STUDI STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA ROTOR SANGKAR DENGAN AUTOTRANSFORMATOR (Aplikasi Pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) PTPN IV Kebun Adolina) O L E H
Muallim Ritonga NIM: 030402047 Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2009 Muallim Ritonga : Studi Starting Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Dengan Autotransformator (Aplikasi Pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) PTPN IV Kebun Adolina), 2009.
Abstrak
Motor induksi tiga fasa merupakan motor arus bolak-balik yang paling banyak digunakan di perindustrian karena memiliki beberapa keuntungan antara lain motor ini sederhana, murah dan mudah pemeliharaannya. Selain itu motor induksi mempunyai efisiensi yang baik dan putaran konstan untuk setiap perubahan beban. Starting motor induksi tiga fasa tidak memiliki permasalahan yang cukup besar seperti pada motor sinkron. Pada dasarnya motor induksi daya kecil dapat distart langsung hanya dengan menghubungkan dengan sumber tegangan.
Namun
untuk motor induksi yang besar hal ini tidak dapat dilakukan, hal ini terjadi karena arus start yang relatif besar yaitu 5 sampai 7 kali arus nominal. Salah satu cara untuk mengurangi arus start yang besar pada motor induksi adalah dengan menggunakan autotransformator pada saat start. Dengan demikian arus start dapat dikurangi menjadi 1,7 sampai 4 kali arus nominal.
ii
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, segala puji dan syukur kepada Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini, dengan judul “Studi Starting Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Dengan Autotransformator (Aplikasi Pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) PTPN IV Kebun Adolina)”. Adapun Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik di Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara. Tugas Akhir ini penulis persembahkan kepada yang teristimewa yaitu kedua orangtuaku tercinta, Ayahku Amalan Ritonga (Alm) dan Ibuku Mawan Rambe yang tidak terhitung cinta dan kasih sayangnya, yang telah menghadirkan penulis ke dunia ini, mendidik, membimbing, mendukung dan selalu mendoakan penulis semenjak lahir hingga sekarang, serta adik-adikku yang merupakan bagian hidup penulis yang selalu menjadi tempat berbagi suka dan duka bersama. Selama masa kuliah sampai penyelesaian Tugas Akhir ini penulis banyak menerima bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dengan setulus hati penulis menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak H.M. Dahlan Siregar, SE dan Ibu Hj. Rosdiana Yasin selaku wali penulis yang begitu sabar mendidik penulis dari kecil hingga selesainya tugas akhir ini. 2. Bapak Ir.Mustafrind Lubis selaku dosen pembimbing Tugas Akhir penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan pikirannya memberikan bimbingan dan pengarahan kepada penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
iii
3. Bapak Prof.DR.Ir. Usman Baafai dan Bapak Rahmat Fauzi,ST. MT selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT USU. 4. Bapak Ir Pernantin Tarigan MSc selaku Dosen Wali penulis yang senantiasa memberikan bimbingan selama perkuliahan. 5. Seluruh Staf Pengajar dan Pegawai di Departemen Teknik Elektro FT USU. 6. A. Jamil Jufni dan Rizlul Khairi yang telah banyak membatu penulis dalam menyelesaikan , Bayu, Tiatul, Widi, Gusti, Subhan, Brian, Aan, Igo, Handika, Fahmi, Ardi, Wita, Nora, Adit, Pian, Emil, Enno dan lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. 7. Kawan-kawan yang selalu bertanya kapan tamat, Kak Asep ( Sukma Permana), Andi, Pian, Marijo, Heni Juliana, Suci, Ahmad, Adji serta kawan-kawan tekim lainnya. Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna dan masih banyak kekurangan. Namun penulis berharap semoga Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Medan, November 2009 Penulis, Muallim Ritonga
iv
DAFTAR ISI ABSTRAK...............................................................................................................( ii) KATA PENGANTAR............................................................................................( iii) DAFTAR ISI ..........................................................................................................( v) DAFTAR GAMBAR.............................................................................................( vii) DAFTAR TABEL...................................................................................................( ix) BAB I
PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang......................................................................................1
1.2
Tujuan dan mamfaat Penulisan.............................................................2
1.3
Batasan Masalah...................................................................................2
1.4
Metode Penulisan..................................................................................2
1.5
Sistematika Penulisan...........................................................................3
BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA 2.1
Umum...................................................................................................5
2.2
Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa....................................................5
2.3
Jenis Motor Induksi Tiga Fasa..............................................................7 2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai.....................................7 2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan.......................................8
2.4
Medan Putar .......................................................................................10 2.4.1 Analisa Medan Putar Secara vektor........................................10 2.4.2 Analisa Medan Putar Secara Perhitungan...............................13
2.5
Slip .....................................................................................................15
2.6
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa...............................................16
v
2.7
Frekuensi Rotor ..................................................................................21
2.8
Rangkaian Ekivalen............................................................................22
2.9
Aliran Daya Pada Motor Induksi........................................................28
2.10 Efisiensi...............................................................................................31 2.11 Torsi Motor Induksi Tiga Fasa...........................................................33 2.10 Kelas Motor Induksi Tiga Fasa...........................................................36 BAB III
METODE STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA 3.1
Pendahuluan........................................................................................39
3.2
Starting langsung (direct on-line starting).........................................41
3.3
Starting Dengan Tahanan Rotor.........................................................42
3.4
Starting Why-Delta.............................................................................43
3.5
Starting Dengan Penambahan Tahanan Stator....................................45
3.6
Starting Dengan Autotransformer.......................................................47
3.6.1 Pendahuluan.........................................................................................47 3.6.2 Autotransformator................................................................................48 3.6.3 Anlisa Rangkaian Starting Dengan Autotransformator......................49 3.6.3.1 Close-circuit Transition....................................................................49 3.6.3.2 Close-circuit Transition...................................................................50 3.6.4 Arus Dan Torsi Starting motor induksi..............................................52 BAB IV
STUDI STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN
AUTOTRANSFORMATOR DI PABRIK KELAPA SAWIT (PKS) PTPN IV KEBUN ADOLINA 4.1
Pendahuluan........................................................................................54
vi
4.2
Peralatan Starting Di Pabrik Kelapa Sawit Kebun Adolina...............55 4.2.1 Autotransformator......................................................................56 4.2.2.
