ANALISIS PERBANDINGAN TORSI START DAN ARUS START,DENGAN MENGGUNAKAN METODE PENGASUTAN AUTOTRAFO, STAR DELTA DAN DOL (DIRECT ON LINE) PADA MOTOR INDUKSI 3 FASA (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU) Jupiter Arnold Purba, Panusur S.M.L Tobing Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Pada beberapa metode pengasutan motor induksi 3 fasa kebanyakan menghasilkan besaran arus start dan torsi start yg sangat besar dan nilai yang sangat besar tersebut harus dihindari dengan menggunakan beberapa metode pengasutan yang bisa menghasilkan arus start dan torsi start yang kecil. Besaran arus start dan torsi start pada motor dapat dibandingkan satu per satu dengan menggunakan beberapa jenis metode pengasutan seperti autotrafo, star delta dan DOL (Direct On Line). Perbandingan besaran tersebut akan menghasilkan suatu karakteristik dengan tujuan untuk mengetahui cara dan waktu pengasutan motor yang paling bagus.. Dipercobaan ini pengasutan Direct On Line (DOL) menghasilkan arus start sebesar 6,7 A dan torsi start sebesar 3,19 Nm. Untuk pengasutan Star – Delta menghasilkan arus start sebesar 4,3 A dan torsi start sebesar 1,1 Nm. Pengasutan Autotrafo terdapat tiga pilihan persentase tegangan untuk melakukan pengasutan yaitu 60%, 70% dan 80 % dimana pada persentase tegangan 60% menghasilkan arus start sebesar 4,46 A dan torsi start sebesar 1,5 Nm, di. Pada persentase tegangan 70% menghasilkan arus start sebesar 4,57 A dan torsi start sebesar 2 Nm d. Pada persentase tegangan 80% menghasilkan arus start sebesar 4,77 A dan torsi start sebesar 2,25 Nm. Kata Kunci: Motor Induksi, DOL, Star – Delta, Autotrafo
1. Pendahuluan Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik yang paling banyak diaplikasikan dalam dunia industri. Hal ini dikarenakan motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana serta membutuhkan perawatan yang tidak banyak. Selain itu motor juga memberikan efisiensi yang baik dan putaran yang konstan untuk tiap perubahan beban [1]. Motor – motor pada dasarnya diterapkan sebagai sumber beban untutk menjalankan alat – alat tertentu atau membantu manusia dalam melakukan tugasnya sehari – hari. Dalam menjalankan motor ini biasanya orang kurang memperhatikan Torsi (daya yang dihasilkan motor), kecepatan, dan arus starter dari motor. Hal ini tidak aneh karena untuk motor – motor yang kecil seperti motor induksi 1 phasa 0,25 HP dan 0,5 HP, besaran diatas tidak terlalu menonjol dan biasanya kecil sekali, khususnya dalam arus starter yang kecil. Tetapi apabila
menggunakan motor induksi 3 phasa maka besaran diatas akan sangat berpengaruh, terutama karena arus start yang sangat besar yang bisa mencapai 5 – 6 kali dari arus nominal motor [2].
2. Motor Induksi Tiga Phasa Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik (ac) yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran medan pada stator terdapat selisih putaran yang disebut slip [3]. Motor induksi, merupakan motor yang memiliki konstruksi yang baik, harganya lebih murah dan mudah dalam pengaturan kecepatannya, stabil ketika berbeban dan mempunyai efisiensi tinggi. Mesin induksi adalah mesin ac yang paling banyak digunakan dalam industri dengan skala besar maupun kecil, dan dalam rumah tangga. Alasannya adalah bahwa karakteristiknya hampir sesusai dengan
copyright DTE FT USU 2014
1
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO. 1/Januari 2014
kebutuhan dunia industri, pada umumnya dalam kaitannya dengan harga, kesempurnaan, pemeliharaan, dan kestabilan kecepatan. Mesin induksi (asinkron) ini pada umumnya hanya memiliki satu suplai tenaga yang mengeksitasi belitan stator. Belitan rotornya tidak terhubung langsung dengan sumber tenaga listrik, melainkan belitan ini dieksitasi oleh induksi dari perubahan medan magnetik yang disebabkan oleh arus pada belitan stator [1]. Hampir semua motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga fasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi ada juga kelemahannya.
