Pada Maret 2019, saya telah selesai menciptakan lab virtual untuk praktik Elektronika Dasar menggunakan aplikasi PSPICE. Proyek ini dilatarbelakangi oleh kenyataan bahwa saat ini ketersediaan modul-modul untuk mendukung praktik elektronika dasar berbasis laboratorium virtual masih belum dapat memenuhi kebutuhan. Mengapa harus menggunakan lab virtual? Perkembangan teknologi informasi yang sangat pesat telah mendisrupsi landscape laboratorium teknik termasuk elektronika dasar, yang semula hanya mengandalkan peralatan-peralatan real, saat ini muncul kebutuhan untuk mengintegrasikan kegiatan-kegiatan hands-on activity dengan online activity dalam sebuah blanded learning  penyelenggaraan praktik. Produk yang saya ciptakan ini memperkaya implementasi lab virtual untuk mendukung online activity menggunakan aplikasi yang handal dan mudah dioperasikan dalam praktik elektronika dasar.

Produk ini dapat digunakan oleh dosen/mahasiswa jurusan Teknik Elektro dan jurusan sejenis serta guru/siswa SMK untuk mengajar/belajar Elektronika Dasar. Secara fungsional, produk ini dapat digunakan sebagai media pembelajaran di kelas atau untuk mendukung praktik di laboratorium. Secara lebih detil, spesifikasi produk disajikan pada tabel berikut ini.

Tabel 1. Spesifikasi produk

Screen Shot 2019-07-05 at 7.11.20 AM

Produk ini menyediakan 8 topik praktik elektronika dasar dengan dukungan rangkaian virtual seperti ditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2. Topik dan Rangkaian Virtual Pendukung yang disediakan Produk

Screen Shot 2019-07-05 at 1.25.46 PM

 Rangkaian elektronika virtual berbasis PSPICE pada produk ini ditunjukkan melalui gambar berikut ini.

Screen Shot 2019-07-07 at 11.12.36 AM

Screen Shot 2019-07-07 at 11.12.50 AM

Gambar 1. Rangkaian Pengisian dan Pengosongan Kapasitor, Rangkaian RC, dan Rangkaian Karakteristik Diode

Screen Shot 2019-07-07 at 11.43.50 AM

Gambar 2. Rangkaian Pembentuk Gelombang

Screen Shot 2019-07-07 at 11.48.44 AM

Gambar 3. Rangkaian Penyearah

Screen Shot 2019-07-07 at 11.52.24 AM

Gambar 4. Rangkaian Penjepit dan Pengganda TeganganScreen Shot 2019-07-07 at 11.56.29 AM

Gambar 5. Karakteristik Transistor dan Rangkaian Penguat

Sedangkan ouput yang dihasilkan oleh rangkaian-rangkaian tersebut disajikan gambar-gambar berikut ini.

1. Pengisian dan Pengosongan Kapasitor

Screen Shot 2019-07-05 at 8.09.21 AMGambar 6. Kurva tegangan (atas) dan arus (bawah) pengisian kapasitor hasil eksperimen laboratorium virtual SPICE (kiri) dan teoritik (kanan)

Screen Shot 2019-07-05 at 8.11.13 AMGambar 7. Kurva tegangan (atas) dan arus (bawah) pengosongan kapasitor hasil eksperimen laboratorium virtual SPICE (kiri) dan teoritik (kanan)

2. Rangkaian RC

Screen Shot 2019-07-05 at 8.20.17 AM

Gambar 8. Watak integrator dengan input gelombang kotak (garis tebal: tegangan output; garis tipis: tegangan input)

Screen Shot 2019-07-05 at 8.20.28 AM

Gambar 9. Watak integrator dengan masukan gelombang sinus (garis tebal: tegangan output; garis tipis: tegangan input)

Screen Shot 2019-07-05 at 1.02.19 PM

Gambar 10.  Watak diferensiator dengan input gelombang kotak

Screen Shot 2019-07-05 at 1.02.33 PM

Gambar 11. Watak diferensiator dengan input gelombang sinus

Screen Shot 2019-07-05 at 1.17.28 PM

Gambar 12. Respons frekuensi filter low pass dan filter high pass hasil eksperimen dengan PSPICE

3. Karakteristik Diode

Screen Shot 2019-07-07 at 12.28.27 PM

Gambar 13. Hasil pengukuran karakteristik diode 1N4002 menggunakan PSPICE

4. Rangkaian Pembentuk Gelombang

Screen Shot 2019-07-05 at 1.17.51 PM

Gambar 14. Watak rangkaian pembentuk gelombang hasil eksperimen PSPICE

5. Rangkaian Penyearah

Screen Shot 2019-07-05 at 1.18.35 PMGambar 15. Bentuk gelombang tegangan pada penyearah setengah gelombang hasil eksperimen menggunakan PSPICE dengan beban ringan

Screen Shot 2019-07-05 at 1.19.31 PM

Gambar 16. Bentuk gelombang tegangan pada penyearah gelombang penuh hasil eksperimen dengan PSPICE: (a) beban ringan, dan (b) beban penuh

Screen Shot 2019-07-05 at 1.20.05 PM

Gambar 17. Bentuk gelombang penyearah jembatan dengan beban ringan hasil  eksperimen menggunakan PSPICE

Screen Shot 2019-07-07 at 12.48.29 PM

Gambar 18. Bentuk gelombang tegangan rangkaian penyearah filter C Hasil eksperimen menggunakan PSPICE

6. Rangkaian Penjepit dan Pengganda Tegangan

Screen Shot 2019-07-07 at 12.49.56 PM

Gambar 19. Watak rangkaian penjepit hasil eksperimen menggunakan PSPICE dan hasil komputasi teoritik

