerak lift, mesin pengering pada loundry, system hydrant, dan masi banyak lagi peralatan yang ada pada hotel, yang menggunakan sumber listrik tiga fasa sebagai suplai energi pengeraknya. Hal ini sangat beralasan karena motor tiga fasa sebagai penggerak utama, diperlukan perpoma yang tinggi. Sehingga dalam pengoperasian dapat maksimal dan perawatannya akan relative lebih ringan. Tetapi bila sumber tiga fasa tersebut tidak terpenuhi ketiganya (terdapat salah satu fasa hilang) dapat merusak kumparan stator motornya.
Agar dapat menerapkan gerbang NAND ini pada jaringan tiga fasa yang bertenggangan 380 Volt antar fasa, atau 220 Volt tiap fasa diperlukan penyesuaian sebagai berikut :
1. Tegangan sumber diturunkan agar sesuai dengan tegangan masukkan gerbang NAND menggunakan transformator dan rangkaian penyearah.
2. Masukkan gerbang NAND dibuat 3 input, sebab yang dideteksi tiga fasa. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan beberapa gerbang NAND 2 input atau sebuah gerbang NAND tiga input/lebih.
3. Untuk memutuskan rangkaian, keluaran harus berupa kontak mekanik. Jadi output pada gerbang digunakan untuk mengoperasikan relai.
Dari prinsip –prinsip dasar tersebut, diwujudkan menjadi alat pengman fasa hilang untuk jaringan tiga fasa. Dengan bantuan kontaktor magnet. Alat pengaman ini dapat memutuskan sumber tegangan, jika salah satu fasanya hilang atau tidak sampai ke beban.
BAB III
METODE PENELITIAN
A. Metode Penelitian
Metode yang digunakan penulis dalam penelitian ini adalah metode eksperimen. Pola eksperimen yang dipakai adalah ”the one short case study”, yaitu suatu kelompok diperlakukan tertentu kemudian dilakukan pengukuran dan pengujian terhadap variable tergantung. Dalam penelitian ini dilakukan pengamatan alat pengaman fasa hilang untuk mendekteksi adanya gangguan fasa hilang pada jaringan fasa hilang. Antara lain dilakukan pengukuran mengenai pengaruh pada tegangan inpu NAND gate, tegangan outputnya, lamanya waktu pemutusan serta pengukuran sensitivitas alat terhadap tegangan minimal sumber tegangan.
B. Desain Penelitian
Desain penelitian adalah rencana atau rancangan yang dibuat oleh penulis sebagai perencanaan kegiatan yang dilakukan selama penelitian. Dalam penelitian ini langkah yang ditempuh adalah sebagai berikut :
a. Perencanaan dan pembuatan alat, dengan menyiapkan komponen atau bahan yang digunakan untuk membuat rangkaian pengaman. Fasa hilang yang dapat menontrol kondisi fasa yang putus pada jaringan listrik tiga fasa, serta merencanakan pula tempat rangkaian (box) untuk alat pengaman tersebut.
b. Pengujian alat pengaman hilang, dengan memulai dari pengujian fungsi alat pengaman didalam rangkaian pengendali motor tiga fasa.
c. Analisa dan pembahasan, dimukai dengan melakukan pembahasan terhadap data dari pengujian pengaman fasa hilang untuk menemukan kesesuaian antara teori dengan praktek. Maka dapat ditentukan keandalan dari rangkaian alat yang dibuat.
C. Metode Penetuan Objek Penelitian
1. Objek Penelitian
Objek dalam penelitian ini adalah alat pengaman fasa hilang yang digunakan untuk mengamankan sumber tiga fasa agar tidak merusak beban (motor tiga fasa), jika terjadi putusnya salah satu fasanya.
2. Variabel Penelitian
Dalam penelitian ini digunakan dua variable yaitu :
a. Variabel Bebas
Variabel bebas dalam penelitian ini adalah perubahan kondisi fasa ng normal menjadi tidak normal (terdapat salah satu fasa hilang) terhadap kerja rangkaian.
b. Variabel Tergantung
Variabel tegantung dalam penelitian ini adalah sensivitivitas dari alat pengaman ditinjau dari :
a. Waktu Pemutusan rangkaian saat terjadi salah satu fasa putus.
b. Besarnya tegangan minimal untuk memutuskan rangkaian.
D. Alat Ukur/Instrumen
Alat ukur yang digunakan dalam penelitian ini adalah :
1. Multimeter SANWA type YX 380 TRD dipakai untuk mengukur kondisi masing-masing komponen dan tegangan sumber maupu rangkaian.