(a) (b) Gambar 1. Konstruksi Motor Induksi 3 Phasa (a) rotor (b) stator [1]
a. Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik . Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron. Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator. Medan putar tersebut juga akan memotong konduktorkonduktor belitan rotor yang diam. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s). Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktor-konduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz)
pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini sesuai dengan hukum gaya lorentz yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik [3]. Prinsip kerja motor induksi tiga fasa dapat diurutkan sebagai beikut [3]: 1. Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120 f/P 2. Medan stator tersebut akan mmemotong batang konduktor pada motor 3. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi 4. Karena batang konduktor merupakan rangkaian yang tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I) 5. Adanya arus (I) didalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor 6. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel pada beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator 7. GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan stator. GGL induksi timbul, karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan medan putar rotor (nr).
b. Torsi Start dan Arus Start Pada saat pengasutan, ketika motor dalam keadaan diam, besar slip adalah satu, dan daya mekanis bernilai nol, maka persamaannya adalah [4] : (1) Pada motor induksi tiga phasa rotor belitan torsi awal perlu diperbesar apabila torsi beban lebih besar dari torsi awal,maka untuk menggerakkan beban maka torsi awal perlu diperbesar.Torsi awal (torsi start) besarnya dapat diatur (diubah) besarnya dengan menggunakan tahanan variabel dari luar (R luar) yang dihubungkan secara seri ke kumparan rotor melalui sikat ( pada motor induksi tiga fasa rotor belitan) [4]. (2) Didalam pengoperasiannya motor akan mengalami keadaan pengasutan yaitu keadaan awal motor dari keadaan mula yang diam (stop), lalu mulai bergerak (on), kemudiaan mencapai
copyright DTE FT USU 2014
2
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO. 1/Januari 2014
keadaan yang normal (steady state). Dari keadaan mula yang diam sampai dengan keadaan normal, motor membutuhkan waktu nominal untuk melakukannya. [4] Arus mula dapat dirumuskan sebagai berikut [4]. (3)
3. Metode – Metode Pengasutan Motor Induksi Tiga Phasa. Ada beberapa jenis metode pengasutan motor induksi tiga phasa [1], antara lain : a. Autotrafo starter
Gambar 2. Diagram starter dengan autotrafo starting Pada prinsipnya starting dengan autotrafo hampir sama dengan Star Delta Starter yaitu dengan mengurangi arus dan torsi saat start dan mengurangi tegangan mesin yang digerakkan. Metode pengasutan ini ialah dengan cara memasang autotrafo yang ditempatkan pada rangkaian primer (stator). Starting ini digunakan untuk menjalankan motor induksi tiga phasa dengan menghubungkan pada tap tegangan skunder autotrafo terendah. Setelah beberapa saat motor dipercepat tap autotrafo diputuskan dari rangkaian dan motor terhubung langsung pada tegangan penuh, berarti arus yang diambil motor pun pada saat start kecil, kopel motor lebih kecil dibandingkan bila motor dihubungkan langsung ke jala – jala.
Gambar 3. Diagram daya star – delta starting
Gambar 4. Rangkaian kontrol star – delta starting pada pengasutan star – delta tegangan pada statornya yaitu : Vstator = Vphasa= (4) c. Direct On Line Starter Pengasutan Direct On Line atau yang dikenal dengan istilah pengasutan hubungan langsung. Gambar rangkaian daya dan gambar rangkaian kontrolnya dapat dilihat pada Gambar 5 dan Gambar 6.
b. Star – Delta Starter Start dengan metode star – delta ini memanfaatkan penurunan tegangan yang dicatu ke motor saat stator motor terhubung dalam rangkaian bintang (star). Pada waktu start, yakni pada saat stator berada pada rangkaian bintang, arus motor hanya mengambil sepertiga dari arus motor seandainya motor di start dengan metode DOL. Berhubung torsi motor berbanding lurus dengan kuadratis dari tegangan, maka dengan demikian torsi motor pada rangkaian bintang juga hanya sepertiga dari torsi pada rangkaian delta.
Gambar 5. Rangkaian daya Direct On Line starting
copyright DTE FT USU 2014
3
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO. 1/Januari 2014
4.1. Analisa Arus Start dan Torsi Start Pada Pengasutan Autotrafo Data hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Data hasil percobaan pengasutan menggunakan autotransformator
Gambar 6. Rangkaian kontrol Direct On Line starting Pada pengasutan mula Direct On Line, motor induksi akan menarik arus yang besarnya sampai 6 kali arus nominalnya. Secara berangsur – angsur ketika kecepatan motor mendekati nominalnya maka arus akan berada pada kondisi nominalnya. Karakteristik arus fungsi pengaturan putaran pada pengasutan DOL
Analisa perhitungan : Untuk tap tegangan 60% : Untuk menghitung torsi start :
dapat dilihat pada Gambar 7 [2]. Untuk menghitung arus start :
Gambar 7. Karakteristik arus fungsi putaran pada pengasutan DOL
4. Analisa dan Perhitungan Untuk dapat melakukan analisa perbandingan torsi start dan arus start menggunakan metode pengasutan autotrafo, star delta dan Direct On Line (DOL) pada motor induksi 3 fasa, maka perlu melakukan beberapa percobaan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT USU untuk mendapatkan data – data yang akan dianalisis tersebut. Percobaan tersebut meliputi pengasutan terhadap metode – metode pangasutan yang digunakan seperti pengasutan autotrafo, star delta dan Direct On Line (DOL), hasil dari pengasutan ini menghasilkan data – data yang diperlukan untuk menganalisa perbandingan torsi start dan arus start dari masing – masing metode tersebut. Analisa dan Pembahasan Torsi Start dan Arus Start Pada Pengasutan Autorafo.