Screen Shot 2019-07-07 at 12.52.10 PM

Gambar 20.  Watak pengganda tegangan dua kali

Screen Shot 2019-07-07 at 12.52.22 PM

Gambar 21. Watak pengganda tegangan empat kali

7. Karakteristik Transistor

Screen Shot 2019-07-07 at 12.58.34 PM

Gambar 22. Karaktersitik transistor 2N2222 hasil eksperimen dengan PSPICE

8. Rangkaian Penguat

Screen Shot 2019-07-07 at 12.59.59 PM

Gambar 23. Respons amplitudo amplifier common emitter untuk Vi=1mV: (a) tanpa kapasitor bypass; (b) dilengkapi kapasitor bypass

Selamat menggunakan!!


pspice-logo2
Rangkaian RC merupakan rangkaian elektronika yang tersusun atas komponen resistor (R) dan kapasitor (C)  serta dicatu dengan sumber tegangan atau sumber arus. Pada domain waktu, rangkaian RC dapat dimanfaatkan sebagai pendeferensiasi sinyal (rangkaiannya disebut dengan diferensiator) dan rangkaian untuk mengintegralkan sinyal (rangkaiannya disebut dengan integrator). Selain itu, pada domain frekuensi, rangkaian RC dapat diaplikasikan sebagai rangkaian untuk menyeleksi frekuensi dari suatu sinyal. Dengan menggunakan rangkaian RC dapat dibuat filter low pass yang digunakan untuk meloloskan sinyal frekuensi rendah, filter high pass untuk meloloskan sinyal frekuensi tinggi, filter band pass untuk meneruskan sinyal dengan band frekuensi tertentu, dan filter band reject  untuk menahan sinyal dengan band frekuensi tertentu.

Rangkaian RC Pengisian Kapasitor

Rangkaian RC sederhana terdiri atas satu resistor, satu kapasitor, satu sumber tegangan DC, satu buah saklar dapat ditunjukkan seperti gambar di bawah ini.

RC-charging

Gambar 1. Rangkaian RC Pengisian Kapasitor

Jika saklar diarahkan ke posisi 1 maka akan mengalir arus i(t) mengisi kapasitor C dan dalam keadaan ini dapat ditulis persamaan:

             V_{S}=V_{{R}}+V_{{C}}

             V_{{s}}=iR+\frac{Q}{C}

             V_{{s}}=\frac{dQ}{dt}}}R+\frac{Q}{C}

             \frac{dQ}{dt}}}R=V_{{s}}-\frac{Q}{C}

             \frac{dQ}{dt}= \frac{1}{R}(V_{{s}}-\frac{Q}{C}) (persamaan 1)

Persamaan 1 dapat diselesaikan dengan metode pemisahan variabel. Langkah pertama adalah memisahkan notasi-notasi yang berhubungan dengan variabel muatan listrik (Q dan dQ) terhadap notasi yang berhubungan dengan variabel waktu (dt). Pada kasus ini, notasi Q dan dQ ditempatkan pada ruas kiri, sedangkan dt di ruas kanan persamaan, sehingga persamaan 1 dapat diubah bentuknya menjadi persamaan 2 berikut ini.

             \frac{dQ}{(V_{{s}}-\frac{Q}{C})}= \frac{1}{R}dt</p><br /><br /><br /> <p> (persamaan 2) 

Jika ruas kiri dan ruas kanan dibagi dengan -C, maka persamaan 2 dapat diubah bentuknya menjadi:

             \frac{dQ}{Q-CV_{{s}}}=- \frac{1}{RC}dt</p><br /><br /><br /> <p> (persamaan 3)

Pengintegralan ruas kiri dan ruas kanan pada persamaan 3 menghasilkan persamaan:

             \int_{0}^{Q(t)} \frac{dQ}{Q-CV_{{s}}}=- \frac{1}{RC}\int_{0}^{t}dt<br /><br /><br />  (persamaan 4)

Berdasarkan rumus integral, telah diketahui bahwa \int_{}^{} \frac{1}{ax+b}dx=\frac{1}{a}ln\left \| ax+b \right \|, sehingga  persamaan 4 dapat diubah menjadi:

             ln\left \| Q-CV_{s} \right \||_{0}^{Q(t)}=-\frac{t}{RC}\

             ln\left \{Q(t)-CV_{s}  \right \}-ln\left \{ Q(0)-CV_{s} \right \}=- \frac{t}{RC}

             ln\left \{ Q(t)-CV_{s}  \right \}-ln(-CV_{s})=- \frac{t}{RC}

             <br /><br /><br /> ln(\frac{Q(t)-CV_{s} }{{-CV_{s} }})=- \frac{t}{RC}</p><br /><br /> <p>

Telah diketahui bahwa e ^{ln(x)}=x, sehingga apabila ruas kiri dan ruas kanan dari persamaan di atas menjadi pangkat dari e, maka akan dihasilkan persamaan:

             e^{ln(\frac{Q(t)-CV_{s} }{{-CV_{s} }})}=e ^{-\frac{t}{RC}}

             \frac{Q(t)-CV_{s} }{{-CV_{s} }}}=e ^{-\frac{t}{RC}}

             Q(t)=-CV_{s} e ^{-\frac{t}{RC}}+CV_{s}

             Q(t)=CV_{s}(1- e ^{-\frac{t}{RC}})   (persamaan 5)

Oleh karena muatan listrik yang mengisi kapasitor  besarnya Q(t)=CV_{{c}}(t), maka tegangan kapasitor dapat diperoleh dengan melakukan substitusi persamaan ini ke dalam persamaan 5 sehingga diperoleh persamaan:

             CV_{c}(t)=CV_{s}(1- e ^{-\frac{t}{RC}})

             Screen Shot 2018-10-03 at 10.06.12 PM(persamaan 6)  

Persamaan 6 menunjukkan besarnya tegangan kapasitor yang merupakan fungsi waktu t, sedangkan  persamaan arus yang mengisi kapasitor dapat diturunkan dari persamaan 5. Oleh karena besarnya arus pada proses pengisian kapasitor didefinisikan sebagai besar muatan per satuan waktu, maka persamaan arus dapat diperoleh dengan menurunkan fungsi Q(t) pada persamaan 5 terhadap waktu t. Dengan demikian persamaan arus pada pengisian kapasitor dapat ditulis sebagai berikut.

              i(t)=\frac{dQ(t)}{dt}=\frac{d}{dt}CV_{s}(1- e ^{-\frac{t}{RC}})

              i(t)=\frac{d}{dt}CV_{s}-CV_{s}\frac{d}{dt} e ^{-\frac{t}{RC}}

Berdasarkan rumus diferensial, telah diketahui bahwa \frac{d}{dx} e^{u}= e^{u}\frac{du}{dx}, sehingga persamaan dapat diubah menjadi:

             i(t)=0-(CV_{s})(e ^{-\frac{t}{RC}}) </p><br /> <p>(-\frac{1}{{RC}})

             Screen Shot 2018-09-30 at 10.15.14 AM(persamaan 7)

Pada persamaan 6  dan persamaan 7, keterangan untuk setiap notasinya adalah sebagai berikut.

             Vc(t) = tegangan pada kapasitor (V)

             i(t) = arus yang mengalir pada kapasitor setiap saat (A)

             Vs = tegangan sumber (V)

             e = bilangan natural=2,72

             RC = Konstanta Waktu (time constant) dalam satuan detik (s)

Konstanta waktu diberi simbol \tau (tau), sehingga

             Screen Shot 2018-09-30 at 10.28.17 AM(persamaan 8),

dengan R dalam ohm dan C dalam farad. Contoh jika R=10K\Omega= 10^{4}K\Omega  dan C=0,1\mu F= 10^{-7}F, maka \tau=RC= 10^{-3}detik=1ms.

Persamaan 6 dan persamaan 7  menunjukkan besarnya tegangan dan dan arus kapasitor selama komponen tersebut mengalami pengisian muatan.  Jika ke dalam kedua persamaan tersebut dimasukkan nilai-nilai variabel t untuk R=10K\Omega dan C=0,1\mu F akan menghasilkan nilai-nilai tegangan dan arus kapasitor seperti ditunjukkan pada tabel 1 berikut ini.

Tabel 1. Nilai tegangan dan arus pada pengisian kapasitor untuk RC=1ms

Screen Shot 2018-09-27 at 9.06.08 AM

Selanjutnya, jika dilakukan plotting antara Vc versus t akan diperoleh kurva pengisian kapasitor seperti pada gambar 2.

cap-charging-V-500

Gambar 2. Kurva tegangan kapasitor versus waktu selama pengisian muatan

Sedangkan plotting antara arus versus waktu selama pengisian kapasitor menghasilkan kurva seperti pada gambar 3 berikut ini.

cap-charging-i-500Gambar 3. Kurva arus kapasitor versus waktu selama pengisian muatan

Rangkaian RC Pengosongan Kapasitor

Perhatikan kembali gambar 1 di atas! Pada saat saklar diarahkan ke posisi 1, rangkaian akan membentuk konfigurasi pengisian kapasitor. Andaikata kapasitor telah terisi penuh dengan muatan, saklar kemudian diarahkan ke posisi 2 maka rangkaian akan membentuk konfigurasi pengosongan kapasitor dengan arah arus terbalik menuju ke potensial nol.

Screen Shot 2018-10-04 at 6.14.53 AM

Gambar 4. Rangkaian RC Pengosongan Kapasitor

Dalam keadaan seperti ini Vs=0 dan  persamaan tegangan menjadi:

             -V_{{R}}-V_{{C}}(t)=0

              V_{{C}}(t)=-V_{{R}}   (persamaan 9)

Persamaan dapat diubah dalam bentuk:

             Vc(t)=-i(t)R

             \frac{Q}{C}=-\frac{dQ}{dt}R</p><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
<p>  (persamaan 10)

Seperi halnya pada pegisian kapasitor, persamaan 10 yang menunjukkan arus pengosongan kapasitor dapat diselesaikan dengan metode pemisahan variabel. Dalam hal ini, notasi Q dan dQ ditempatkan pada ruas kiri, sedangkan dt di ruas kanan persamaan, sehingga persamaan 10 dapat diubah menjadi:

             \frac{dQ}{{Q}}=-\frac{1}{RC}dt

Jika ruas kiri dan ruas kanan diintegralkan, maka persamaan dapat diubah bentuknya menjadi:

             \int_{Q(0)}^{Q(t)} \frac{dQ}{{Q}}=-\frac{1}{RC}\int_{0}^{t}dt</p><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
<p>

             ln\left \| Q \right \||</p><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
<p> _{Q(0)}^{Q(t)}=-\frac{t}{RC}

             lnQ(t)-lnQ(0)=-\frac{t}{RC}</p><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
<p>

             ln\frac{Q(t)}{Q(0)}=-\frac{t}{RC}</p><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br /><br />
<p>

             e^{ln\frac{Q(t)}{Q(0)}}= e^{-\frac{t}{RC}}

Berdasarkan sifat bilangan natural, telah diketahui bahwa  e ^{ln(x)}=x, sehingga apabila ruas kiri dan ruas kanan dari persamaan di atas menjadi pangkat dari e, maka akan dihasilkan persamaan:

             \frac{Q(t)}{Q(0)}}= e^{-\frac{t}{RC}}

             Q(t)=Q(0) e^{-\frac{t}{RC}} (persamaan 11)

             CV_{{c}}(t)=CV_{{c}}(0)e^{-\frac{t}{RC}}

             V_{{c}}(t)=V_{{c}}(0)e^{-\frac{t}{RC}}

Oleh karena pada saat awal pengosongan kapasitor (t=0) nilai tegangan awal pada ujung-ujung kapasitor sama dengan nilai tegangan sumber (V_{{c}}(0)=V_{{s}}), maka persamaan dapat ditulis dalam bentuk:

             Screen Shot 2018-10-04 at 7.51.29 AM  (persamaan 12)

Persamaan 12 menunjukkan tegangan kapasitor selama proses pengosongan muatan (discharging) berlangsung. Persamaan arus pengosongan dapat diturunkan dari persamaan 11. Oleh karena pada proses pengosongan kapasitor arusnya berkurang dari waktu ke waktu maka persamaannya dapat ditulis i(t)=-\frac{dQ(t)}{dt} (tanda negatif menunjukkan arus semakin lama semakin berkurang). Substitusi persamaan ini ke dalam persamaan 11 menghasilkan persamaan:

            i(t)=-\frac{dQ(t)}{dt}=-\frac{dQ(0)}{dt}e^{-\frac{t}{RC}}

             i(t)=-I(0)e^{-\frac{t}{RC}}

Pada saat awal (t=0), nilai muatan kapasitor maksimum, sehingga arus awalnya juga maksimum yakni sebesar \frac{Vs}{R}. Persamaan arus pengosongan dapat ditulis;

             Screen Shot 2018-10-04 at 8.13.22 AM  (persamaan 13)

Persamaan 12 dan persamaan 13  menunjukkan besarnya tegangan dan dan arus kapasitor selama komponen tersebut mengalami pengosongan muatan (discharging). Jika ke dalam kedua persamaan tersebut dimasukkan nilai-nilai variabel untuk R=10K\Omega dan C=0,1\mu F akan menghasilkan nilai-nilai tegangan dan arus kapasitor seperti ditunjukkan pada tabel 2 berikut ini.

 Tabel 2. Nilai tegangan dan arus pada pengosongan kapasitor untuk RC=1ms

Screen Shot 2018-09-27 at 9.06.28 AM

 Plotting antara Vc versus t akan diperoleh kurva pengosongan kapasitor seperti pada gambar 5 berikut ini.

Screen Shot 2018-09-27 at 9.23.20 AM

Gambar 5. Kurva tegangan kapasitor versus waktu selama pengosongan muatan

Sedangkan plotting antara arus versus waktu selama pengosongan kapasitor menghasilkan kurva seperti pada gambar 6 berikut ini.

Screen Shot 2018-10-04 at 10.37.31 AM

Gambar 6. Kurva arus kapasitor versus waktu selama pengosongan muatan

Simulasi menggunakan PSPICE

Simulasi fenomena pengisian dan pengosongan kapasitor menggunakan PSPICE dapat dilakukan dengan menyusun rangkaian seperti pada Gambar 7.

Screen Shot 2018-10-18 at 12.21.25 AM

Gambar 7. Rangkaian Untuk Simulasi Pengisian dan Pengosongan Kapasitor Menggunakan PSPICE Dengan Output Tegangan

Rangkaiannya menggunakan komponen saklar tOpen dan tClose dengan nilai parameter masing-masing 10 ms. Sifat dari kedua saklar tersebut adalah sebagai berikut.

  • tOpen selalu tertutup, saklar akan terbuka jika diberi nilai parameter tertentu misalnya 10 ms, artinya saklar akan terbuka setelah mencapai waktu10 ms.
  • tClose memiliki sifat selalu terbuka, jika nilai parameternya diberi 10 ms, kondisinya akan tertutup setelah waktu mencapai 10 ms.

Pengaturan (setting) parameter simulasi agar tampilan grafik proporsional, dapat dilakukan dengan cara:

  • Hitung terlebih dahulu RC time constant dalam hal ini RC=1ms
  • Oleh karena kapasitor akan terisi penuh pada t=5RC, maka untuk pengisian kapasitor dapat diberikan waktu simulasi pengisian kapasitor misalnya dua kali 5RC yakni 10ms dan waktu pengosongan juga 10ms sehingga total waktu simulasi sebesar 20ms.
  • Lakukan pengaturan seperti pada Gambar 8.

Screen Shot 2018-10-18 at 12.58.25 AM

Gambar 8. Pengaturan Parameter Simulasi Pengisian dan Pengosongan Kapasitor

Jika pengaturan tersebut dilakukan dengan benar, maka proses simulasi pengisian dan pengosongan tegangan (rangkaian pada Gambar 7) akan menghasilkan grafik seperti pada Gambar 9.

Screen Shot 2018-10-18 at 1.03.04 AM

Gambar 9. Grafik Tegangan Pengisian (t=0 s.d. 10 ms) dan Pengosongan (t=10 s.d. 20 ms) Kapasitor Hasil Simulasi PSPICE

Penampilan  grafik arus pada pengisian dan pengosongan kapasitor dapat dilakukan dengan mengganti voltage marker dengan current marker sehingga rangkaian menjadi seperti Gambar 10.