2. Stop watch untuk mengukur waktu pemutusan relai.
Dari alat ukur yang digunakan tersebut perlu dilakukan validitas alat. Untuk melakukan validitas alat yang digunakan, maka alat ukur tersebut harus dikalibrasi, dengan cara menyetel sesuai dengan nilai sebenarnya. Dapat juga dikakukan dengan membandingkan alat ukur yang akan dipakai dengan alat ukur standard. Hal ini penting sekali untuk memperoleh data yang akurat. Dalam penelitian ini validitas alat ukur multimeter dilakukan dengan mengukur sebuah sumber tegangan standar 9 Volt dengan tiga buah multimeter. Dua buah alat ukur yang mempunyai penunjukkan mendekati atau sama dengan sumber tegangan, maka alat ukur tersebut dianggap valid.
E. Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilakukan di bengkel listrik Politeknik Negeri Semarang pada bulan mei sampai juni tahun 2010. pengambilan data dilakukan dengan bimbingan kepala labortarium listrik.
F. Teknik Pengumpulan Data
Pengumpulan data dilakukan dengan cara pengukuran tegangan dari sumber tegangan tiga fasa, rangkaian alat pengaman, sampai pada bekerjanya alat pengaman fasa hilang dalam rangkaian pengontrol motor dengan kontaktor. Langkah-langkah dalam pengumpulan data meliputi :
1. Menyediakan Alat dan bahan yang dibutuhkan, yaitu :
a. Alat pengaman gangguan fasa
b. Sumber tegangan tiga fasa 220 Volt tiap fasa
c. MCB satu fasa 3 buah
d. Beban tiga fasa (motor listrik induksi tiga fasa)
e. Kontaktor magnet
f. Tombol ON/OFF
g. Multimeter SANWA YX 360 TRd
h. Stop Watch
i. Kabel penghubung
2. Pengukuran
a. Pengukuran Sumber Tegangan Tiga Fasa
Pengukuran ini dilakukan untuk mengetahui besarnya tegangan tiga fasa yang dikontrol. Pengukuran ini dilakukan dengan beban, tanpa dibebani dan diputus salah satu fasanya.
Tabel Pengukuran Tegangan Sumber Listrik Tiga Fasa Tanpa Beban
No. Pemutusan Fasa Titik Pengukuran Besar Tegangan
1. Tanpa Pemutusan R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
2. R R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
3. S R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
4. T R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
Tabel Pengukuran Tegangan Sumber Listrik Tiga Fasa Dengan Diberi Beban Motor Listrik
No. Pemutusan Fasa Titik Pengukuran Besar Tegangan
1. Tanpa Pemutusan R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
2. R R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
3. S
R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
4. T R – N
S – N
T – N
R – S
R – T
S – T
b. Pengukuran Rangkaian Pengaman Fasa Hilang
1. Bagian Detektor
Pada bagian ini dilakukan pengukuran dengan pengaturan posisi VR. Kondisi ini untuk menentukan sensitivitas bagian detector. Data pengukuran dapat penulis sajikan pada table 5 berikut ini :
Tabel Pengukuran Bagian Detektor
No. Posisi VR Tegangan Sumber Tegangan Masukkan Gerbang IC
1. 0 Ohm 220 Volt
200 Volt
175 Volt
150 Volt
2. 10 kilo Ohm 220 Volt
200 Volt
175 Volt
150 Volt
3. 20 kilo Ohm 220 Volt
200 Volt
175 Volt
150 Volt
4. 30 kilo Ohm 220 Volt
200 Volt
175 Volt
150 Volt
5. 40 kilo Ohm 220 Volt
200 Volt
175 Volt
150 Volt
2. Bagian Rangkaian Digital
Pada bagian ini dilihat kerja dari gerbang NAND dari IC 7420 yang menjadi tiga masukkan. Data pengukuran pada penulis sajikan dalam table berikut ini.
Tabel Pengukuran Rangkaian Digital
No. Tegangan L1 Tegangan L2 Tegangan L3 Tegangan Keluaran
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
3. Bagian Pewaktu (Timer)
Pengukuran ini untuk menentukan lamanya penundaan kerja relai setelah keluaran pada bagian rangkaian digital “1” (tinggi). Sehingga dapat diketahui kecepatan pemutusan alat pengaman ini pada rangkaian pengendali beban dengan kontaktor. Data tersebut disajikan dalam table berikut ini.