Untuk tap tegangan 70% dan 80% digunakan rumus seperti diatas untuk mendapatkan arus stat maupun torsi startnya, dimana untuk tap tegangan 70% menghasilkan arus start sebesar 8,03 A dan torsi start sebesar 4,382 Nm dan untuk tap tegangan 80% menghasilkan aus start sebesar 9,17 A dan torsi start sebesar 5,72 Nm. 4.2. Analisa dan Pembahasan Torsi Start dan Arus Start Pada Pengasutan Star – Delta. Data hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data hasil percobaan pengasutan menggunakan autotransformator
copyright DTE FT USU 2014
4
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO. 1/Januari 2014
Analisa perhitungan : Untuk menghitung torsi start pada Star - Delta :
4.4. Perbandingan Arus Start dan Torsi Start Untuk Pengasutan Autotrafo, Star – Delta dan Direct On Line Perbandingan arus start dan torsi start antara pengasutan autotrafo, star – delta dan direct on line dapat dilihat pada gambar 10 dan gambar 11
Untuk menghitung arus start pada Star – Delta :
4.3. Analisa dan Pembahasan Torsi Start dan Arus Start Pada Pengasutan Direct On Line. Data hasil percobaan dapat dilihat pada Tabel 3.
Gambar 10. Grafik Perbandingan Arus Start vs Tegangan pada Pengasutan DOL, Star Delta dan Autotrafo
Tabel 3. Data hasil percobaan pengasutan menggunakan autotransformator
Analisa perhitungan : Untuk menghitung torsi start pada DOL :
Untuk menghitung arus start pada DOL adalah :
Gambar 11.Grafik Perbandingan Torsi Start vs Tegangan pada Pengasutan DOL, Star Delta dan Autotrafo Pembahasan : Analisa perbandingan Torsi start dan Arus start pada pengasutan Direct On Line, Star Delta dan Autotrafo yaitu: Direct On Line merupakan sistem pengasutan secara langsung. Jadi tegangan yang masuk adalah tegangan yang benar – benar 100% dari sumber yaitu PLN, sehingga torsi
copyright DTE FT USU 2014
5
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 6 NO. 1/Januari 2014
start maupun arus start yang dihasilkan lebih besar perbedaannya dibandingkan dengan kedua pengasutan lainnya. Hal ini dapat dilihat pada hasil percobaan diatas. Pada pengasutan Star Delta tegangan stator itu dipengaruhi oleh rangkaian kontrol yang berfungsi untuk merubah posisi hubungan motor dari bentuk star ke delta dimana metode pengasutan ini memanfaatkan penurunan tegangan yang di catu ke motor saat stator terhubung dalam rangkaian bintang. Jadi hasil dari arus start dan torsi start yang dihasilkan lebih kecil dari pengasutan DOL. Pada pengasutan autotrafo terdapat presentase / tap tegangan yang mempengaruhi besar dari tegangan stator. Sehingga tegangan sumbernya itu tidak sepenuhnya masuk karena presentase tegangan tersebut sehingga lonjakan arus start dan torsi start dari pengasutan ini tidak besar seperti DOL ataupun Star Delta.
6. Daftar Pustaka [1] Wijaya, Mochtar,”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta , 2001. [2] Siswoyo, ”Teknik Listrik Industri”, Jilid Kedua, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Jakarta, 2008. [3] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Edisi ke-5, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995. [4] Chapman, Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals”,Third Edition, McGraw Hill Companies, New York, 1999.
5. Kesimpulan Berdasarkan hasil analisa dan percobaan yang telah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan : 1. Semakin besar tegangan sumber yang diberikan maka arus start dan torsi start akan semakin besar. 2. Dari ketiga pengasutan diatas maka pengasutan Direct On Line yang menghasilkan arus start dan torsi start yang paling besar dan metode pengasutan ini harus dihindari, karena bila terus menggunakan pengasutan tersebut maka motor akan cepat rusak. 3. Tegangan sumber yang masuk ke Autotrafo dapat diatur, sehingga arus start dan torsi start yang akan dihasilkan dapat di kurangi besarannya. 4. Pengasutan dengan metode Autotrafo menghasilkan arus start dan torsi start sebesar : untuk persentase tegangan 60% : Istart = 4,46 A dan Tstart = 1,5 Nm; presentase tegangan 70% : Istart = 4,57 A dan Tstart = 2 Nm; presentase tegangan 80% : Istart = 4,77 A dan Tstart = 2,25 Nm. Untuk metode pengasutan Star Delta menghasilkan Istart sebesar 4,3 A dan Tstart sebesar 1,1 Nm serta metode pengasutan DOL menghasilkan Istart sebesar 6,7 A dan Tstart sebesar 3,19 Nm
copyright DTE FT USU 2014
6