Magnetic Contactor………………........................................57
4.2.3. Time Delay Relay (Timer)…………………………………..60 4.2.4. Thermal Overload Relay…………………………………….60 4.3 Rangkaian Starting.................................................................................60 4.4
Proses Starting Dengan Autotransformator Pada Pabrik Kelapa Sawit
Kebun Adolina..............................................................................................61 4.5
Analisa Starting Dengan Autotransformator……………………….62
BAB IV KESIMPULAN 5.1
Kesimpulan………............................................................................65
5.2
Saran .........………...............................................................……….65
DAFTAR PUSTAKA
vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Gambar konstruksi motor induksi…………………….……..………….6 Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti, (b)Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator.......................................................................7 Gambar 2.3 Rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar.........................................................................................................................8 Gambar 2.4 Skematik diagram motor induksi rotor belitan…..………….………….9 Gambar 2.5 (a) Rotor Belitan, (b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan………………………………………………………………………….9 Gambar 2.6 Vektor Medan Magnet pada Stator………………...…………………11 Gambar 2.7 (a) Vektor Medan Magnet Pada Stator Saat ωt = (b) Vektor Medan Magnet Pada Stator Saat ωt = ………………………..…………………………….13 Gambar 2.8 Penampang rotor dan stator yang memperlihatkan medan magnet dalam celah udara………………………...………………………………………..……….17 Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen pada Stator ………………..…………………….23 Gambar 2.10a Rangkaian ekivalen pada sisi rotor dalam keadaan berputar .……..25 Gambar 2.10(b) Rangkaian ekivalen pada sisi rotor saat akan berputar………...…26 Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi setelah berputar ……….…..…...26 Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen perphasa motor induksi yang delihat dari sisi stator…………………………………………………………………………………27 Gambar 2.13 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stato...27
viii
Gambar 2.14
Rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator dengan
mengabaikan ………………………..……………………………………………...28 Gambar 2.15 Aliran Daya Motor Induksi …………………………………………..30 Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan mengabaikan ...……..…33 Gambar 2.17 Rangkaian Thevenin…………………………….…………………...33 Gambar 2.18 Rangkaian Thevenin motor induksi …………………………………34 Gambar 2.19 Kurva karakteristik torsi – kecepatan pada mesin asinkron ( daerah motor dengan daerah generator )…………………………………............................35 Gambar 2.20 Kurva Karakteristik kelas Motor Induksi.………………….…………36 Gambar 3.1 Starting langsung……………………..…………………………….......41 Gambar 3.2 Starting dengan tahanan rotor…………………………….…...……….43 Gambar 3.3 Starting why-delta……………………………..……..………………...44 Gambar 3.4 Starting dengan penambahan tahanan stator…..…………………….....46 Gambar 3.5 Belitan Autotranformator………..…………………..……………........47 Gambar 3.6 Rangkaian starting close-transition…...……………..…………………49 Gambar 41 Peralatan starting dengan autotransformator ………..………………….56 Gambar 4.2 Belitan Autotranformator.............…………………..………………….57 Gambar 4.3 Wiring diagram Magnetic Contactor.....…………..………………… 59 Gambar 4.4 Wiring diagram Thermal Overload Relay.…… .…………………..….60 Gambar 4.5 Rangkaian starting dengan autotransformator.............………………...61
ix
DAFTAR TABEL Tabel 3.1 Tabel NEMA, kVA/hp untuk setiap code letter.……………………..…. 40 Tabel 4.1 Spesifikasi magnetic contactor ..……………….………………………...59
x
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Motor induksi tiga fasa merupakan jenis motor yang paling banyak digunakan pada perindustrian. Hal ini dikarenakan motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang kuat, sederhana , serta mudah pemeliharaannya. Selain itu motor induksi mempunyai efisiensi yang baik dan putaran konstan untuk setiap perubahan beban. Secara umum motor induksi tiga fasa dapat distartkan baik secara langsung ke rangkaian ataupun dengan mengenakan tegangan yang telah dikurangi ke motor selama periode starting. Motor yang distart pada tegangan penuh akan menghasilkan kopel start yang lebih besar sehingga arusnyapun besar dibanding jika motor distart pada tegangan yang dikurangi. Tegangan yang dikurangi yang diberikan pada motor selama periode starting akan mengurangi arus starting, dan pada saat yang sama menambah waktu percepatan karena kopel start yang berkurang. Di lapangan ada beberapa metode starting motor induksi tiga fasa, salah satunya adalah starting dengan menggunakan autotransfomator. Oleh karena itu penulis melakukan studi starting motor induksi tiga fasa dengan autotransformator di Pabrik Kelapa Sawit (PKS) PTPN IV Kebun Adolina.
1
1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan
Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk mengetahui tentang cara menstarting motor induksi tiga fasa dengan autotransformator. Manfaat penelitian ini adalah memberikan masukan kepada mahasiswa tentang penerapan starting motor induksi tiga fasa dengan autotransformator pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Kebun Adolina.
1.3 Batasan Masalah Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut : 1. Tidak membahas masalah pengereman. 2. Tidak membahas masalah pembebanan. 3. Autotransformator hanya dibahas secara umum. 4. Tidak membahas pengaturan kecepatan motor induksi.
1.4 Metode Penulisan
Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya : 1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh
2
penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain. 2. Studi lapangan yaitu dengan melakukan pengamatan di Pabrik Kelapa Sawit PTPN IV Kebun Adolina.
1.5 Sistematika Penulisan
Tugas akhir ini disusun berdasarkan sistematika penulisan sebagai berikut.
BAB I. PENDAHULUAN Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.
BAB II. MOTOR INDUKSI TIGA FASA Bab ini menjelaskan tentang motor induksi tiga fasa secara umum, konstruksi, prinsip keja, jenis – jenis motor induksi tiga fasa, rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga fasa, dan prinsip kerja autotransformator.
BAB III. METODE STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA Bab ini membahas mengenai berbagai macam metode menstart motor induksi tiga fasa secara umum.
3
BAB IV. STUDI STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN AUTOTRANSFORMATOR DI PABRIK KELAPA SAWIT
(PKS)
PTPN IV KEBUN ADOLINA Bab ini membahas hasil pengamatan mengenai starting motor induksi tiga fasa dengan autotransformator aplikasi pada Pabrik Kelapa Sawit PTPN IV Kebun Adolina.
BAB V. KESIMPULAN Bab ini berisi kesimpulan dan saran yang di peroleh dari hasil pengamatan.
4
BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA
2.1 Umum Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik 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. Motor induksi merupakan motor yang memiliki konstruksi yang baik, harganya lebih murah dan mudah dalam pengaturan kecepatannya. Disamping itu motor induksi juga memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki kelemahan dalam pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC hal ini tidak tidak dijumpai.
2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah motor ac yang paling banyak dipergunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada gambar 2.1.
5
Rotor
Stator
Gambar 2.1 Gambar konstruksi motor induksi
Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus phasa. Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa dimana untuk motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.2.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.
6
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti, (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator.
2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu: 1. motor induksi tiga fasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor). 2. motor induksi tiga fasa rotor belitan ( wound-rotor motor ).
2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai ( Squirrel-cage Motor) Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta
( Δ ) ataupun bintang ( Υ ). Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah
coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor
7
yang lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar. Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3. Cincin Aluminium
Batang Poros
Kipas Batang Poros
Laminasi Inti Besi Aluminium
(a)
Kipas
(b)
Gambar 2.3 rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar
2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ( wound-rotor motor ) Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik motor induksi rotor belitan dapat dilihat pada gambar-2.4.
8
Sumber tegangan
Belitan Stator
Belitan Rotor
Slip Ring
Tahanan Luar
Gambar 2.4 Skematik diagram motor induksi rotor belitan
Dari Gambar 2.4 dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor. Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang berfunsi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor.