Screen Shot 2018-10-18 at 1.13.27 AM

Gambar 10. Rangkaian Untuk Simulasi Pengisian dan Pengosongan Kapasitor Menggunakan PSPICE Dengan Output Arus

Hasil simulasi dengan menggunakan Gambar 10 ditunjukkan pada gambar 11 berikut ini.

pengosongan-3

Gambar 11. Grafik Arus Pengisian (t=0 s.d. 10 ms) dan Pengosongan (t=10 s.d. 20 ms) Kapasitor Hasil Simulasi PSPICE dengan Variabel terikat -I(R1)

Ubahlah variabel -I(R1) menjadi I(R1) sehingga  tampilan grafik menjadi seperti pada gambar 12.

pengosongan4

Gambar 12. Grafik Arus Pengisian (t=0 s.d. 10 ms) dan Pengosongan (t=10 s.d. 20 ms) Kapasitor Hasil Simulasi PSPICE dengan Variabel terikat I(R1)

Sepanjang tahun 2017 saya melakukan riset untuk mengembangkan sistem kendali motor induksi dengan unit stall detector dan soft starter agar dapat digunakan sebagai salah satu unit atau aparatus pada laboratorium Mesin Listrik. Mempertimbangkan aspek efisiensi dan fleksibilitas penggunaan, produk ini diarahkan berbasis SIMULINK, dan untuk  lebih mempermudah penyebutan, produk ini selanjutnya disebut dengan  Sistem Kendali Motor Induksi Berkinerja Tinggi.

Produk telah melalui proses yang cukup panjang, dari desain sampai dengan implementasi ke dalam model SIMULINK.  Sistem juga telah diujikan terhadap 8 (delapan) jenis motor induksi yakni jenis 215 HP, 150 HP, 100 HP, 50 HP, 20 HP, 10 HP, dan 5.4 HP. Hasil pengujian menunjukkan bahwa sistem kendali yang dikembangkan memiliki kinerja yang tinggi sehingga dapat digunakan sebagai apparatus laboratorium Mesin Listrik, ditunjukkan oleh kemampuannya dalam: (1) mereduksi secara signifikan lonjakan arus dan torsi starting yang dibangkitkan motor selama start-up; dan (2) mematikan secara otomatis catu daya ketika motor dalam keadaan stall. 

Produk ini juga telah saya presentasikan di hadapan akademisi dan pelaku industri pada seminar nasional teknik elektro di Politeknik Negeri Unjung Pandang, Makasar tanggal 17 September 2018.

20180917_081641 copy

Sesi keynote speech

Produk ini sesungguhnya disiapkan untuk mendukung praktik sistem kendali motor induksi berkinerja tinggi di laboratorium mesin listrik, namun produk juga  dapat digunakan oleh mahasiswa jurusan teknik elektro yang ingin belajar secara mandiri.

20180917_121918 copy

Presentasi tentang sistem kendali motor induksi berkinerja tinggi

Selain untuk lingkungan perguruan tinggi, produk ini juga dapat digunakan oleh guru SMK sebagai media pembelajaran materi motor listrik induksi. Naskah publikasi ilmiah secara lengkap dapat diunduh (download) melalui link

http://muchlas.ee.uad.ac.id/v2/profil/penelitian/

sedangkan Panduan dan File Model SIMULINK dari produk dapat diperoleh melalui link:

http://muchlas.ee.uad.ac.id/downloads/motor_control.zip

Pada kwartal pertama 2018, saya telah berhasil menciptaklan produk terbaru berupa Simulator Sistem Kendali Motor Berkinerja Tinggi Berbasis Simulink. Penciptaan produk ini dilatarbelakangi oleh kenyataan bahwa kegiatan praktik menggunakan peralatan real di lingkungan program studi Teknik Elektro khususnya materi Pengendalian Motor Berkinerja Tinggi memerlukan alokasi ruang dan biaya yang besar serta pada operasi berdaya tinggi mengandung resiko kerusakan pada mesin yang digunakan.  Untuk itu, perlu dilakukan upaya-upaya menghasilkan produk berupa simulator sistem kendali motor induksi berkinerja tinggi berbasis SIMULINK yang layak digunakan sebagai perangkat praktik yang efisien, fleksibel dan aman.

Definisi Nama Produk

Sistem kendali motor berkinerja tinggi yang dimaksud dalam produk perangkat pembelajaran ini adalah sebuah gabungan piranti-piranti listrik dan elektronik yang dapat melakukan pengaturan tegangan catu untuk mereduksi lonjakan arus dan torsi saat mesin melakukan start-up. Selain itu, dalam keadaan steady-state, sistem dapat memutus catu tegangan secara otomatis ketika torsi beban melebihi torsi maksimum yang dibangkitkan, sehingga motor terhindar dari keadaan stall yang dapat menimbulkan kerusakan belitan motor. Sedangkan SIMULINK adalah kelengkapan dari pemrograman Matlab yang dapat digunakan untuk pemodelan, simulasi dan analisis sistem dinamis dengan mudah menggunakan blok.Tampilan panel-panel produk simulator ditinjukkan seperti pada Gambar 1 berikut ini.

