ANALISIS KINERJA MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA KONDISI TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG LEBIH
LAPORAN TUGAS AKHIR
Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Pendidikan Program Diploma 3
PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI MEKANIK
Oleh HEYSHA FERONIKA SIREGAR NIM : 1105052066
JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014
KATA PENGANTAR Puji dan sukur kepada Tuhan Yang Maha Esa atas berkatdan rahmat-Nya yang selalu menyertai penulis sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini. Laporan yang berjudul ANALISA KINERJA MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA KONDISI TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG LEBIH ini, merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan program pendidikan Diploma III, Program Studi Teknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin, Politeknik Negeri Medan. Dalam pembuatan laporan tugas akhir ini, penulis telah mendapatkan arahan dan bimbingan dari berbagai pihak, baik itu berupa material,infomasi maupun dari segi administrasi. Untuk itu, sudah selayaknya penulis mengucapkan terima kasih kepada : 1. M. Syahruddin, S.T., M.T., Direktur Politeknik Negeri Medan; 2. IdhamKamil,S.T., M.T., Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan; 3. Ir.
Abdul
Razak,
M.T.,Kepala
Program
Studi
Teknik
Konversi
EnergiMekanikPoliteknik Negeri Medan; 4. Ir.Roket Angkasa,M.T.,selaku dosen pembimbingyang telah meluangkan waktu dan tenaga untuk membantu penulis menyelesaikan laporan tugas akhir ini; 5. Seluruh staf pengajarTeknik Konversi Energi Mekanik, Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. Terima kasih atas semua motivasi dan bimbingan yang telah penulis dapatkan selama perkuliahan; 6. Kedua orang tuapenulis yang tercintapapa dan mama yang telah memberikan dukungan material maupun spiritual kepada penulis; 7. Saudara, Adik-adik, penulis yang tercinta. Terima kasih atas semangat dan cinta yang terus-menurus kalian beri.
v
8. Orang yang selalu memberikan dukungan yang konstruktif ketika penulis mendapatkan masalah Bobby Kristian Simarmata, Muhammad fauzi, Maulia Sari, Janter Ridho Pakpahan, Benni Hendri Sitompul, Triosfina Purba, Hermanto Sinaga, Gabe Rama Persada Damanik, Fernando Manalu dan Lolo Franniko Boang Manalu. 9. Seluruh
rekan mahasiswa Teknik Konversi Energi Mekanik khususnya
angkatan tahun 2011 kelas EN-6A, EN-6B, EN-6C, EN-6D Penulis telah berusaha semaksimal mungkin dalammenyelesaikan laporan ini, namun penulis menyadari bahwa laporan ini tidak luput dari kekurangan. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun, demi kesempurnaan laporan ini dimasa yang akan datang. Akhir kata, penulismengharapkan agar Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pembaca pada umumnya dan bagi penulis khususnya.
Medan,
Agustus 2014
Penulis,
Heysha Feronika S NIM : 1105052066
vi
DAFTAR ISI
SPESIFIKASI TUGAS AKHIR .................................................................... ii LEMBAR PERSETUJUAN ........................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN ............................................................................ iv
KATA PENGANTAR .....................................................................................
v
DAFTAR ISI.................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ....................................................................................... ix DAFTAR TABEL ...........................................................................................
x
INTISARI ........................................................................................................ xi ABSTRACT ..................................................................................................... xii
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Masalah ................................................................
1
1.2. Permasalahan .................................................................................
2
1.3. Penyelesaian Masalah ....................................................................
2
1.4. Batasan Masalah ............................................................................ 3 1.5. Metode Penulisan ........................................................................... 3 1.6. Sistematika Penulisan ....................................................................
3
BAB 2 MOTOR INDUKSI 2.1. Umum ............................................................................................
5
2.2. Konstruksi ...................................................................................... 5 2.3. Konsep Medan Putar ......................................................................