(a)
(b)
Gambar 2.5 (a) Rotor Belitan, (b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan
9
Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga fasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar 2.5.
2.4 Medan Putar Ada beberapa metode yang dapat dilakukan untuk menganalisa medan putar. Pada kesempatan ini akan dibahas analisa medan putar secara vektor dan secara perhitungan. 2.4.1 Analisa Medan Putar secara Vektor Perputaran motor pada mesin arus bolak – balik ditimbulkan oleh adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang dihasilkan dalam kumparan stator. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, pada umumnya tiga fasa. Hubungan belitan pada stator dapat berupa hubungan Y atau Δ. untuk mempermudah memahami medan putar , maka dapat dilihat gambar
2.6
berikut yang menggambarkan keadaan pada kumparan yang dialiri oleh arus dari sumber tiga fasa. Misalkan arus yang mengalir pada ketiga kumparan tersebut sebesar: iaa ' (t ) = I M sin ωt
(Ampere)…………………………….(2.1.a)
ibb ' (t ) = I M sin(ωt − 120°)
(Ampere)……………………...…….(2.1.b)
icc ' (t ) = I M sin(ωt − 240°)
(Ampere)…………………………….(2.1.c)
10
Arus yang ada pada kumparan aa ' mengalir dari a dan keluar menuju ke a ' . Karena arus yang mengalir pada kumparan aa ' ini, maka dihasilkan kerapatan medan magnet ( H ) pada kumparan aa ' sebesar: H aa ' (t ) = H M sin ωt∠0°
(Amp turns/m)………………………(2.2.a)
a y
c'
H bb' Baa ' H ' Bbb' aa b
Bcc'
b' x
c
H cc'
a'
Gambar -2.6 Vektor Medan Magnet pada Stator
Dan kerapatan medan magnet pada kumparan bb ' dan cc ' sebesar: H bb ' (t ) = H M sin(ωt − 120°)∠120°
Amp.turns/m…………….(2.2.b)
H cc ' (t ) = H M sin(ωt − 240°)∠240°
Amp.turns/m……………..(2.2.c)
Telah diketahui bahwa kerapatan fluks ( B ) dapat dihitung dari intensitas medan magnet ( H ), yaitu: B = µH Tesla (T)………………………………................................(2.3) Maka didapat kerapatan fluks pada masing – masing kumparan, yaitu: Baa ' (t ) = BM sin ωt∠0°
Tesla……………………………2.4.a)
Bbb ' (t ) = BM sin(ωt − 120°)∠120° Tesla…………………………...(2.4.b)
11
Bcc ' (t ) = BM sin(ωt − 240°)∠240° Tesla…………………………..(2.4.c)
Pada persamaan 2.4.a, 2.4.b, dan 2.4.c diatas , dimana BM = µH M . Kerapatan fluks dapat dihitung resultannya dengan menentukan nilai dari waktu (t), sehingga resultan kerapatan fluks ada nilainya, misalnya pada saat ωt = 0, maka kerapatan fluks pada masing – masing kumparan stator sebesar: Baa ' = 0 Bbb ' = BM sin( −120°)∠120° Bcc ' = BM sin( −240)∠240°
Resultan kerapatan fluks pada stator sebesar: Bnet = Baa ' + Bbb ' + Bcc '
= 0 + (−
3 3 BM )∠120° + ( BM )∠240° 2 2
= 1,5 BM ∠ − 90° Tesla Jika ωt = 90° , maka: Baa ' = BM ∠0°
Bbb ' = −0,5 BM ∠120° Bcc ' = −0,5 BM ∠240° Bnet = Baa ' + Bbb ' + Bcc '
Bnet = BM ∠0° + (−0,5 BM )∠120° + (−0,5 BM )∠240° = 1,5 BM ∠0° Tesla
12
a
a y
c'
c' b
'
y
Bcc'
b'
Bnet Bcc'
Bbb'
b
x
c
Bbb'
b
x
c
Bnet a'
a'
(a)
(b)
Gambar -2.7 (a) Vektor Medan Magnet Pada Stator Saat ωt = 0° (b) Vektor Medan Magnet Pada Stator Saat ωt = 90°
Dari perhitungan saat ωt = 0 dan saat ωt = 90° dihasilkan resultan medan magnet yang sama besr amlitudonya, hanya berbeda sudutnya. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.7a dan gambar 2.7b, terlihat jelas bahwa medan magnet yang dihasilkan ini berputar tergantung terhadap waktu ( t ).
2.4.2 Analisa Medan Putar Secara Perhitungan Pada analisa medan putar secara vektoris, diketahui bahwa pada harga waktu (t) berapapun nilainya maka didapat magnitudo dari resultan medan magnet sebesar 1,5 BM . Dan ini akan terus konstan dan berputar dengan kecepatan sudut ω . Dari gambar 2.6 sebelumnya diperlihatkan sistem koordinat , dimana garis horizontal positif disimbolkan dengan x dan garis vertikal keatas disimbolkan dengan y. a x disimbolkan sebagai vektor satuan dari garis horizontal dan a y sebagai vektor satuan dari garis vertikal. Untuk mendapatkan persamaan umum dari resultan fluks
13
magnetik ( Bnet ) maka dijumlahkan kerapatan fluks magnetik yang dihasilkan pada masing – masing kumparan stator secara vektoris. Resultan fluks magnet pada stator dinyatakan dengan persamaan: B net (t ) = B aa ' (t ) + B bb ' (t ) + B cc ' (t )
( Tesla )
= BM sin ωt∠0° + BM sin(ωt − 120°)∠120° + BM sin(ωt − 240°)∠240° = BM sin ωt (cos 0 + j sin 0) + BM sin(ωt − 120)(cos120 + j sin 120) +
BM sin(ωt − 240)(cos 240 + j sin 240) = BM sin ωt (1) + BM sin(ωt − 120)(−0,5 + j
BM sin(ωt − 240)(−0,5 − j
3 )+ 2
3 ) 2
Dengan menganggap komponen ril berada pada sumbu x dan komponen khayal pada sumbu y, maka Persamaan sebelumnya dapat dinyatakan dalam komponen a x dan ay.