Screen Shot 2018-08-05 at 9.35.36 AM

 Gambar 1. Panel Simulator Sistem Kendali Motor Listrik Berkinerja Tinggi

Kegunaan dan Spesifikasi Produk

Simulator ini dapat digunakan oleh para dosen Teknik Elektro atau guru Sekolah Menengah Kejuruan (SMK), sebagai media pembelajaran yang terkait dengan materi karakteristik motor induksi tiga fase berkinerja tinggi yang dikendalikan menggunakan thyristor terpicu. Simulator juga dapat digunakan oleh mahasiswa Teknik Elektro maupun siswa SMK dalam membantu belajar mandiri tentang sistem pengendali motor yang dilengkapi dengan unit soft-starter dan unit stall-detector. Spesifikasi produk yang saya ciptakan dapat dilihat pada tabel berikut ini.

spesifikasi-alat

Unit-unit Produk

1. Unit Input

Pada unit ini terkandung sumber tegangan AC tiga fase yang berfungsi memberikan catu daya pada sistem yang dibangun. Sumber tegangan ini diambil dari Simulink Library/SimPowerSystems/Electrical Sources/Three-Phase Programmable Voltage Source seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Screen Shot 2018-08-06 at 9.12.58 PM

Gambar 2. Sumber Tegangan AC Tiga-Fase dan Pengaturan Parameternya Untuk Motor 3HP

Unit lain yang tersemat di dalam unit input adalah pemilih jenis catu yang menyediakan empat pilihan yakni direct-on-line supplied dengan sudut pemicuan alfa konstan (pilihan 1), dan soft-start cepat (pilihan 2), sedang (pilihan 3) dan lambat (pilihan 4). Pada dasarnya, pemilih jenis catu adalah rangkaian dengan komponen utama saklar multiport yang memiliki empat buah input dan satu buah output. Salah satu inputnya dihubungkan ke sumber nilai alfa konstan, dan tiga input lainnya ke penggeser nilai alfa, sementara outputnya ke rangkaian pemicuan. Unit ini dilengkapi dengan blok pemilih (berwarna kuning) yang memungkinkan dapat diisikan ke dalamnya suatu konstanta melalui key in sebagai pengendali saklar multiport seperti ditunjukkan pada Gambar 3.

Screen Shot 2018-08-06 at 9.17.10 PM Gambar 3 Pemilih Jenis Catu (Supply Mode Selector)

Rangkaian terakhir pada unit input adalah pemilih skenario. Sebagai perangkat pembelajaran, operasi motor pada simulator ini perlu dikondisikan dalam berbagai situasi untuk menunjukkan kemampuan sistem kendali dalam mengantisipasi melonjaknya arus dan torsi saat start-up serta mengantisipasi perubahan-perubahan torsi beban saat steady-state yang dapat menyebabkan stall. Perangkat ini menyediakan dua jenis skenario operasi yakni normal (normal operation) dan beban lebih (overloaded operation). Nilai torsi beban agar motor beroperasi secara normal maupun dalam keadaan overloaded untuk masing-msing jenis motor seperti ditunjukkan pada Tabel 2 berikut ini.

Tabel 2. Beban Motor Untuk Operasi Normal dan Overloaded

Screen Shot 2018-08-06 at 9.23.40 PM

Pemilihan skenario pertama (operasi normal) akan menyebabkan motor diberi torsi beban konstan yang besarnya sesuai dengan kolom Normal 1 pada Tabel 2 selama waktu berlangsungnya simulasi. Pada mode normal ini, motor tidak mengalami gangguan penambahan beban baik beban normal maupun beban lebih selama keadaan transien sampai dengan steady-state. Skenario kedua adalah motor diberi beban yang berubah setelah kondisi transien, yakni sesaat setelah t=6 s dengan beban seperti pada kolom Normal 2 dan sesaat setelah t=8 s seperti pada kolom Overloaded. Gangguan pertama dengan tambahan torsi beban seperti pada kolom Normal 2 menyebabkan arus stator dan torsi elektromagnetik meningkat namun tidak menimbulkan keadaan stall, sedangkan gangguan kedua dengan torsi beban seperti pada kolom Overloaded menyebabkan arus stator dan torsi naik melebihi torsi yang dapat dibangkitkan motor, sehingga menyebabkan kondisi stall. Pemilih skenario berbentuk saklar seperti ditunjukkan pada Gambar 4. Arti dari notasi pada saklar adalah 1 untuk normal operation dan 2 untuk overloaded operation.

Screen Shot 2018-08-06 at 9.34.49 PM

Gambar 4. Saklar Pemilih Skenario: (a) Normal Operation (Kiri) , (b) Overloaded Operation (Kanan)

2. Unit Pengendali

Rangkaian utama dari sistem yang dibangun ini adalah pengendali tegangan menggunakan thyristor yang dipicu oleh pulsa tersinkronisasi seperti ditunjukkan pada Gambar 5. Pada gambar tersebut, terlihat rangkaian unit pengendali tersusun atas piranti pensaklaran thyristor dan rangkaian pemicuan (firing circuit).

Screen Shot 2018-08-05 at 9.50.15 AM

Gambar 5. Pengendali Tegangan Mengandung Piranti Pensaklaran Thyristor dan Rangkaian Pemicuan Versi SIMULINK

Sub unit lain yang terdapat dalam unit pengendali adalah rangkaian penggeser pulsa yang merupakan sumber dari rangkaian pemicuan. Rangkaian penggeser pulsa pada dasarnya adalah pembangkit bilangan decrement untuk sudut pemicuan alfa, yakni rangkaian yang dapat membangkitkan nilai alfa dari nilai maksimum menuju nilai minimum dalam satuan derajat listrik. Rangkaian penggeser pulsa pemicuan dalam format SIMULINK disajikan pada Gambar 6. Blok Ramp akan membangkitkan pulsa pemicuan dengan nilai awal yang tinggi, selanjutnya nilai ini diturunkan seiring dengan bertambahnya waktu. Setelah mencapai nilai threshold (torsi elektromagnetik mencapai nilai maksimumnya), blok Switch akan memilih sudut pemicuan minimum untuk disalurkan ke input rangkaian pemicuan melalui saklar multiport. Rangkaian pemilih jenis catu dan penggeser pulsa membentuk unit soft-starter yang merupakan unit dari sistem kendali motor berkinerja tinggi.

Screen Shot 2018-08-06 at 4.44.32 PM

Gambar 6. Rangkaian Penggeser Pulsa Dalam Format SIMULINK

Selain sub unit soft-starter, sub unit lain pada unit pengendali adalah stall detector yang terdiri atas rangkaian sensor arus/torsi maksimum, pengaktif relay, dan relay pemutus seperti ditunjukkan pada Gambar 7.

Screen Shot 2018-08-06 at 9.51.41 PM

Screen Shot 2018-08-06 at 9.51.58 PM

Gambar 7. Unit Stall Detector Terdiri Atas: (a) Pengaktif Relay dan (b) Relay Pemutus

Cara kerja unit stall detector dapat dijelaskan sebagai berikut. Jika arus stator yang berasal dari sensor arus masih di bawah batas ambang atau threshold–bersesuaian dengan kondisi torsi maksimum–maka Switch7 akan memilih nilai 1 pada terminal input bawah untuk disalurkan ke outputnya yang ditangkap oleh Switch6 sebagai input. Namun, jika arus yang masuk ke Switch7 melebihi batas ambang, saklar ini akan memilih nilai 0 pada input atas untuk diteruskan ke outputnya. Switch6 dikendalikan oleh timer dengan pengaturan akan bekerja menyalurkan input atas, jika waktu running motor sudah lebih besar dari 6 detik, sebaliknya akan menyalurkan input bawah untuk t<6 detik. Jadi, jika setelah 6 detik dari saat motor melakukan starting, terjadi kenaikan torsi beban yang menyebabkan arus stator juga naik namun masih di bawah batas ambangnya, maka input bawah dari Switch6 akan bernilai 1 (berasal dari Switch7) yang menyebabkan outputnya bernilai 1. Rangkaian compare to zero akan memberikan output 0 karena nilai inputnya 1, sehingga rangkaian enable subsystem tidak memperoleh pemicuan, berakibat outputnya 0, dan setelah masuk operator NOT outputnya bernilai 1 yang diperlukan sebagai sinyal pengendali relay agar keadaannya tertutup.

Sebaliknya, jika arus stator terdeteksi melebihi batas ambang, maka Switch7 akan memilih input atas yang bernilai 0 untuk disalurkan ke outputnya, berakibat input bawah Switch6 bernilai 0. Oleh karena t>6 detik, maka input bawah ini akan dipilih oleh Switch6 dan disalurkan ke outputnya. Nilai output Switch6 yang bernilai 0 ini oleh piranti compare to zero diubah menjadi bernilai 1 yang akan memicu enabled subsystem sehingga menyalurkan nilai 1 pada input ke outputnya. Sebagai piranti yang bersifat latched (mengunci), enabled subsystem akan mempertahankan nilai 1 ini sampai terdapat pemicuan kembali dan oleh operator NOT nilai ini diubah menjadi bernilai 0. Selanjutnya output operator NOT ini akan berfungsi sebagai sinyal pengaktif untuk mematikan relay.

Unit pengendali lain adalah rangkaian timer untuk pemberian variasi beban motor. Rangkaian ini, seperti ditunjukkan pada Gambar 8, digunakan untuk mendukung implementasi skenario normal operation dan overloaded operation.

Screen Shot 2018-08-06 at 10.06.48 PM

Gambar 8. Timer Pemberian Variasi Beban Untuk Motor 215 HP: (a) Rangkaian; (b) Struktur Timer

 

Sesuai dengan rancangan skenario, pemberian variasi beban dilakukan setelah keadaan transien dan dipilih t>6 detik. Untuk jenis motor 215 HP, pada skenario operasi normal, sejak saat awal motor melakukan start-up, beban normal 380 N m langsung disalurkan ke motor, dan untuk skenario beban bervariasi, setelah t>6 detik Switch5 akan menyalurkan beban 760 N m (masih dalam kategori normal), dan setelah t>8 detik Switch4 akan menyalurkan beban lebih 1000 N m ke motor (torsi beban lebih).

3. Unit Output

Unit output dari sistem yang dibangun terdiri atas sebuah motor induksi tiga fase dan unit display yang meliputi display arus stator dan rotor, kecepatan putar rotor, torsi elektromagnetik, tegangan eksitasi, tegangan dan arus fase seperti ditunjukkan pada Gambar 9.

Screen Shot 2018-08-06 at 10.11.23 PM

Gambar 9. Unit Output Terdiri Atas Motor Induksi Tiga Fase dan Sub Unit Display

Uji Coba Produk

Produk telah menjalani uji kinerja melalui uji on-going dengan tiga tahap pengujian menggunakan 8 jenis motor induksi tiga fase yang mewakili motor berdaya kecil, sedang dan tinggi. Motor yang digunakan sebagai sampel uji coba produk ditunjukkan pada tabel 2.

Tabel 2. Motor Sampel Uji Coba Produk

Screen Shot 2018-08-06 at 10.14.27 PM

Sebagai media pembelajaran, produk juga telah menjalani alpha testing kepada calon pengguna dosen dan mahasiswa. Hasil uji coba simulator ini tersaji pada uraian berikut ini.

1. Uji Kinerja Sistem Kendali Utama

Uji kinerja dilakukan dengan membandingkan output sistem kendali utama yang dibangun dalam bentuk gelombang tegangan eksitasi dan arus fase terhadap hasil penelitian terdahulu yang dianggap valid. Hasilnya ditunjukkan pada Tabel 3.

Tabel 3. Perbandingan Bentuk Gelombang Tegangan Eksitasi dan Arus Pada Sistem Utama Terhadap Hasil Simulasi Hamed & Chalmers Untuk Berbagai Sudut Pemicuan

ongoing2

Untuk tegangan dan arus fase-ke-fase, perbandingannya pada berbagai sudut pemicuan thyristor dapat disajikan melalui Tabel 3 berikut ini.

Tabel 4. Perbandingan Bentuk Gelombang Tegangan Fase-ke-Fase dan Arus Pada Sistem Utama Terhadap Hasil Simulasi Hamed & Chalmers (1990) Untuk Berbagai Sudut Pemicuan

ongoing4

Dari kedua tabel di atas terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan eksitasi maupun fase-ke-fase dan arus stator dari sistem utama yang dibangun  mirip dengan bentuk gelombang dan arus motor hasil simulasi Hamed dan Chalmers. Hal ini mengindikasikan bahwa sistem utama yang dibangun  telah dapat bekerja dengan baik.

2. Uji Kinerja Unit Soft-Starter

Hasil uji kinerja unit ini untuk salah satu jenis motor ditunjukkan pada Gambar 10.

soft-start-uji

Gambar 10. Indikator Keberhasilan Unit Soft-Starter Secara Visual

Dari Gambar 10 terlihat bahwa starting current yang dibangkitkan oleh motor induksi yang dioperasikan menggunakan catu daya langsung (direct-on-line supplied) nilainya sangat tinggi, namun nilai arus tersebut berkurang ketika sistem utama dijalankan dengan unit soft-starter, dan reduksinya semakin besar untuk kecepatan tegangan ramp-up yang semakin rendah (soft-start lambat). Jadi,  sistem kendali soft-start yang dibangun telah dapat melakukan fungsinya dengan baik yakni mampu melakukan reduksi arus starting sehingga nilainya berkurang saat motor melakukan start-up.

3. Uji Kinerja Stall-Detector

Hasil uji kinerja unit stall-detector ditunjukkan pada Gambar 11. Dari Gambar tersebut  dapat dilakukan analisis perbandingan karakteristik dinamis motor induksi yang dihasilkan oleh sistem kendali soft-start sebelum dan sesudah dipasangi unit stall detector.

Screen Shot 2018-08-06 at 10.24.56 PM

Gambar 11. Analisis Perbandingan Karakteristik Motor Untuk Sistem Kendali Soft-Start Sebelum dan Sesudah Dipasangi Stall Detector

 

Dari Gambar 11 (a) dan Gambar 11 (e), terlihat bahwa untuk operasi beban lebih pada sistem yang belum dipasangi stall detector, terjadi kenaikan arus stator dan torsi elektromagnetik sehingga melebihi batas ambang keamanan motor, menyebabkan motor mengalami keadaan stall. Keadaan stall ini ditunjukkan oleh menurunnya secara drastis kecepatan putar rotor, seperti ditunjukkan pada Gambar 11 (e), sehingga motor menjadi berhenti berputar sementara catu tegangan masih terpasang yang ditunjukkan oleh masih munculnya arus stator seperti pada Gambar 11 (a). Dari analisis ini dapat diperoleh kesimpulan bahwa sistem kendali yang belum dipasangi unit stall detector, pemberian torsi beban lebih dapat menyebabkan motor mengalami stall, yakni motor berhenti berputar tetapi catu tegangan masih terpasang (ON) pada inputnya.

Sementara itu, pada Gambar 11 sebelah kanan, terlihat bahwa motor induksi yang dikendalikan oleh sistem kendali soft-start yang dilengkapi dengan stall detector, pada saat menerima beban lebih arus statornya menunjukkan nilai nol yang berarti tidak ada arus yang mengalir pada belitan statornya, seperti ditunjukkan pada Gambar 11(b). Hal ini mengindikasikan bahwa stall detector yang terpasang pada sistem telah bekerja mendeteksi arus lebih akibat pemberian beban lebih, dan ketika arus tersebut melebihi batas ambangnya maka catu daya akan dimatikan sehingga tampak arusnya menjadi nol (Gambar 11b), motor tidak lagi membangkitkan torsi (Gambar 11d) dan motor berhenti berputar (Gambar 11f) bersamaan dengan matinya catu daya sehingga motor menjadi aman.

Download Panduan dan File Model SIMULINK dari Simulator:

http://muchlas.ee.uad.ac.id/downloads/motor-control.zip

 

Selamat menggunakan simulator ini.

Sabtu dinihari, tanggal 28 Juli 2018 terjadi gerhana bulan total sebagai fenomena alam yang sangat menarik untuk diamati. Gerhana bulan total (total lunar eclipse) diberi pengertian sebagai suatu peristiwa alam di mana posisi bumi di antara matahari dan bulan serta bayangannya menutupi seluruh permukaan bulan. Ketika peristiwa ini terjadi, bulan nampak memerah sehingga sering dinamakan dengan istilah blood moon. Gambar berikut ini menjelaskan kejadian gerhana bulan total.gerhana-bulan-total

Gerhana Bulan Total

Untuk mendokumentasikan gerhana bulan total ini, saya gunakan kamera EOS 5D dengan lensa 200mm tanpa filter. Setting-up untuk aperture dan shutter speed dilakukan dengan prinsip:

  • Aperture pada nilai yang tinggi untuk memperoleh depth of field yang lebar (saya memulai dengan nilai diafragma 10)
  • Shutter speed di atas 100  untuk menghindari shake (goncangan karena menggunakan tele cukup panjang yakni 200mm)
  • Untuk keadaan gerhana mulai total, peningkatan pencahayaan dilakukan dengan menambah ISO

kamera-gerhana

Berikut ini adalah hasil liputan gerhana bulan total dengan lokasi Gedongan Baru Banguntapan Bantul Yogyakarta.

Total Lunar Eclipse

gbt-web-muchlas

Salam Astronomi Indonesia.