7
2.4. Perputaran Rotor ............................................................................ 10 2.5. Slip, Frekuensi dan Tegangan Terinduksi ..................................... 11 2.6. Rangkaian Ekivalen ....................................................................... 12 2.7. Diagram Aliran Daya ..................................................................... 15 2.8. Torka .............................................................................................. 16 2.9. Efisiensi.......................................................................................... 19 vii
BAB 3 OPERASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG 3.1. Umum ............................................................................................ 21 3.2. Ukuran Ketidak Seimbangan Tegangan ........................................ 21 3.3. Komponen Simetri ......................................................................... 24 3.4. Rangkaian Ekivalen pada Tegangan Tidak Seimbang................... 25 3.5. Analisis Performansi pada Tegangan Tidak Seimbang ................. 26 3.5.1 Arus Rotor ............................................................................ 27 3.5.2 Torka .................................................................................... 28 3.5.3 Rugi-rugi .............................................................................. 30 3.5.4 Efisiensi ................................................................................ 31 3.6. Penggunaan Metode Thevenin ....................................................... 33 BAB 4 SIMULASI KETIDAK SEIMBANGAN TEGANGAN 4.1. Umum ............................................................................................ 37 4.2. Diagram Alir Simulasi ................................................................... 37 4.3. Data-Data Motor ............................................................................ 38 4.4. Menentukan Harga VUF ................................................................ 39 4.5. Analisis Kinerja Motor .................................................................. 40 4.5.1 Kecepatan ............................................................................. 44 4.5.2 Rugi-Rugi ............................................................................. 44 4.5.3 Efisiensi dan Daya ................................................................ 46 4.5.4 Arus ...................................................................................... 49 4.5.5 Torka .................................................................................... 50 BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1. Kesimpulan .................................................................................... 51 5.2. Saran .............................................................................................. 51 DAFTAR PUSTAKA DAFTAR ISTILAH DAFTAR SIMBOL LAMPIRAN
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1. Contoh Motor Induksi Tiga Fasa ..............................................
6
Gambar 2.2. Konsep Medan Putar ................................................................
7
Gambar 2.3. Aturan Perputaran Sekrup.........................................................
7
Gambar 2.4. Medan Putar ..............................................................................
8
Gambar 2.5. Resultan Medan Magnet Belitan Stator .................................... 10 Gambar 2.6. Perputaran Rotor ....................................................................... 11 Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen/Fasa Kondisi Rotor Terbuka ................... 13 Gambar 2.8. Rangkaian Ekivalen/Fasa Rotor Berputar ................................ 14 Gambar 2.9. Rangkaian Ekivalen/Fasa dengan Besaran Rotor Diacu Ke Stator ................................... 14 Gambar 2.10. Diagram Aliran Daya Motor Induksi....................................... 16 Gambar 2.11. Karakteristik Torka-Putaran atau Torka-Slip .......................... 17 Gambar 3.1. Komponen Simetri ................................................................... 25 Gambar 3.5. Rangkaian ekivalen Urutan Motor Induksi per Fasa ............... 26 Gambar 4.1. Data Motor ............................................................................... 36 Gambar 4.2. Kurva Rugi-Rugi Total Fungsi VUF ....................................... 46 Gambar 4.3. Kurva efisiensi pada berbagai harga VUF ............................... 47 Gambar 4.4. CUF Stator dan Rotor Untuk berbagai harga VUF ................. 50
