| Vol. 3 | No.  2 | Halaman 48-58
Sistem Kendali On/Off Motor Induksi Pompa Air Dengan Histerisis dapat Diprogram

## NANA SUBARNA
Institut Teknologi Nasional Email : nana.sbn@gmail.ac.id

## ABSTRAK
Pengaturan  motor  induksi  pompa  air  biasanya  menggunakan  saklar  tekanan dengan  histerisis.  Kekurangan  dari  transduser  ini  adalah  lebar  histerisis  yang terbatas dan penggunaan saklar mekanik untuk pengaturannya sehingga cepat aus dan berisik. Untuk mengatasinya dengan mengganti saklar mekanik dengan saklar elektrik triac dan penggunaan sistem mikrokontroler untuk mengatur waktu on/off triac  dan  memanipulasi  karakteristik  saklar  mekanik.  Sistem  terdiri  dari  saklar elektrik triac yang dikontrol sistem mikrokontroler dengan penyalaan sudut phasa. Besarnya  sudut  penyalaan  ditentukan  berdasarkan  waktu  on/off  saklar  tekanan yang  ditentukan  oleh  debit  air  yang  keluar.  Dengan  mengatur  sudut penyalaan, waktu histerisis on/off dapat diatur untuk debit air yang berbeda. Sistem Kendali On/Off  dapat  digunakan  untuk  memanipulasi  dan  mengubah  karakteristik  saklar tekanan dari  0.75s – 12s menjadi 6.2s – 10.1s untuk debit air 2 – 11 LPM dan waktu rata-rata on, ton_off = 7.4s dibanding ton_kon = 2.94s, sehingga sistem pompa air kurang berisik suaranya.
Kata  kunci  :  saklar  tekanan,  histerisis,  saklar  mekanik,  saklar  elektrik,  waktu on/off, manipulasi, sudut phase, lpm.

## ABSTRACT
To regulate pressure in the water pump motor usually uses a pressure switch with hysteresis.  The  disadvantages  of  this  transducer  are  the  limited  width  of  the hysteresis and the use of mechanical switching its could wear out and noisy. To overcome this by replacing the mechanical switch with a triac electric switch and using a microcontroller system to control on / off time the triac and manipulate the characteristics of the pressure switch. The system consists of a triac electric switch which  is  controlled  by  a  microcontroller  system  with  a  phase  angle  firing.  The magnitude  of  the  phase  angle  is  determined  based  on  the  on  /  off  time  of  the pressure switch which is depend on the water discharge from the pump. By setting the phase angle firing, the hysteresis on / off time can be set for different water discharge. The On /Off Control System can be used to manipulate and change the pressure switch characteristics from 0.75s - 12s to 6.2s - 10.1s for water discharge 2 - 11 LPM and average time ton_off = 7.4s over ton_kon = 2.94s, so the water pump system has less noise.
Keywords  : Pressure  switch, hysteresis,  mechanical  switching,  electric  switch, waktu on/off, manipulate, phase angle, lpm.

## 1. PENDAHULUAN
Penggunaan motor induksi untuk pompa air di rumah tangga banyak digunakan. Pada makalah ini akan dibahas tentang sistem kendali on/off motor induksi pompa air 1 phasa dengan daya 125W.  Sistem  pompa  air  terdiri  dari  motor  induksi,  saklar  tekanan  dan  akumulator,  lihat Gambar 1. Saklar tekanan berupa saklar on/off mekanik yang berfungsi sebagai pengatur kerja motor  induksi  berdasarkan  tekanan  air dalam  pompa  dan  penggunaan  debit  air.  Saklar  on pada 1.1 kgf/cm 2 dan off pada 1.8 kgf/cm 2 . Akumulator berupa ruang bertekanan udara yang berfungsi sebagai penstabil tekanan air.
Gambar 1. Bagian motor induksi pompa air (Sumber : Panasonic, 2012).
Umumnya  sistem  pompa  air  konvensinal  tidak  dilengkapi  pengatur  daya  listrik.  Pada pemakaian  debit  air  rendah  dan  tinggi,  daya  yang  digunakan  sama  sehingga  terjadi pemborosan energi. Selain pemborosan energi, saklar mekanik dan motor pompa air on dan off  hampir  bersamaan  sehingga  menimbulkan  suara  yang  cukup  berisik  dan  terjadinya gangguan  listrik  pada  jala-jala  listrik  PLN  karena  arus  transien  on/off  tersebut.  Untuk mengatasi  masalah  suara  berisik  dan  gangguan  listrik,  biasanya  air  yang  akan  dipakai ditampung dulu di atas toren tangki air. Cara ini cukup efektif, debit air bisa diatur dengan mudah, suara berisik dan gangguan listrikpun hilang, tetapi kekurangannya adalah tekanan air  kurang  besar  sehingga  diperlukan  pompa  tambahan  untuk  menaikkan  tekanan  air. Kekurangan lainnnya adalah saklar tekanan menggunakan saklar mekanik dimana kontaknya dapat aus yang disebabkan oleh adanya arc dan glow discharge (Ott, 2009) yang terjadi saat kontak on/off.
Pada makalah ini akan dibahas tentang sistem kendali daya motor pompa air dengan mengatur tegangan  motor  induksi  dengan  pengaturan  sudut  penyalaan  saklar  elektrik  triac  dengan metoda  PWM  ( pulse  width  modulation)  menggunakan  sistem  mikrokontroler.  Sistem mikrokontroler  dan  triac  berfungsi  sebagai  pengganti  saklar  pada  saklar  tekanan  dengan histerisis yang dapat diatur. Pengaturan waktu histerisis berdasarkan pada waktu on/off dari saklar  tekanan.  Dengan  mengatur  waktu  on/off triac  menggunakan  sistem  mikrokontroler, maka daya dan waktu histerisis pompa air dapat diatur dengan lebih mudah.

## 2. PERANCANGAN SISTEM

## 2.1. Metode Perancangan
Sistem bekerja berdasarkan waktu on dan waktu off dari saklar tekanan akibat perubahan tekanan  di  dalam  pompa  air  ketika  air  digunakan.  Untuk  mengembangkan  sistem  kendali pompa  air  berbasis  mikrokontroler  digunakan  komponen  berikut  :  sistem  mikrokontroler, saklar tekanan, zero crossing detector, saklar electrik, key pad dan LCD, lihat Gambar 2.
MIND Journal | ISSN (p): 2528-0015| ISSN (e): 2528-0902
Sistem Mikrokontroler Keypad Electric switch triac Zero crossing detector LCD 4x20 Motor induksi AC Pressure switch

## Gambar 2. Sistem Kendali On/Off Motor Induksi Pompa Air Dengan Histerisis Dapat Diprogram
Pada umumnya sistem pompa air konvensional, menggunakan saklar tekanan yang terdiri dari dua bagian yaitu bagian sensor tekanan air dan bagian actuator on/off berupa saklar mekanik, lihat  Gambar  3.  Pada  sistem  kendali  pompa  air  yang  akan  dikembangkan,  saklar  tekanan dirubah fungsinya menjadi sensor elektro-mekanik berupa sensor tekanan air dan sensor posisi on/off. Fungsi actuator saklar on/off diganti dengan saklar electric berupa triac.

## Gambar 3. Saklar tekanan pompa air
(Sumber : Wapannuri, 2017).
Sensor  posisi on/off  digunakan  untuk  mengetahui  lamanya  waktu  on  dan  waktu  off  motor induksi yang besarnya bergantung  pada  tekanan  pompa  air dan debit  air yang  digunakan. Data on dan off ini digunakan untuk menentukan besarnya sudut penyalaan triac yang akan menentukan  besarnya  daya  (Desai,  2016),  (STMicroelectronics,  2007)  motor  induksi,  lihat Gambar 4.
Gambar 4. Pengaturan daya motor induksi dengan pengaturan sudut penyalaan triac.

## 2.2. Zero Crossing Detector (Gupta, 2013).
Untuk penentuan tegangan 0 V, sebagai sudut awal perhitungan penyalaan triac diambil dari tegangan nol jala-jala listrik pada saat perubahan phasa tegangan dengan menggunakan rangkaian zero crossing detector, lihat Gambar 5. Rangkaian terdiri dari penyearah tegangan AC (D 1 – D 4 ) dan pembagi tegangan R 1 , R 2 dan R 3 untuk mengisi muatan kapasitor C 1 melalui
Tuliskan Nama Penulis sebagai header halaman genap
D 5 . Q 1 berfungsi sebagai komparator tegangan yang hanya akan aktif jika tegangan pada C 1 lebih  besar  dari  tegangan  rata-rata  jala-jala  listrik  yang  telah  disearahkan  dan  diturunkan dengan pembagi tegangan. Besarnya arus yang mengalir pada dioda optocoupler dibatasi oleh R 4 .  Output optocoupler  digunakan  sebagai  sinyal  interupsi  untuk  awal  perhitungan  sudut penyalaan triac.
Gambar 5. Rangkaian pendeteksi tegangan nol (Sumber : Gupta, 2013).
Untuk  pengganti  aktuator  saklar  on/off  digunakan non  zero  cross  SSR  (solid  state  relay) dengan input dioda optocoupler S202T02 lihat Gambar 6.
Gambar 6. Rangkaian non zero cross SSR (solid state relay) dengan S202T02 (Sumber : SHARP, 2004).

## 2.3. Sistem Mikrokontroler
Sistem  mikrokontroler  yang  digunakan  adalah  mikrokontroler  ATmega8535  dari  Atmel dengan fitur arsitektur prosesor RISC, 32 x 8 General Purpose Working Registers dan 8K Bytes of In-Sistem  Self  Programmable  Flash  memory  (Atmel,  2006).  Perangkat  lunak  bekerja berdasarkan data waktu on dan off saklar tekanan yang disampling tiap 2s sekali. Hubungan waktu on dan %daya motor menggunakan persamaan linear yang didapat secara empiris dari hasil pengukuran waktu on dan waktu off untuk %daya dari 5% - 95%. Lebih jauh  dibahas  pada  bagian  pengukuran.  Operasi  I/O  menggunakan  mode  interupsi  dimana rangkaian zero crossing detector akan menghasilkan pulsa dengan siklus kerja 90% setiap 10ms.
Untuk tahap awal sistem mikrokontroler diprogram hanya untuk membangkitan pulsa trigger untuk SSR dengan sudut penyalaan variable dari 5% - 95% (9  - 171  ) untuk menggerakkan pompa air untuk pengukuran waktu on dan off saklar tekanan sebagai fungsi dari debit air. Dari  hasil  pengukuran  ini  diharapkan  didapat  hubungan  antara  waktu  on  dan  off  dengan jumlah pemakain air yang keluar dari pompa air.
MIND Journal | ISSN (p): 2528-0015| ISSN (e): 2528-0902
Secara garis besar diagram alir dari program yang dikembangkan untuk sistem kendali on/off ini dapat dilihat pada Gambar 7.
Mulai Init Sistem Baca flag - Keypad - ZCD - Saklar = 1 Eksekusi T Y Y SRI Simpan Data Set flag RETI
Gambar 7. Diagram alir program yang dikembangkan untuk sistem kendali on/off.

## 3. PENGUKURAN
Alat ukur yang digunakan dalam pengukuran ini :
 Liquid Rotameter dengan batas ukur 2 – 18 LPM.
 Digital Real-Time Oscilloscopes TDS210 dari Tektronix.
 Clamp On Power Hi Tester 3286-20 dari Hioki.

## 3.1. Pengukuran Waktu On dan Off
Tujuan  pengukuran  adalah  untuk  mendapatkan  karakteristik  dari  sistem  pompa  air konvensional dengan saklar tekanan. Ada 2 jenis pengukuran yang dilakukan yaitu pengukuan dengan daya motor penuh dan daya motor dengan sudut penyalaan yang dapat diatur.

## 3.2. Pengukuran Waktu On dan Off Untuk Daya Motor Penuh
Pengukuran  dilakukan  dengan  mengalirkan  air  pada rangkaian  aliran  air  tertutup  yang digerakkan dengan motor induksi pompa air, lihat Gambar 8. Dengan melakukan pengaturan debit air yang keluar dari pompa air kita dapat mengetahui berapa waktu on dan off saklar tekanan. Untuk alat ukur flowmeter digunakan flow meter air jenis Rotameter.
Motor induksi Bak air Flowmeter Sop valve AC Pressure switch
Gambar 8. Skema  pengukuran Waktu On dan Off untuk daya motor penuh.

## Dari hasil pengukuran didapat table berikut :
Tabel  1  Pengukuran  waktu  on  dan  off  saklar  tekanan  dengan  sudut  penyalaan 100%.
No.  t on (S) t off (s) Q (lpm) 1 0.75 7.50 2.0 2 1.25 7.50 2.0 3 1.50 5.00 3.0 4 1.50 3.75 4.0 5 1.50 2.75 5.0 6 1.75 2.25 6.0 7 2.25 2.00 7.0 8 2.38 1.75 8.0 9 3.00 1.50 9.0 10 4.50 1.00 10.0 11 12.00 1.00 11.0
Dari data ton dan toff, hanya data ton yang digunakan. Untuk mengetahui hubungan antara ton  dan  debit  air,  digunakan  aplikasi  Microsoft  Excell.  Dari  pengamatan  Table  1,  diketahui hanya untuk waktu ton dari 0.75s – 4.50s yang bisa didekati dengan persamaan linear.
MIND Journal | ISSN (p): 2528-0015| ISSN (e): 2528-0902
Gambar 9. Kurva linearisasi hubungan waktu ton (s) dan debit air (LPM) daya penuh.

## 3.3. Pengukuran Waktu On dan Off Untuk Daya bervariasi.
Skema  pengukuran  sama    dengan  pengukuran Waktu  On dan  Off Untuk  Daya penuh. Pengukuran  waktu  on  dan  off  dilakukan  dengan  pengaturan  prosentase  daya  motor prosentase  daya  dari  50%  -  95%.  Tabel  2  bersisi  data  pengukuran  ton  dan  toff  untuk prosentase tersebut. Pengukuran di bawah 50% motor berputar seperti kurang daya.
Hubungan ton dan daya didekati dengan persamaan linear didapat persamaan berikut :
𝑦 = 27.74 𝑥 − 37.61
(1)
dimana y = prosentase daya dan x = waktu ton dari saklar tekanan. Persamaan ini digunakan untuk model pengaturan motor.

## Tabel 2 Pengukuran waktu on dan off saklar tekanandengan sudut penyalaan bervariasi.
No.  t on (S)  t off (s)  lpm dc (%)  Daya 1 3.25 1.3 5.50 50 146 2 3.50 1.3 7.00 55 151 3 3.30 1.1 8.50 60 155 4 3.70 1.1 9.25 65 162 5 3.90 1.0 9.75 70 167 6 4.00 0.9 10.00  75 170 7 4.00 0.9 10.25  80 175 8 4.10 0.9 10.75  85 175 9 6.50 0.8 11.00  90 176 10  7.40 0.9 11.00  95 175 100 177
y = 2,4241x + 0,6597 0 2 4 6 8 10 12 14 0 1 2 3
4 5
Gambar 10. Kurva linearisasi hubungan waktu ton (s) dan debit air (LPM) daya bervariasi
Hubungan ton dan daya didekati dengan persamaan linear didapat persamaan berikut :
𝑦 = 27.74 𝑥 − 37.61
(1)
dimana y = prosentase daya dan x = waktu ton dari saklar tekanan. Persamaan ini digunakan untuk model pengaturan motor.

## 3.4. Pengukuran Waktu On dan Off Untuk Sistem Kendali On/Off
Untuk  menguji  ketercapaian  sistem  kendali  on/off  yang  dikembangkan  dilakukan pengukuran  waktu  on  dan  waktu  off  dari  saklar  tekanan  dan  sinyal  kontrol  triac.  Untuk prosedur  pengukuran  berbeda  dengan  pengukuran  sebelumnya  karena  sistem  yang  diukur adalah sistem kendali on/off dengan feed back dari saklar tekanan yang telah dimanipulasi oleh sistem mikrokontroler, lihatcgbr. Dari hasil pengukuran didapat hasil table 3.
Bak air Flowmeter Stop valve AC Sistem Mikrokontroler ZCD Saklar tekanan Saklar electric triac Motor induksi Gambar 11. Skema  pengukuran aktu on dan off sistem kendali on/off. Tabel 3. Pengukuran Waktu On dan Off Untuk Sistem Kendali On/Off No. Saklar tekanan Triac ton toff ton toff LPM 1 6.2 17.4 6.0 17.6 2 2 6.2 13.2 6.4 12.0 3 3 6.6 11.0 6.6 10.6 4 4 6.6 8.8 7.8 8.6
5
y = 27,744x - 37,61 0 10 20 30 40 50 60 70 80 0 1 2 3 4 5
MIND Journal | ISSN (p): 2528-0015| ISSN (e): 2528-0902 | Vol. 3 | No.  2 | Halaman 48-58 DOI :  https://doi.org/10.26760/mindjournal
5 6.0 7.0 7.8 7.0 6 6 7.6 7.2 7.4 7.4 7 7 7.6 6.8 8.0 6.6 8 8 8.2 6.4 8.2 6.4 9 9 9.0 6.0 9.0 6.0 10 10 10.1 6.0 10.8 6.0 11
Gambar 12. Kurva linearisasi hubungan waktu ton (s) dan debit air (LPM) sistem kendali on/off.

## 4. HASIL PENGAMATAN
Dari hasil pengamatan terhadap sistem kendali motor induksi pompa air diketahui bahwa sistem sudah dapat bekerja dengan baik dimana fungsi saklar tekanan sebagai sensor dan actuator sudah  dapat  diganti  dengan  sensor tekanan  on/off dan  sakalar  elektrik triac.  Dari hasil perbandingan table 1 dengan table 3 dan gbr. 9 dengan gbr. 12, dapat diketahui :
 Sistem bekerja pada range waktu on dan off yang berbeda
 Linearitas sistem pompa air dengan sistem kendali on/off lebih baik
 Berdasarkan perhitungan persamaan (2), sistem kendali on/off masih bekerja dengan daya penuh  waktu  on  dan  belum  bekerja  dengan  daya  bervariasi.  Ini  dapat  dilihat  bahwa berdasarkan persamaan (2), daya 95% dapat dicapai pada ton = 4.78s sedangkan dari semua pengukuran ton > 6.0s
 Dengan  waktu  rata-rata  on  sistem  konvensional,  ton_kon  =  2.94s  dan  sistem  kendali on/off,  ton_off  =  7.4s,  maka  sistem  kendali  on/off  suaranya  kurang  berisik  disbanding sistem konvensional.

## Tabel 4 Perbandingan sistem lama (open loop) dengan sistem kendali on/of
Sistem open loop Sistem close loop ton LPM ton LPM 0.75 2 1.25 2 6.2 2 1.50 3 6.2 3 1.50 4 6.6 4 1.50 5 6.6 5
y = 2,0087x - 8,3885 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15
1.75 6 6.0 6 2.25 7 7.6 7 2.38 8 7.6 8 3.0 9 8.2 9 4.5 10 9.0 10 12.0 11 10.1 11

## 5 KESIMPULAN
Sistem  Kendali  On/Off  Motor  Induksi  Pompa  Air  adalah  sistem  berbasis  mikrokontroler ATmega8535  dari  Atmel  yang  memanfaatkan  kemudahan  dalam  pemrogramman fungsionalnya.  Kemudahan  ini  digunakan  untuk  memanipulasi  dan  mengubah  karakteristik saklar tekanan untuk waktu ton 0.75s – 12s menjadi 6.2s – 10.1s untuk debit air 2 – 11 LPM dan dengan cara memanipulasi karakteristik ini karakteristik sistem menjadi lebih linear. Dengan  waktu  rata-rata  on  yang  lebih  besar,  ton_off  =  7.4s  disbanding  ton_kon  =  2.94s, sistem kendali on/off motor induksi pompa air kurang berisik suaranya.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terima kasih kepada Ir. Banang Mulya Permana sebagai seorang konsultan profesional yang telah membantu penulis dalam pengembangan perangkat lunak sistem. Ir. Banang Mulya Permana dapat dikontak di bmpermana@gmail.com

## DAFTAR RUJUKAN
Rujukan Buku:
Ott, Henry W. (2009). Electromagnetic Compatibility Engineering. New Jersey: John Wiley &
Sons, Inc.

## Rujukan Jurnal:
Desai,  Yash  (2016).  AC  Phase  Firing  Circuit  Using  Microcontroller. International  Journal  of
Advance Engineering and Research Development. Volume 3, Issue 3.
Gupta, Ankita et all (2013). An Efficient Approach to Zero Crossing Detection Based On Opto-
Coupler. Int. Journal of Engineering Research and Applications www.ijera.com ISSN :
2248-9622, Vol. 3, Issue 5, pp.834-838.
Rujukan Aplikasi:
MIND Journal | ISSN (p): 2528-0015| ISSN (e): 2528-0902

## STMicroelectronics (2007). Universal motor speed control and light dimmer with TRIAC and
ST7LITE microcontroller. AN2263 Application note
Rujukan Sumber Online :
Atmel (2006). ATmega8535. Retrieved from ww1.microchip.com.
Panasonic (2012). Waterpump Catalogue.Retrieved from www.panasonic.com.
SHARP (2004, Apr. 28). S202T01 Series, Triac output SSR. Retrieved from www.quartz1.com.
Wapannuri(2017). Otomatis pompa air. Retrieved from wapannuri.com.