3 BM sin(ωt − 120°) a y B net (t ) = BM sin ωt a x − [0,5 BM sin(ωt − 120°) ] a x + 2 3 BM sin(ωt − 240°) a y − [0,5 BM sin(ωt − 240°)]a x − 2
( Tesla )
Komponen – komponen vektor x dan y dapat disatukan menjadi sebagai berikut.: B net = [BM sin ωt − 0,5 BM sin(ωt − 120°) − 0,5 BM sin(ωt − 240°)]a x
3 3 + BM sin(ωt − 120°) − BM sin(ωt − 240°) a y 2 2
14
Karena sin(ωt − 120°) = −0,5 sin ωt −
3 cos ωt 2
sin(ωt − 240°) = −0,5 sin ωt +
3 cos ωt 2
Maka didapat
3 3 B net = BM sin ωt − 0,5 BM (−0,5 sin ωt − cos ωt ) − 0,5 BM (−0,5 sin ωt + cos ωt a x 2 2 3 3 3 3 + BM (−0,5 sin ωt − BM (−0,5 sin ωt + cos ωt ) − cos ωt ) a y 2 2 2 2
1 3 1 3 B net = BM sin ωt + BM sin ωt + BM cos ωt + BM sin ωt − BM cos ωt a x 4 4 4 4 3 3 3 3 + − BM sin ωt − BM cos ωt + BM sin ωt − BM cos ωt a y 4 4 4 4 B net = (1,5 BM sin ωt )a x − (1,5 BM cos ωt )a y
( Tesla )……………….( 2.5 )
Dari persamaan (2.5) sebelumnya, jika dimasukkan nilai ωt = 0° maka dihasilkan fluks medan magnet sebesar 1,5 BM ∠90° dan jika ωt = 90° didapat fluks medan magnet sebesar 1,5 BM ∠0° . Hasil perhitungan ini menyatakan bahwa fluks medan magnet yang dihasilkan pada kumparan stator motor induksi tiga fasa berputar terhadap waktu ( t ).
2.5 Slip
Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya hal ini terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar. Maka tidak akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang mengalir pada
15
rotor, dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan rotor sekalipun tanpa beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron agar adanya tegangan induksi pada rotor, dan akan menghasilkan arus di rotor, arus induksi ini akan berinteraksi dengan fluks listrik sehingga menghasilkan kopel. Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari kecepatan sinkron. Slip (s) =
ns − nr × 100% ...……………………………………………….(2.6) ns
dimana: nr = kecepatan rotor persamaan (2.6) di atas memberikan imformasi yaitu: 1. saat s = 1 dimana nr = 0, ini berati rotor masih dalam keadaan diam atau akan berputar. 2. s = 0 menyatakan bahwa n s = nr , ini berarti rotor berputar sampai kecepatan sinkron. Hal ini dapat terjadi jika ada arus dc yang diinjeksikan ke belitan rotor, atau rotor digerakkan secara mekanik. 3. 0 < s < 1, ini berarti kecepatan rotor diantara keadaan diam dengan kecepatan sinkron. Kecepatan rotor dalam keadaan inilah dikatakan kecepatan tidak sinkron. 2.6 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik. Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan phenomena alami magnetik, medan listrik, gaya mekanis dan gerak.
16
Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga fasa, maka pada belitan stator akan mengalir arus tiga fasa, arus ini menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron ( n s ). Medan magnet ini akan memotong belitan rotor, sehingga pada belitan rotor akan diinduksikan tegangan yang sama seperti tegangan yang diinduksikan dalam lilitan sekunder transformator oleh fluksi yang dihasilkan arus pada belitan primer. Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung atau tahanan luar. Tegangan induksi pada rotor akan menghasilkan arus yang mengalir pada belitan rotor. Arus yang mengalir pada belitan rotor berada dalam medan magnet yang dihasilkan stator, sehingga pada belitan rotor akan dihasilkan gaya (F). Gaya (F) ini akan menghasilkan torsi ( τ ), jika torsi yang dihasilkan lebih besar dari torsi beban, maka rotor akan berputar dengan kecepatan nr yang searah dengan medan putar stator.
Gerakan medan magnet
Stator
XX
Rotor X X X XX
Gambar 2.8 Penampang rotor dan stator yang memperlihatkan medan magnet dalam celah udara
17
Gambar 2.8 menggambarkan penampang stator dan rotor motor induksi, dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam. Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan gambar 2.8, penggunaan aturan tangan kanan fleming bahwa arah arus induksi dalam konduktor rotor menuju pembaca. Pada kondisi seperti itu, dengan konduktor yang mengalirkan arus berada dalam medan magnet seperti yang ditunjukkan, gaya pada konduktor mengarah ke atas karena medan magnet di bawah konduktor lebih kuat dari pada medan di atasnya. Agar sederhana, hanya satu konduktor rotor yang diperlihatkan. Tetapi, konduktor – konduktor rotor yang berdekatan lainnya dalam medan stator juga mengalirkan arus dalam arah seperti pada konduktor yang ditunjukkan, dan juga mempunyai suatu gaya ke arah atas yang dikerahkan pada mereka. Pada setengah siklus berikutnya, arah medan stator akan dibalik, tetapi arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya pada rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor rotor di bawah kutup – kutup medan stator lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutarkan rotor searah jarum jam. Jika kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang menahan, motor akan melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang sama dengan perputaran medan magnet stator.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat dijabarkan dalam langkah – langkah berikut: 1. Ketika tegangan tiga phasa yang seimbang diberikan pada belitan stator, maka belitan stator akan menghasilkan arus yang mengalir pada tiap – tiap phasanya.
18
2. Arus pada setiap phasa stator akan menghasilkan fluksi yang berubah terhadap waktu. 3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan pada phasa stator berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan. 4. Penjumlahan dari ketiga fluksi pada belitan stator disebut medan putar yang berputar dengan kecepatan sinkron (ns), besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan
ns =
120 × f p
( rpm )
5. Akibat fluksi yang berputar tersebut maka timbul tegangan induksi pada belitan stator yang besarnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: e1 = − N 1
dΦ dt
( Volt )
atau E1 = 4,44 fN 1Φ max
( Volt )
6. Fluksi yang berputar tersebut juga memotong belitan rotor. Akibatnya pada belitan rotor akan dihasilkan tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
e2 = − N 2
dΦ dt
E 2 = 4,44 fN 2 Φ max
( Volt ) ( Volt )
dimana : E2
= Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)
N2
= Jumlah lilitan kumparan rotor
Фmax = Fluksi maksimum(Wb)
19
7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka tegangan induksi tersebut akan menghasilkan arus I2. 8. Arus I2 ini berada pada medan magnet yang dihasilkan oleh stator, sehingga pada belitan rotor akan dihasilkan gaya ( F ). 9. Gaya (F) ini akan akan menghasilkan torsi ( τ ), jika torsi yang dihasilkan ini lebih besar dari torsi beban, maka rotor akan berputar dengan kecepatan nr yang searah dengan medan putar stator. 10. Ada Perbedaan kecepatan medan putar pada stator (ns) dengan kecepatan putaran rotor ( nr ), perbedaan ini disebut slip (s) yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut. s=
ns − n r × 100% ns
11. Setelah rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang diinduksikan pada belitan rotor akan dipengaruhi atau
tergantung terhadap slip (s). Tegangan
induksi pada rotor dalam keadaan ini dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: E 2s = 4,44 sfN 2 Φ max
( Volt )
E 2 s = sE 2
( Volt )
dimana E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt) f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar)
20
12. Akibat adanya slip (s), maka nilai frekuensi pada rotor ( f 2 ) dan reaktansi rotor ( x 2 ' ) akan dipengaruhi oleh slip, yang dapat dinyatakan dengan s f dan s x 2 ' . 13. Jika kecepatan putaran rotor ( nr ) sama dengan kecepatan medan putar stator ( n s ), maka slip bernilai nol, tidak ada fluks yang memotong belitan rotor sehingga pada belitan rotor tidak diinduksikan tegangan, maka tidak ada arus yang mengalir pada belitan rotor, sehingga rotor tidak berputar, karena tidak ada gaya yang terjadi pada rotor.
2.7 Frekuensi Rotor Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f ' yaitu: ns − nr =
120 f 120 f ' , diketahui bahwa n s = p P
Dengan membagikan dengan salah satu, maka didapatkan
f ' ns − nr = =s f ns Maka f ' = sf ( Hz )
…………………………...……………….(2.7)
Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor f ' =
sf dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing phasa di belitan rotor, akan memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan
21
menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif terhadap putaran rotor sebesar sn s . Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnetudo yang konstan dan kecepatan medan putar n s yang konstan. Kedua Hal ini merupakan medan magnetik yang
berputar secara sinkron. Kenyataannya tidak seperti ini
karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya.
2.8 Rangkaian Ekivalen
Untuk menetukan rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga fasa, pertama – tama perhatikan keadaan pada stator. Gelombang fluks pada celah udara yang berputar serempak membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang seimbang di dalam fasa – fasa stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi stator, sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan: V1 = E1 + I 1 ( R1 + jX 1 )
Volt ………...…………..………….(2.8)
Di mana: V1 = tegangan terminal stator (Volt) E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan(Volt) I 1 = arus stator (Ampere)
R1 = resistansi efektif stator (Ohm) X 1 = reaktansi bocor stator (Ohm)
22
Arus pada stator terbagi menjadi dua bagian, yaitu I 2 dan I 0 . Arus I 0 ini terbagi lagi menjadi dua komponen, yaitu komponen pemagnetan I m dan komponen beban I c . Arus I m akan menghasilkan medan magnet atau fluksi pada celah udara, sedangkan arus I c akan menghasilkan rugi – rugi inti. Arus I c ini sefasa dengan E 1 sedangkan arus pemagnetan I m ketinggalan terhadap E 1 sebesar 90° . Sehingga dapat dibuat rangkaian ekivalen pada stator, seperti gambar 2.9 di berikut ini: R1
I2
X1 I0
I1 V1
Rc
Ic X m I m
E1
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen pada Stator
Pada rotor belitan, jika belilitan yang dililit sama banyaknya dengan jumlah kutub dan fasa stator. Jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator banyaknya a kali jumlah lilitan rotor. Bandingkan efek magnetis rotor ini dengan yang terdapat pada rotor ekivalen magnetik yang mempunyai jumlah lilitan yang sama seperti stator. Untuk kecepatan dan fluks yang sama, hubungan antara tegangan E rotor yang diimbaskan pada rotor yang sebenarnya dan tegangan E 2 s yang diimbaskan pada rotor ekivalen adalah
E 2 s = a E rotor n
………………………...……………..(2.9)
23
Bila rotor – rotor akan diganti secara magnetis, lilitan – ampere masing – masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya I rotor dan arus I 2 s pada rotor ekivalen haruslah
I 2s =
I rotor a
………………………...………………..…….(2.10)
Akibatnya hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z 2 S dari rotor ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip Z rotor dari rotor yang sebenarnya haruslah sebagai berikut: Z 2S =
a 2 E rotor E 2S = = a 2 Z rotor I rotor I 2S
( Ohm )……………...…….(2.11)
Karena rotor terhubung singkat, hubungan fasor antara ggl frekuensi slip E 2 s yang dibangkitkan pada fasa patokan dari rotor patokan dan arus I 2 s pada fasa tersebut adalah:
E 2S = Z 2 S = R2 + jsX 2 I 2S
…………………………….………….(2.12)
Dimana: Z 2 S = impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa berpatokan pada stator (Ohm)
R2 = tahanan rotor (Ohm) sX 2 = reaktansi bocor patokan pada frekuensi slip (Ohm) Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.12) dinyatakan dalam cara yang demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X 2 didefinisikan sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator.
24
Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E 2 s . Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor adalah s kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif rotor adalah E 2s = s E 2
……………………………….………………..(2.13)
I 2s = I 2
...........................................................................(2.14)
Dan
Dengan membagi persamaan (2.13) dengan persamaan (2.14) didapatkan
E 2S sE 2 = I 2S I2
………………………………...………………(2.15)
Didapat hubungan antara persamaan (2.14) dengan persamaan (2.15), yaitu
E 2S sE 2 = R2 + jsX 2 ……………………………………...….(2.16) = I 2S I2 Dengan membagi persamaan (2.16) dengan s, maka didapat
E 2 R2 = + jX 2 ……………………………………………………...(2.17) s I2 Dari persamaan (2.12) , (2.13) dan (2.17) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor seperti Gambar 2.10a. R2
E2 s
I2
R2
X2
sX 2
I2 E2
R2 s
X2 I2
E2
1 R2 ( − 1) s
Gambar 2.10a Rangkaian ekivalen pada sisi rotor dalam keadaan berputar
25
R2 R = 2 + R2 - R2 s s 1 R2 = R2 + R2 ( − 1) s s
…………………..………………………..(2.18)
Pada saat rotor akan berputar, tegangan yang diinduksikan pada belitan rotor sebesar E 2 ( tegangan induksi pada rotor sebelum dipengaruhi oleh slip (s) ). Sehingga rangkaian ekivalen pada rotor dapat digambarkan seperti Gambar 2.10b. R2 I2
X2
E2
Gambar 2.10(b) Rangkaian ekivalen pada sisi rotor saat akan berputar
Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor sebelumnya, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa pada masing – masing fasanya. Perhatikan Gambar 2.11 berikut ini. R1
I
X1
2
Celah udara
Rc
Ic X m I m
sX 2
I2
I0
I1 V1
'
E1
sE2
R2
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi setelah berputar
26
Untuk
mempermudah
perhitungan,
maka
rangkaian
ekivalen
pada
Gambar 2.11 dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat digambarkan seperti Gambar 2.12. I '2
X1
R1
X2
'
I0
I1 V1
E1
Rc
Xm Im
R2 s
'
Ic
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen perphasa motor induksi yang delihat dari sisi stator
Atau seperti Gambar-2.13 berikut. R1
I '2
X1
'
R'2
I0
I1 V1
X2
Xm
Rc Im
E1
' 1 R2 ( − 1) s
Ic
Gambar 2.13 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator Dimana:
X '2 = a 2 X 2 R ' 2 = a 2 R2
27
Dalam teori transformator-statika, analisa rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus pemagnetan yang sangat besar dan karena reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen Rc dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalennya ditunjukkan pada Gambar 2.14. R1
I '2
X1
'
R'2
I0
I1 V1
X2
Xm
E1
' 1 R2 ( − 1) s
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator dengan mengabaikan Rc
2.9 Aliran Daya Pada Motor Induksi Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang diinputkan
28
ke rotor. Daya total yang dimasukkan pada kumparan stator (Pin) dirumuskan dengan:
Pin = 3V1 I1 cos θ ( Watt )..............................................................(2.19) Dimana : V1 = tegangan sumber (Volt) I1 = arus masukan(Ampere) θ
= perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber.
Sebelum daya ditransfer melalui celah udara, motor induksi mengalami rugirugi berupa rugi-rugi tembaga stator (PSCL) dan rugi-rugi inti stator (PC). Daya yang ditransfer melalui celah udara (PAG) sama dengan penjumlahan rugi-rugi tembaga rotor (PRCL) dan daya yang dikonversi (Pconv). Daya yang melalui celah udara ini sering juga disebut sebagai daya input rotor. PAG = PRCL + Pconv
( )
= 3 I 2'
2
(Watt)..............................................(2.20)
( ) R + 3(I ) R
R2' = 3 I 2' s
2
' 2
' 2 2
' 2
(1 − s ) ………………..............(2.21) s
Diagram aliran daya motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2.15.
29
PAG
Pconv
Daya celah udara
Pout = τ load ϖ r
Pin = 3 .VL I L cos θ
PSLL PF&W
PRCL
PC
PSCL
Gambar 2.15 Aliran Daya Motor Induksi.
Dimana : - PSCL = rugi – rugi tembaga pada kumparan stator (Watt) - PC = rugi – rugi inti pada stator (Watt) - PAG = daya yang ditranfer melalui celah udara (Watt) - PRCL = rugi – rugi tembaga pada kumparan rotor (Watt) - PF +W = rugi – rugi gesek + angin (Watt) - PSLL = stray losses (Watt) - PCONV = daya mekanis keluaran (output) (Watt)
Hubungan antara rugi-rugi tembaga rotor dan daya mekanis dengan daya masukan rotor dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :
( )R
PRCL = 3 I 2'
( )
Pconv = 3 I 2'
2
2
' 2
= sPAG
( Watt )....................................................................(2.22)
(1 − s ) ' R2 = (1 − s ) PAG ( Watt )...................................................... (2.23) s
30
Dari Gmbar 2.15 dapat dilihat bahwa motor induksi juga mengalami rugi-rugi gesek + angin (PF&W), sehingga daya mekanis keluaran sama dengan daya yang dikonversi (Pconv) dikurangi rugi-rugi gesek + angin. Pout = Pconv – PF&W Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu : PAG : PRCL : Pconv = 1 : s : 1 – s
2.10 Efisiensi Efisiensi motor induksi adalah ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanis yang dinyatakan sebagai perbandingan antara masukan dan keluaran atau dalam bentuk energi listrik berupa perbandingan watt keluaran dan watt masukan. Defenisi NEMA terhadap efisiensi energi adalah bahwa efisiensi merupakan perbandingan atau rasio dari daya keluaran yang berguna terhadap daya input total dan biasanya dinyatakan dalam persen Juga sering dinyatakan dengan perbandingan antara keluaran dengan keluaran ditambah rugi-rugi, yang dirumuskan dalam persamaan (2.24)
η=
Pout Pin − Ploss Pout = = × 100% .....................................(2.24) Pin Pin Pout + PLoss
Dari persamaan (2.24) terlihat bahwa efisiensi motor bergantung pada besar rugi-ruginya. Rugi-rugi pada persamaan tersebut adalah penjumlahan keseluruhan komponen rugi-rugi yang dibahas pada sub bab sebelumnya.
31
Pada motor induksi pengukuran efisiensi motor induksi ini sering dilakukan dengan beberapa cara seperti: - Mengukur langsung daya elektris masukan dan daya mekanis keluaran - Mengukur langsung seluruh rugi-rugi dan daya masukan - Mengukur setiap komponen rugi-rugi dan daya masukan, dimana pengukuran daya masukan tetap dibutuhkan pada ketiga cara di atas. Umumnya, daya elektris dapat diukur dengan sangat tepat, keberadaan daya mekanis yang lebih sulit untuk diukur. Saat ini sudah dimungkinkan untuk mengukur torsi dan kecepatan dengan cukup akurat yang bertujuan untuk mengetahui harga efisiensi yang tepat. Pengukuran pada keseluruhan rugi-rugi ada yang berdasarkan teknik kalorimetri. Walaupun pengukuran dengan metode ini relatif sulit dilakukan, keakuratan yang dihasilkan dapat dibandingkan dengan hasil yang didapat dengan pengukuran langsung pada daya keluarannya. Kebanyakan pabrikan lebih memilih melakukan pengukuran komponen rugirugi secara individual, karena dalam teorinya metode ini tidak memerlukan pembebanan pada motor, dan ini adalah suatu keuntungan bagi pabrikan. Keuntungan lainnya yang sering disebut-sebut adalah bahwa memang benar error pada komponen rugi-rugi secara individual tidak begitu mempengaruhi keseluruhan efisiensi. Keuntungannya terutama adalah fakta bahwa ada kemungkinan koreksi untuk temperatur lingkungan yang berbeda. Biasanya data efisiensi yang disediakan oleh pembuat diukur atau dihitung berdasarkan standar tertentu.
32
2.11 Torsi Motor Induksi Tiga Fasa Suatu persamaan torsi pada motor induksi dapat dihasilkan dengan bantuan teori rangakaian thevenin. Dalam bentuk umumnya, teorema thevenin mengijinkan penggantian sembarang jaringan yang terdiri atas unsur – unsur rangkaian linier dan sumber tegangan fasor tetap. Rangkaian rotor direfrensikan terhadap stator. Misalkan
V1 tegangan input motor, dengan melihat dari sisi terminal a-b, dapat dicari tegangan theveninnya. Perhatikan Gambar 2.16 berikut ini. R1
I '2
X1
a
I0
I1
X '2
V1
Xm
R'2 s b
Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan mengabaikan Rc
Untuk mendapatkan nilai tegangan thevenin maka terminal a-b pada rangkaian ekivalen pada Gambar 2.16 di atas harus dibuka. Perhatikan gambar 2.17 berikut. R1
V1
X1
a
Xm
b
Gambar 2.17 Rangkaian Thevenin
33
Dari Gambar 2.17 dapat dihitung tegangan thevenin ( VTh ) dan impedansi thevenin ( Z Th ). jX m VTh = V1 R1 + j ( X 1 + X m )
Z Th = RTh + jX Th =
( Volt )…………………………(2.25)
jX m ( R1 + jX 1 ) R1 + j ( X 1 + X m )
(Ohm )…………..……..(2.26)
Rangkaian ekivalen pada Gambar 2.17 berubah menjadi seperti pada Gambar 2.18 berikut. RTh
X Th
a
I '2
X '2 VTh
R'2 s b
Gambar 2.18 Rangkaian Thevenin motor induksi
Dengan demikian I ' 2 dapat dihitung dengan persamaan:
I '2 =
VTh R'2 + R ' L ) 2 + ( X Th + X ' 2 ) 2 ( RTh + s
(Ampere )…………(2.27)
Torsi ( τ d ) dapat dihitung dengan persamaan berikut. τd=
Pg
ωs
=
1
ωs
× 3I ' 2 ( 2
R'2 ) s
(Nm)………………………...….…..(2.28)
34
subsitusikan persamaan (2.27) di atas ke persamaan (2.28), maka didapat
τd=
VTh
3
ωs
R'2 s
R'2 2 ( ) + ( X Th + X ' 2 ) 2 R + Th s 2
τd =
2
VTh (
3
ωs
R'2 ) s
R'2 2 + ( R ) + ( X Th + X ' 2 ) 2 Th s
2
( Nm )……..……...……(2.29)
pada keadaan motor bekerja normal, rotor berputar pada arah putaran medan magnetik yang dihasilkan oleh arus stator, kecepatannya diantara nol sampai kecepatan serempak, dan slipnya diantara nol dengan satu. Lihat gambar 2.19 berikut. Torsi
Daerah generator
Daerah motor
Keceptan dalam persen kecepatan srempak
Gambar 2.19 Kurva karakteristik torsi – kecepatan pada mesin asinkron ( daerah motor dengan daerah generator )
35
Untuk mendapatkan mesin induksi yang bekerja sebagai generator, maka terminal stator dihubungkan pada suatu sumber tegangan dengan frekuensi tetap dan rotornya digerakkan diatas kecepatan serempak dengan suatu penggerak mula, seperti pada gambar diatas. Sumber tersebut menjaga supaya kecepatan serempak tetap dan mencatu masukan daya reaktif yang diperlukan untuk meneral medan magnet celah udara.
2.12 Kelas Motor Induksi Tiga Fasa Standart NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke dalam empat kelas yakni disain A, B, C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya dapat dilihat pada Gambar 2.20.
Gambar 2.20 Kurva Karakteristik kelas Motor Induksi
36
1. Kelas A Motor induksi yang didisain dengan kelas A merupakan motor dengan disain standart, dengan torsi start (awal) yang normal, arus start yang normal, dan slip yang kecil. Motor ini memiliki slip beban penuh yang lebih kecil dari 5 persen. Torsi maksimum yang dihasilkan oleh motor kelas A biasanya 200 sampai 300 persen dari torsi beban penuh dan terjadi pada slip yang kecil ( dibawah 20 persen ). Torsi start pada kelas ini lebih besar sedikit dari rating torsi, untuk motor yang besar, dan untuk motor yang kecil biasanya 200 persen atau lebih dari rating torsi. Masalah yang ada pada kelas ini adalah nilai inrush current
yang sangat ekstrim pada saat
start. Arus yang dihasilkan pada saat start biasanya 5 sampai 8 kali arus nominal motor. 2. Kelas B Motor induksi yang didisain dengan kelas B memiliki torsi start yang nominal, arus start yang kecil, dan slip yang kecil. Torsi maksimum ( pullout torque ) motor pada kelas ini lebih besar atau biasanya 2 kali rating torsi beban, tetapi lebih kecil dari kelas A karena adanya kenaikan reaktansi rotor. Slip rotor selalu realatif kecil biasanya dibawah 5 persen saat beban penuh. Motor dengan disain kelas B lebih banyak digunakan karena arus yang dihasilkan pada saat start kecil. 3. Kelas C Motor induksi yang didisain dengan kelas C memiliki torsi start yang besar dengan arus start yang kecil dan slip yang kecil ( biasanya dibawah 5 persen ) pada saat beban penuh. Torsi maksimum yang dihasilkan motor dengan kelas ini lebih kecil dari pada torsi maksimum kelas A. Torsi start motor kelas C biasanya 250
37
persen leibh besar dari torsi beban penuh. Motor kelas ini biasanya dibuat dengan rotor yang memiliki sangkar ganda, sehingga harganya jauh lebih mahal dari motor dengan kelas yang lain. 4. Kelas D Motor induksi yang dibuat dengan kelas ini memiliki torsi start yang sangat besar ( biasanya dibuat 275 persen atau lebih dari rating torsi ) dan arus startnya kecil, tetapi pada saat beban penuh slipnya sangat besar. Motor dengan kelas ini biasanya digunakan pada beberapa aplikasi yang memerlukan akselerasi torsi dari beban yang tinggi, spesial pada penggunaan roda gaya dengan pukulan atau tekanan yang besar. Sebagai tambahan pada keempat kelas tersebut diatas, NEMA juga memperkenalkan disain kelas E dan F, yang sering disebut motor induksi soft-start, namun disain kelas ini sekarang sudah ditinggalkan.
38
BAB III METODE STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA
3.1 Pendahuluan Motor induksi tiga fasa tidak mengalami masalah starting seperti pada motor sinkron. Motor induksi dapat distarting langsung hanya dengan menghubungkan dengan sumber tegangan. Namun kadang-kadang untuk pertimbangan yang lebih baik hal ini tidak dilakukan.
Sebagai contoh arus start yang dihasilkan dapat
menyebabkan tegangan ‘dip’ pada sistem tenaga. Untuk motor induksi rotor belitan, starting dapat dilakukan dengan menambahkan tahanan pada belitan rotor melalui cincin slip. Penambahan tahanan ini tidak hanya menyebabkan torsi start meningkat tetapi juga memperkecil arus start. Untuk motor induksi tipe rotor sangkar, starting motor induksi dapat dilakukan dengan banyak cara tergantung pada daya nominal motor dan tahanan efektiv rotor saat motor distart. Untuk menentukan arus rotor pada saat starting, semua rotor sangkar saat ini mempunyai code letter (agar tidak bingung dengan desgn class motor) pada nameplatenya. Code letter menentukan jumlah arus pada saat start. Batas ini dinyatakan sebagai fungsi daya kuda (hp). Tabel 3.1 adalah suatu tabel yang berisi kVA/hp untuk setiap code letter. Untuk menentukan arus start suatu motor induksi, baca tegangan nominal daya motor (hp) dan code letter dari nameplate. Kemudian daya semu motor saat start dinyatakan sebagai
39
Sstart = (daya kuda nominal)(faktor code letter)……………………….….(3.1) Dan arus start dapat ditentukan dengan rumus IL =
S start 3VT
(Ampere).................................... ....................................(3.2)
Tabel 3.1 Tabel NEMA, kVA/hp untuk setiap code letter Nominal
Locked
Nominal
Locked rotor,
code letter
rotor,
code letter
kVA/hp
kVA/hp A
0-3,15
L
9,00-10,00
B
3,15-3,55
M
10.00-11,00
C
3,55-4,00
N
11,20-12,50
D
4,00-4,50
P
12,50-14,00
E
4,50-5,00
R
14,00-16,00
F
5,00-5,60
S
16,00-18,00
G
5,60-6,30
T
18,00-20,00
H
6,30-7,10
U
20,00-22,40
J
7,10-8,00
V
22,40<
K
8,00-9,00
Ada bebrapa metode starting motor induksi tiga fasa antara lain: 1. Starting langsung (direct on-line starting). 2. Starting Why-Delta. 3. Starting dengan tahan rotor.