ix
DAFTAR TABEL
Tabel
4.1. Data-Data Motor ....................................................................... 37
Tabel
4.2. Nilai Tegangan Motor 1-Motor 4 Berdasarkan Tingkatan VUF (%).................................................................. 40
Tabel
4.3. Kecepatan Operasi dan Slip Pada Berbagai Harga VUF .......... 44
Tabel
4.4. Rugi-Rugi Tembaga pada Berbagai Harga VUF untuk Motor 1............................................................................ 45
Tabel
4.5. Rugi-Rugi Tembaga pada Berbagai Harga VUF untuk Motor 2 ............................................................................ 46
Tabel
4.6. Efisiensi Pada Berbagai harga VUF ........................................... 46
Tabel
4.7. Hubungan Daya Motor Pada Berbagai VUF............................. 47
Tabel
4.8. Hubungan Daya Dalam Celah Udara Pada Berbagai Harga VUF ........................................................ 48
Tabel
4.9. Arus-Arus Stator Dan Rotor ...................................................... 49
Tabel
4.10. Torka Keluaran Motor .............................................................. 50
x
INTISARI Kinerja motor induksi tiga fasa yang dicatu dengan tegangan tidak seimbang akan dibahas dan dianalisis dalam tulisan ini. Persamaan dan parameterparameter kinerja motor yang meliputi torka, arus, rugi-rugi, dan efisiensi dijabarkan pertama kali untuk kondisi tegangan seimbang. Kemudian dilakukan perubahan yang sesuai dari persamaan untuk kondisi tegangan tidak seimbang lebih (OVU). Metode yang dipakai dalam penyelesaian masalah yang dipaparkan adalah melalui simulasi dengan perangkat lunak MATLAB. Dimana akan dilakukan analisis untuk melihat dampak tegangan tidak seimbang pada motor-motor 3 HP 50 Hz. Dari hasil simulasi, dapat dilihat bahwa ketidak seimbangan tegangan masuk menyebabkan pertambahan rugi-rugi dan pengurangan efisiensi, terutama . pada VUF = 5%. Pada harga VUF ini, ada pertambahan rugi-rugi sebesar 7,16% dan penurunan efisiensi sebesar 0,63%. Kata Kunci, Motor induksi, tegangan tidak seimbang, MATLAB
xi
ABSTRACT The perfomance motor induction with 3 phase will share with strains not balance will share and analyize in this paper. The equally and parameters performance motor include torka, current, lose out, and eficiency will explain for the first time for condition strains balance. And then will do it challenge agree from egually for condition strains no more balance. The methods who using in finishing problem who explainning is simulated with soft ware MATLAB. Where will do analyize to see the effect strains not balance on the motors 3 HP 50 HZ. For result simulated, can see it not balance strains entire the effect more lose out and lose efficiency. The main on VUF : 5% on the charge VUF it is. Any more lose out us big as 7.16% and downing sfficiency as big as 0.63%. The password : Induction motors not balance strains, MATLAB.
xii
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Masalah Motor induksi merupakan motor listrik yang paling luas digunakan dalam penerapan industri, komersil, dan rumah tangga. Oleh karena konstruksi yang sederhana dan kokoh, pemeliharaan yang tidak rumit, dan karakteristik operasi yang andal, motor induksi, khususnya tiga fasa, sangat populer dalam dunia industri. Perkiraan kasar, hampir 80% motor yang digunakan dalam industri adalah motor induksi tiga fasa.[1] Motor induksi tiga fasa dirancang dan dibuat dengan ketiga belitan seimbang dengan pedoman jumlah lilitan, penempatan belitan, induktansi belitan, dan tahanan belitan untuk operasi dengan tegangan masuk seimbang. Namun tidak bisa dihindari fenomena (gejala peristiwa) tegangan tidak seimbang yang diamati ada dalam sistem tiga fasa. Ketidak seimbangan tegangan dapat berasal dari ketidak seimbangan struktural dan beban tidak seimbang. Ketidak seimbangan struktural mempunyai arti bahwa elemen-elemen dalam sistem tenaga (saluran tiga fasa, transformator tiga fasa) tidak seimbang. Beban tidak seimbang akan menarik arus-arus tidak seimbang. Arus-arus tidak seimbang akan menimbulkan rugi-rugi tegangan yang tidak seimbang dalam saluran yang pada akhirnya akan menimbulkan tegangan tidak seimbang. Ketidak seimbangan tegangan merupakan penyimpangan dari harga nominal. Dalam sistem tiga fasa, ketidak seimbangan tegangan dapat terjadi bila besar tegangan fasa atau tegangan fasa-fasa dan besar sudut fasa berbeda dari kondisi seimbang. Ketidak seimbangan dapat terjadi pada satu fasa, dua fasa, atau ketiga fasa. Ketidak seimbangan tegangan bisa di atas harga nominal (tegangan lebih tidak seimbang, OVU) atau di bawah harga nominal (tegangan kurang tidak seimbang, UVU). Untuk penyimpangan dalam besar tegangan, besar penyimpangan tegangan dinyatakan dalam faktor ketidak seimbangan tegangan (VUF) yang biasa dinyatakan dalam persen (%). Metode yang umum digunakan dalam menghitung