Tabel Pengukuran Penundaan Waktu Kerja Relai
No. Posisi VR Besarnya Kapasitor Waktu Tunda Kerja Relai
1. 10 kilo Ohm 100 micro Farad
2. 20 kilo Ohm 100 micro Farad
3. 30 kilo Ohm 100 micro Farad
4. 40 kilo Ohm 100 micro Farad
5. 50 kilo Ohm 100 micro Farad
Pengujian Alat Pengaman Fasa Hilang
Pengujian alat ini dilakukan dengan dua cara, yaitu :
1. Pengujian pada sumber tegangan tiga fasa berbeban dan tanpa beban. Table pengujian ini disajikan sebagai berikut.
Tabel Pengujian Alat Pengaman Pada Sumber Tegangan Tanpa beban.
No. Pemutusan Fasa Titik Pengukuran Besar Tegangan Penundaan Relai
1. Tanpa Pemutusan R – N
S – N
T – N
2. R R – N
S – N
T – N
3. S R – N
S – N
T – N
4. T R – N
S – N
T – N
Tabel Pengujian Alat Pengaman Pada Sumber Tegangan Berbeban.
No. Pemutusan Fasa Titik Pengukuran Besar Tegangan Penundaan Relai
1. Tanpa Pemutusan R – N
S – N
T – N
2. R R – N
S – N
T – N
3. S R – N
S – N
T – N
4. T R – N
S – N
T – N
2. Pengujian pada rangkaian pengendali motor dengan kontaktor.
Pengujian dilakukan dengan memasang alat pengaman pada bagian sebelum melalui kontak-kontak kontaktornya dan sesudahnya.
Tabel Pengujian Alat Pengaman Fasa Hilang Pada Rangkaian Pengendali Motor Dengan Kontaktor.
No. Pemutusan Fasa Waktu Pemutusan
Sebelum MC Sesudah MC
1. R
2. S
3. T
2. Analisa Data
Analisa data yang digunakan dalam penelitian ini adalah secara diskriptif, yaitu data-data yang ada diuraikan hasil-hasilnya, kemudian dibandingkan dengan perencanaan, apakah terjadi kesesuaian atau tidak. Dengan demikian dapat diketahui sensitivitas dan keandalan dari alat pengaman fasa hilang pada jaringan listrik tiga fasa, dengan menggunakan gerbang NAND
Penelitian ini merupakan penelitian bersifat studi evaluasi. Berikut ini merupakan tahapan jalannya penelitian dari awal penelitian hingga selesainya penelitian di gambarkan dengan diagram alir sebagai berikut :
Gambar Diagram Alir Penelitian
BAB V
PENUTUP
Dari uraian-uraian diatas, ternyata kebutuhan akan adanya pengaman fasa hilang pada pengoperasian motor tiga fasa, sangatlah penting adanya. Megingat perkembangan akan industri perhotelan di Indonesia dewasa ini, yang pastinya meningkatkan kebutuhan akan sebuah perpome yang tinggi terhadap kinerja motor listrik. Agar tercipta suatu pelayanan prima terhadap (tamu Hotel).. Studi Evaluasi Peranncangan Rangkaian Pengaman Fasa Hilang Dengan Menggunakan Gerbang Logik NAND Terhadap Pengoperasian Motor Listrik Induksi Tiga Fasa”. Besar harapan penulis agar Proposal ini dapat disetujui menjadi Laporan Tugas AKhir, agar puulis dapat menyelesaikan laporan ini tepat pada waktu. Sebelum dan sesudahnya penulis ucapkan banyak terima kasih.
Pemohon,
Muhamad Agus Nurta
NIM : 4.31.06.0.16
DAFTAR PUSTAKA
Bambang, Erawan, Drs. 1987. Elektronika Dasar. Bandung : Pusat Pengembangan Penataran Guru Teknologi.
Chapallaz, J.M. 1992, Manual on induction Motors. London : Cassell Ltd.
Dedy, Rusmadi. 2000. Digital dan Rangkaian. Bandung : CV. Pionir Jaya.
Dinas Pendidikan Nasional. 2008. Kamus Besar Bahasa Indnesia. Jakarta : Balai Pustaka).
H. K. Martin. 1978. Electricity or Craft Students. South Holland : The Googheart – Willcox Company.Inc.
Ian R. Sinclair. 1980. Elektronics For The Service Engineer. Oxford :Technical Press.
Margunadi. 1986. Penghantar Umum Elektronika. Jakarta : PT. Rajawali.
Pakpahan, S. 1987 : Teori dan Penerapan Kontrol Otomatik. Ciracas, Jakarta : PT. Erlangga.
Sumadi, Suryabrata. 1983. Metodologi Penelitian. Jakarta : Gramedia Pustaka Utama.
Wasito. 1982. Vandemekum Elektronika. Jakarta : Jakarta : Dian Rakyat.
Zuhal, 1988. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta : PT. Gramedia Pustaka Utama.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar