DIGITAL INFORI\,4ATION & SYSTEM CONFERENCE 2011
PENGARUH MOTOR INDUKSI SEBAGAI BEBAN TAK-LINIER PADA TRANSFORMATOR TIGA FASE Lukman Subekti r)' Ma'un Budiyanto
2)
") program Diploma Teknik Elektro Sekoiah Vokasi UGN,4 JI. Yacaranda Sektp Unit tV Konrptek UGI\,4 yogyakarta SS281 e-maij :
[email protected],
[email protected] ABSTRAK Peralatan listrik yang biasa dipergunakan .konverter, dan pengatur
daram industri seperii moior-rnotor listrik, kecepatan motor elektronis adalah merupakan contoh beban_beban tak llnier. Adanya beban-beban tak-rinrer akan memuncurkan harmonik. Besar dan banyaknya komponen harrnonik akan nTernpengaruhi distorsi harrnonik totar yang rebih drt<enar iengln istilah rotal Harmonic Disiortion (THD). Nirai rHD menunjukkan tecacitan bentuk gerombing tegangan maupun arus yang mengarir, sehingga bentuk gerombangnya menjadi tat-6inusoioar] umumnya transformator (trafo) sebagai pencatu daya bebin memiriki kapasitas daya yang tertera pada papan nama dengan asumsi bahwa bentuk gelombang operasinya adalih sinusoidal murni. Pada penelitian ini dilakukan dengan pengukurin prosentase fHD dari beban berupa motor induksi 3 fase yang tersambung padJ transfoimator berkapasitas 3 KVA.
Hasil ,berubahan .
penelitian menunjukkan bahwa ada perubahan distorsi arus moior akibat dari beban yang bervariasi murai dai 2,28% sampai dengan 2,6s/". Ha) ini ternyata
mempengaruhi efisiensi irafo yang berubah dari 83,84% sampai dengan 68,78%.
Kata kunci : motor induksi, beban tak-linear, Total Harmonic Distortion, efisiensi trafo.
1. Latar Belakang
.. Peralatan listrik yang dominan dipergunakan di industri umurnnya berupa motor_motor listrik.beserta perangkat pengaturannya yang berupa rangkaian kontroi erektronik atau kontrol digital. Peralatan elektronik rebih diminati kJrena pengatirannya yang rrudah, rebih kompak,
rjngan dan fleksibel. Peralatan elekkonik yang disebutkan di atas biasanya memerrukan kontrol ataupun suprai arus searah. Arus searah (dc) umumnya didapatkan dari arus borak-barik cuiinil
larternating yang tersedia di jala-jara sistem tenaga jistrik dengan cara menyearahkan. pinyearahl
penyearah ini umumnya nTemiriki watak tak-rinier, sehingga menyebibkan oentut< g"tomL"ng arus.yang dltarik dari jara-jara sistem menjadi bentuk yang tak sinusoidar murni. Meiurut derei Fourier, bentuk gelombang yang lak-sinusoidar sebeturnya memiriki arus fundamentar dan sejumlah komponen arus harmonik. oreh karena itu peraiatan-peraratan ereklronik yang ada pada konsumen mem riki kontribusi dalam pernbangkitan harmonik. Dengan kata tain o6oan beban elektronik pada konsumen dapat dikatagorikan beban tak-linier. Beban tak linear adarah beban listrik yang menyebabkan hubungan antara arus dan tegangan tidak linear. "menggunakan transformator .. . iud.r umumnya catu daya dalam peralatan listrrk seliu (trafo) sebagai alat untuk mentransformasikan legangan sumber agai supaya sesuai dengan kebutuhan peralatan Demik,an pura laringan dr'stribusi tenaga r"rstrik memanfaatkan tiafo distribusi agar supaya tingkat tegangan saluran jala lala si-istem sesuai dengan tingkat tegangan yang dbutuhkan konsumen tenaga listrik. Kapasitas daya yang tertuliJpada tiafo baik di saluran distribusi maupun daiam unit catu daya asumsinya aoatah biia traio rersebut dioperasikan dengan gelombang sinusoidal murni.
179
DIGITAL INFORI\,4ATION & SYSTE]\,4 CONFERENCE 201
2.
1
Tiniauan Pustaka
Harmonik akan mempengaruhl efisiensi sistem dlstribusi tenaga listrik yang umumnya berawal dari transformator. Adanya tegangan harmonik menajkkan rugl-rugi arus eddy dan hysteresis dan tekanan isolasi pada transformator (Arrillaga,1985).
Standar harrnonik menjadi penting untuk diketahui agar supaya transformator yang digunakan untuk mensuplai beban tak'linear masih dapat bertahan tanpa nrengalami pembebanan lebih. l\.4enurut standard IEEE, THD maksimal untuk tegangan kurang dari 69 kV adalah 5% (lEEE, std.519, 1992). Pengaruh harmonik pada piranti tenaga (misalnya lransformator, motor, kapasitor) adalah timbulnya pemanasan lebih yang dapat memperpendek umur peralatan (Wagner, 1993). Apabila suatu transformator diberi beban tak linear sampai batas maksimurnnya, rnaka boleh jadi transformator tersebut akan mengalami pembebanan lebih (Asy'ari. 2002). Gejala-gejala harmonik yang muncul pada beban tak linear umumnya disebabkan karena terdapatnya motor-motor listrik dan komponen semikonduktor atau elektronlka daya sebaqai rangkaian pengendali motor listrik. Beban tak-linear darj peralatan rurnah tangga yang dominan dan paling banyak mengandung harmonisa terhadap trafo adalah televlsl 14 jnchi 3OO W (lrianto,2008). 3. Landasan Teori Beban listrik dalarn sistern tenaga dapat dibagl menjadi dua kelon,pok, yakni beban llnear
dan beban tak linier. Beban lnear akan menghasilkan arus yang menga ir sebanding dengan impedansi dan perubahan tegangan, sedangkan beban tak linear akan nrenghasilkan bentuk gejombang keluaran yang tidak sebanding dengan tegangan da am setiap separoh siklusnya. Beban tak-l near menyebabkan bentuk gelombang arus maupun tegangan keluaran tidak sama dengan gelombang masukannya, sehingga dikatakan mengalam distorsi. l\,4unculnya distorsl dikarenakan pada gelombang arus maupun tegangan mengandung gelombang yang merniliki
frekuensi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya. Gelombang arus dan tegangan yang menrillki frekuensi kelipatan dari frekuensi fundamentalnya disebut frekuensi harnnonik, selanjutnya disingkat harmonik atau harmonisa. Frekuensi gelombang dalam sistem tenaga listrik di lndonesia dirancang untuk beroperasi pada nilai fundamental 50 Hz. Berbagai macam sebab pada kenyataannya frekuensi yang ada dalam sistem tenaga listrik tidak hanya satu macam nilal. Fenomena rnunculnya lrekuensi lain
seperti 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz dan seterusnya yang merupakan kelipatan dari nlai
lundamental adalah adanya komponen beban tak-linier. Jika frekuensi fundamental dari sistem lenaga listrik lelah diietapkan, rnaka frekuensi lain disebut frekuensi harmonik. Jadi munculnya
frekuensi 100 Hz disebut harmonik kedua, frekuens 150 Hz disebut harmonik ketioa dan seterusnya seperti tertera pada Tabel
1.
a. Pengaruh Harmonik pada Komponen Sistem Penyaluran Tenaga Listrik Transformator merupakan baglan hulu pada sistem penyaluran tenaga listrik ba k sistem transmisi maupun sistem distribusi. Kinerja transformator sangat mernpengaruhi kual tas penyaluran daya pada jaringan listrik yang tersambung padanya. Salah satu dan,pak yang umum terjadi akibat adanya harmonik adalah mengalirnya arus pada saluran netral walaupun bebannya sudah seimbang. Pada keadaan normal, arus beban
setiap fase dari beban linear yang seimbang pada frekuensi dasarnya akan saling mengeliminasi. sehinggaarus netranya menjadi nol. D lain pihak (lihat Tabel 1)adanyabeban
tak-linear akan menimbulkan harmonik kel patan tiga yang disebut triplen harmon k dan sering disebul zero sequence harnonic. abel Harmonik
1
Frekuensi (Hz) Urutan
+
1.
Polaritas darl
n Harmonik
2
3
4
5
6
7
I
I
100
150
200
250
300
350
400
450
0
+
0
+
180
0
DIGITAL INFORI\,4ATION & SYSTE]V CONFERENCE 2011
Pada kenyataannya komponen harmonik dapat menghasilkan arus netral yang lebih Ha ini dapat terjadi dikarenakan arus netral merupakan hasil penjumlahan vektor dari setiap fasenya. Akibal yang diUrnbulkan oleh arus urutan nol dari
tlnggi dari arus fasenya.
komponen harmonlk antara iain adalah tingginya arus netral pada sistem 3 fase 4 kawat, yakni pada sisi sekunder transformator. Hal ini dapat dipahami karena arus urutan nol (zero sequence) kawat netral adalah tiga kali arus urutan nol d tlap fasenya. Arus tersebut untuk transformator dengan hubungan belitan delta (A) akan terus bersirkulasi di da am kumparan A lersebut. abel 2
Polaritas Kom
Harmo nik
Penqaruh pada Saluran dan Beban
lJrulan
Adanya panas tambahan Adanya panas tambahan Timbulnya torsi parasitis pada motor induksi Nol Adanya panas tambahan AdanVa arus pada kawat netral I Sen, P.c- 1989, (Astlan, 2o0a Positif
Negatil
')
Adanya harnronik pada transformator sering tanpa disadari, sehingga kerugian-kerugian tambahan yang tlmbul dapat mengurangi kinerjanya. Hal ini dapat terjadi karena munculnya rugl-rugi daya tambahan yang dapat mengurangl kapasitas transformator tersebut. Rugi-rugl daya tambahan dapal berupa arus eddy dalam inli besi dan resistans tambahan pada lilitan sisi
primer maupun sekunder. Kedua jenis rugi daya lambahan akan rnuncul berupa panas tambahan (lihat Tabel 2) yang akhirnya terjadi penurunan kemarnpuan daya transformator.
b.Gelombang Tak-Sinusoidal Ketidakmurnian bentuk gelombang sinusoidal dapat dihitung dengan faktor disiorsi DF (Distotlion Facto4 dengan menggunakan rumus (l). DF =
(1)
Presenlase Total Harmonic Distortion (THD) dari bentuk gelombang arus sinusoidal tidak murnj adaiah perbandingan semua ni ai arus efektif frekuensi bukan fundamenlal terhadap ni ai
arus frekuensi fundamental (Hart, 1997). Rumus
(2)
berikut adalah dengan anggapan tidak
ada komponen arus searah.
rHD= /4 r; Arus harmonik total adalah
:
t,,:,l>.t,' Yt
(3 ).
=:
dengan:
k = 2,3,4,5, /1
(
: nilai : nilai
...
efektif gelombang fundamental efektjf gelombang harmonik ke-k.
pada penelitian
in, ria)
11,
12.13
, /k diperoleh dari hasil pengukuran.
Sumbangan masing masing komponen harmonik terhadap distorsi tegangan disebut lndividual Harmonic Distortion (lHD), seperti dinyatakan pada rumus (4).
lflP - !-ty1ggcz Il
'181
DIGITAL INFOR]\IATION & SYSTEI\,4 CONFERENCE 201
c.
1
Pengaruh Beban Tak-Linier pada Translormator Tiga Fase
Transformator alau sering disingkat trafo banyak dipergunakan dalam sistern tenaga listrik maupun untuk rangkaian elektronik Dalam sistem tenaga listrk, trafo dipergunakan
untuk rnemindahkan dayt dari satu rangkaian ke rangkaian listrik berikulnya tanpa merubah frekuensi.
c.1 Rangkalan ekivalen trafo salah satu fasenya dilihat dari sisi primer Perlcandingan transformasi dari sebuah transformator, biasanya dinyatakan dengan tetapan a. Apabila rangkaian sekunder dlllhat darl sisi rangkaian primer, nilainya perlu dikalikan dengan 1 berikut
faktor
cr
sehingga rangkaiannya menjadi seperti ditunjukkan oleh gambar
:
R, I
X, I
r-' i ct ie
IJ
Il
a'L''
I L
I
Gambar 1. Rangkaian ekiva en salah satu fasenya dilihai dari sjsi primer
c.2 Hubungan Bintang bintang
Ketiga buah kurnparan fasenya dapat dihubungkan deltadeta, delta-bintang maupun bintang bintang. Pada penelitian inl trafo dlhubungkan biniang bintang seperti gambar 2. Sa ah satu c;ra unluk mengurangi distorsi adalah dengan menghubungkan titik netral primer pada netral sumber ke bumi. Cara lainnya adalah dengan menyediakan kumparan tersier yang dihubunqkan delta.
te
Garnbar 2. Hubungan B ntang-Bintang pada Trafo 3 Fase
d. Rugi Daya Seandajnya efek kulit pada kurnparan prlmer iransformator diabaikan, rugi tembaga total liljtan primer transformator perfase dengan suplal tak sinusoidal dapat dihitung dengan rumus (s)
n rrt-
rrl r\o,t)
rl'
dengan TiR,mewakiii rugj fundamental dan liRr adalah tambahan rugl karena harmonik Sedangkan rugl ternbaga total lilltan sekunder transformator peTfase dihtung dengan rumus (6).
P'
+
Z/ rR ''/
t-l
(6)
R.
Bagian perlama dari rumus (6) merupakan rug karena arus harmonik, sedang bagian kedua adalah rugi lilitan sekunder transformator karena arus tundamental
142
DIGITAL INFORI\,IATION & SYSTEIV CONFERENCE 20'11
e. Efisiensi
Efisiensi (?) atau daya guna dari transformator dinyatakan dengan rumus (7) atau (8)
sebagai perbandingan daya keluaran pada sisi sekunder terhadap daya masukan pada sisi primer.
q= !:!!t! xfio.k
P'-' ' = P-",,+ Pr^r x
n
. (7J.
(8).
roo "k
dengan Po,b = (3y3 (slx213n P,np = daya masukan Pdl"" = rugi daya total
4. Cara Penelitian Langkah yang dilakukan dalam penelitian ini secara sederhana dapat diiunjukkan oleh diagram alir pada Gambar 3.
( mutai ) i dan arus taklinier
lr.""il,','p,r.*l
t
c.D Gambar 3. Diagram alir langkah penelitian
5. Hasil Penelitian
Dengan memvariasikan beban mekanik motor yang seimbang, maka motor induksi 3 fase juga akan menarik arus tak-linier yang seimbang ke sumbernya, yakni trafo 3 fase. Hasil pengukuran dan perhitungan efisiensi seperti yang ditampilkan pada Gambar 4, Gambar 5, dan Gambar 6.
183
DIGITAL INFORIVATION & SYSTEIV CONFERENCE 201
1
Efisiensi vs Athd dg Beban Motor lnduksi 90
a5 ao
75 70 'F
b 'd
E
65 60 55 50 45 40
2.5 2.4 Athd (7")
Gambar 4. Efisiensi Trafo sebagai Fungsi dari THD Arus Beban (AIhd)
Gambar 4, memperlihatkan bahwa kurva efisiensi trafo yang berbeban motor induksi memiliki korelasi negaiif terhadap distorsi harmonik total arus (4166). Kenaikan distorsi harmonik total pada arus be-ban (Ar,a) dari 2,28y" sampai dengan 2,65% mengakibatkan efisiensi menurun dari aS.B% sampii dengan 68.8% pada transformator tlga fase. Hal ini disebabkan karena semakin tinggi distorsinya semakin tingginya rugi-rugi tambahan pada trafo Distorsi harm;;ik total dari arus (A$d) adalah merupakan penjumlahan komponen harmonik dan tidak termasuk arus fundamentalnya, maka kenaikan distorsi tidak selalu seiring
dengan kenaikan arus bebannya. Hal ini dituniukkan pada Gambar 5 yang menginformasikan
bahira kenaikan arus beban da(i 0.42 A sampai dengan 0.4539 A justru dapat menekan
distorsi harmonik total arus (A11) dari 2.65y" sampai dengan 2,28 /". Jadl komponen harmonik sangat unik, jika arus fundame;tdnya naik belum tentu diikuti oleh kenaikan distorsi harmonik totalnya.
Arus Beban vs Alhd dg Beban Motor lnduksi 2.7
265 2.6 2.55 <0.
e)
T
{
2-5 2.45 2.4 2.35 2.3
2.25 a
41
O.42
o.44
o.43
o45
Arus Beban (AmP) Gambar 5. THD Arus lvlotor sebagai Fungsi dari Arus Beban Trafo
1A4
DIGITAL INFORI\4ATION & SYSTEI\,1 CONFERENCE 2011
Arus Netral vs Alhd dg Beban Motor 3 Fase 0.025 o.o2
g 'j!
t
0.01 5 0.01
a
a
0.00s 0
Athd ("d Gambar 6. Hubungan Arus Netral Trafo dengan THD Arus l\,4otor sebagai Beban Pada Gan]bar 6 terlihat bahwa arus netral tidak selalu berkorelasi positif terhadap distorsi harmonik total arus (Ahd) dari beban tak-linier, karena kenaikan Arhd masing masing fase boleh jadi saling mengelimlnasi. 6. Kesimpulan
1. 2. 3.
Kenaikan distorsi (THD) arus beban dari 2,28y" sampai dengan 2,65% untuk beban seimbang tak-linier dari motor induksi 3 fase, mengakibatkin penurunan efisiensi transformator dari 83.8% sampai denqan 68.8% Kenaikan arus beban tidak identik dengan kenaikan THD arus beban. kenaikan arus beban tak linier yang berupa motor induksi dari 0,42 A sampai dengan 0,45 A justru akan menurunkan distorsi arus dal 2,65 % sampai denqan 2,2g "/".
Kenalkan dlstorsi (THD) arus tiap fase pada transformator 3 fase tidak seraru diikuti dengan kenaikan arus netralnya
Daltar Pustaka l1l
Asy'ari. H., 2002, Pengaruh Harmonik pada Transformator Djstribusi
dan
Penanganannya, Jurnal Teknik Etektrc EMlTOR,vol.2., hal. B1 84. [2] Arrilaga, J., 1985, Power System Harmonics, I 10 1 i 6, John Wlley & Son, Singapore. t3l Harl, D. W., 1997, lntroduction To powq Electronics. 1 ed, i8,43, prentice_Hall lnternational, London. l4l lrianto, C., G., dkk. 2008. L4engurangi Harmonisa pada Transformator 3 Fase, JEIrl, vol 7, Februari, hal.53 68.
l5l IEEE. Std 519, IEEE Recommended practice and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems, iEEE /nc, New york. Ny 1 OO17,tgg2, pp, 85. l6l !9! P C 1989, Ptinciples of Electric Machines and power Electronics,2 ed,287 295, John Wiiey & Sons, New York.
t7)
Wagner, VE., Balda, J.C., Barnes, T.M., Ernanuel. A.E., Ferraro, R.J., Griffith, D.C., Hartman, D.P., Horton, W.F., Jewell, W.T., l\,4c. Eachern A., phi leggi, D.J.. Reid,
W.E.. 1993, Effects of Harmonics on Equipment, IEEE Transacions on power Delivery, Vol.8, Apri ,. 672-680, New york.
185