1
besar VUF adalah menggunakan metode IEC. Dalam tugas akhir ini yang dimaksud dengan tegangan tidak seimbang adalah tegangan lebih tidak seimbang (Over Voltage Unbalance, OVU). 1.2. Permasalahan Motor induksi didesain bekerja dengan tegangan masuk seimbang sinusoidal. Tegangan seimbang sinusoidal akan menghasilkan medan magnet berputar stator. Medan magnet berputar stator akan menginduksikan tegangan dalam rangkaian rotor yang terhubung singkat. Tegangan yang terinduksi dalam rangkaian rotor akan menimbulkan arus rotor. Arus rotor akan menghasilkan medan magnet rotor. Interaksi medan magnet stator dan rotor akan menghasilkan torka yang menyebabkan motor berputar. Bila motor dicatu dengan tegangan tidak seimbang, akan terbentuk komponen tegangan urutan positif dan negatif yang seimbang. Kedua komponen tegangan akan menghasilkan medan magnet berputar dalam celah udara. Tetapi medan putar yang dihasilkan komponen tegangan urutan negatif akan berlawanan arah dengan yang dihasilkan komponen tegangan urutan positif. Komponen tegangan urutan negatif akan menghasilkan torka negatif yang mencoba memutar motor dalam arah berlawanan. Komponen urutan negatif tidak dapat menyalurkan energi ke beban mekanik motor. Energi dari komponen urutan negatif akan didisipasikan sebagai rugi-rugi. Akibatnya, torka motor akan berkurang dan rugi-rugi akan naik. Efisiensi motor juga akan turun. Yang menjadi permasalahan adalah berapa besar ketidak seimbangan tegangan mempengaruhi besar torka motor, arus rotor, rugirugi, dan efisiensi motor. 1.3. Penyelesaian Masalah Objektif dari tulisan ini adalah menganalisis pengaruh ketidak seimbangan tegangan lebih yang masuk ke motor terhadap kinerja motor. Untuk menyelesaikan permasalahan ini akan dicari persamaan matematik yang dapat memprediksi pengaruh ketidak seimbang tegangan. Dimulai dari menentukan rangkaian ekivalen urutan positif dan urutan negatif dari motor. Kemudian dikembangkan persamaan-persamaan matematik yang menghubungkan tegangan masuk dengan kinerja motor yang meliputi torka,
2
arus rotor, rugi-rugi, dan efisiensi motor. Kemudian dilakukan studi simulasi menggunakan perangkat lunak MATLAB. 1.4. Batasan Masalah Untuk memperjelas ruang lingkup pembahasan dalam penulisan ini diambil beberapa batasan masalah, antara lain : 1. Motor dianggap dalam kondisi tidak jenuh. 2. Pembahasan dilakukan dalam kondisi mantap (steady state). 3. Motor diasumsikan tiga fasa tiga kawat. Dengan asumsi ini, komponen urutan nol tidak timbul. 1.5. Metode Penulisan Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain. 2. Studi simulasi dengan menggunakan software MATLAB. 3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing maupun dengan teman-teman sesama mahasiswa.
1.6. Sistematika Penulisan BAB 1 PENDAHULUAN Bab ini berisikan tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penulisan, manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika penulisan. BAB 2 MOTOR INDUKSI TIGA FASA Bab ini berisikan penjelasan tentang motor induksi tiga fasa secara umum, konstruksi, konsep medan putar, perputaran rotor, slip, frekuensi, rangkaian ekivalen, diagram aliran daya, torka serta efisiensi.
3
BAB 3 OPERASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG Bab ini membahas tentang ukuran ketidak seimbangan tegangan, komponen simetri, rangkaian ekivalen keadaan tidak seimbang, serta analisis performansi motor dalam keadaan tegangan tidak seimbang. BAB 4 SIMULASI KETIDAK SEIMBANGAN TEGANGAN Bab ini berisi tentang hasil analisis dan simulasi dari ketidak seimbangan tegangan terhadap operasi motor induksi tiga fasa dengan menggunakan software MATLAB. BAB 5 PENUTUP Bab ini berisi tentang kesimpulan dari hasil percobaan dan saran dari tugas akhir kepada pembaca untuk perbaikan di masa yang akan datang.
4