40
4. Starting dengan penambahan tahanan stator. 5. Starting dengan Autotransformator
3.2 Starting langsung (direct on-line starting) Ini adalah cara paling sederhana, dimana stator di hubungkan langsung dengan sumber tegangan (lihat Gambar 3.1). Start motor memiliki karakteristik sendiri.
Gambar 3.1 Starting langsung
Ketika dinyalakan, motor bertindak seperti suatu transfomator dengan sekundernya berupa rotor belitan dengan tahanan yang kecil dihubung singkat. Ada arus induksi tinggi yang mengalir pada rotor yang menyebabkan suatu arus puncak pada sumber tegangan yaitu:
41
Arus start = 5 sampai 8 arus nominal. Torsi start rata-rata adalah: Torsi start = 0,5 sampai 1,5 torsi nominal. Kendati keuntungannya (peralatan yang sederhana, torsi start tinggi, kecepatan tinggi, biaya rendah), start langsung hanya boleh digunakan jika: 1. Motor dengan daya kecil 2. Mesin tidak harus mempercepat secara perlahan-lahan atau memiliki suatu alat yang membatasi guncangan saat start. 3. Torsi start tinggi tidak mempengaruhi kerja mesin atau beban yang dikendalikan.
3.3 Starting Dengan Tahanan Rotor Metode Starting ini (Gambar 3.2) hanya dapat digunakan pada motor dengan belitan rotor dapat dihubungkan dengan tahanan luar melalui cincin slip. Tipe motor tersebut tidak bisa distart secara langsung (direct on-line) karena arus puncak pada saat starting sangat besar. Oleh karena itu motor distart dengan sebuah tahanan variabel yang dihubungkan seri dengan belitan rotor. Metode tersebut didisain sedemikian rupa agar pada saat starting terdapat tahanan maksimum pada rangkaian rotor. Kemudian secara bertahap nilai tahanan dikurangi sampai rangkaian rotor terhubung singkat. Torsi start dengan metode ini adalah sebanding dengan arus motor. Sehingga torsi startnya adalah 1,5 kali torsi nominal dan arus start adalah 6 kali arus beban penuh.
42
Starting dengan tahanan rotor ini, ideal untuk beban dengan kelembaman tinggi yang distart pada saat berbeban dimana arus puncak dari sumber daya listrik dibatasi. Selanjutnya nilai tahanan dan jumlah tahap dapat ditentukan sesuai dengan karakteristik motor tersebut.
Gambar 3.2 Starting dengan tahanan rotor
3.4 Starting Why-Delta Sistem start ini (Gambar 3.3) hanya dapat digunakan pada motor yang kedua ujung tiga belitan statornya terhubung pada terminal.
Belitan harus dibuat
sedemikian sehingga hubungan delta memenuhi tgangan jala-jala: misalnya tegangan tiga fasa 380 V mensuplay motor dengan 380V delta dan 660V belitan why.
43
Prinsipnya untuk start motor
belitan dihubungkan why pada sumber
tegangan, yang membagi tegangan jala-jala pada motor dengan
3 (contoh
sebelumnya tegangan jala-jala pada 380V = 660V / 3 ). Arus puncak start (SC)adalah dibagi 3: SC = 1,5 sampai 2,6 RC (Rated Current).
Gambar 3.3 Starting why-delta
Suatu motor 380V/660V hubungan why pada tegangan nominal 660V menarik arus
3 kali dari hubungan delta pada 380V. Dengn hubungan why pada
tegangan 380V, arus dibagi 3 lagi, sehingga totalnya adalah 3. Torsi Start (ST) adalah sebanding dengan tegangan jala-jala, ini juga dibagi oleh 3: ST = 0,2 sampai 0,5 RT (rated current).
44
Kecepatan motor stabil ketika motor dan tahanan torsi beban seimbang, umumnya pada 75-85% dari kecepatan nominal.
Kemudian belitannya adalah
hubungan delta dan motor memulihkan karakteristiknya. Perubahan dari hubungan why ke hubungan delta diatur oleh pengatur waktu (timer). Kontak delta menutup pada 30 sampai 50 millidetik setelah kontak why membuka, untuk mencegah terjadinya hubung singkat antar fasa kedua kontak tidak boleh menutup secara bersamaan. Arus akan terputus ketika kontak why membuka dan memulihkan ketika kontak delta menutup.
Ada suatu arus transien yang besar namun singkat saat
perpindahan ke delta, dalam kaitannya dengan EMF dari motor. Starting why-delta sesuai untuk motor dengan torsi beban kecil atau tanpa beban saat start (misalnya mesin pemotong kayu).
3.5 Starting Dengan Penambahan Tahanan Stator Dengan sistem ini (Ganbar 3.4), motor distart dengan menurunkan tegangan karena penambahan tahanan secara seri terhadap belitan. Ketika kecepatan stabil tahanan dilepas dan motor dihubungkan langsung dengan jala-jala. biasanya diatur oleh suatu pengatur waktu (timer).
Proses ini
Metode starting ini tidak
mengubah belitan rotor, jadi kedua ujung masing-masing belitan tidak memerlukan keluaran pada terminal.
45
Gambar 3.4 Starting dengan penambahan tahanan stator
Nilai arus starting dan torsi starting ditentukan oleh nilai tahanan yang digunakan. Secara teknis, nilai arus starting adalah sekitar 4,5 kali arus nominal, dan torsi starting mencapai 0,75 kali torsi nominal. Starting dengan penambahan tahanan stator terutama lebih tepat digunakan untuk aplikasi, seperti kipas angin, dimana torsi beban meningkat sesuai dengan kecepatan. Satu kerugian yang mungkin adalah arus yang sangat besar pada saat starting, namun hal ini dapat dikurangi dengan cara memperbesar nilai tahanan. Walaupun demikian penambahan tahanan ini akan menyebabkan
46
3.6 Starting Dengan Autotransformator
3.6.1 Pendahuluan Metoda starting dengan autotransformator adalah salah satu metode yang digunakan untuk mengurangi tegangan pada stator saat start, yang akan membatasi arus start . Metode starting dengan autotransformator dapat dijalankan dengan cara open- atau close- transition. Starting
dengan
Autotransformator
disebut
demikian
karena
autotransformator digunakan dalam rangkaian tenaga untuk mengurangi tegangan pada saat start. Dengan mengurangi tegangan pada saat start , arus start akan lebih rendah dari arus beban penuh jika motor distart pada tegangan penuh. Setelah waktu tunda (time delay) ditetapkan, autotransformator akan dilepas dari rangkaian, dan motor rotor sangkar sangkar akan dijalankan pada tegangan penuh. Autotransformator dilengkapi dengan tap agar dapat dilakukan pemilihan 50%, 65%, atau 80% dari tegangan saluran sebagai tegangan start dengan pengurangan arus saluran pencatu yang sesuai.
Karena kopel start bervariasi
menurut kuadrat tegangan yang di kenakan, maka kopel yang dihasilkan bila menggunakan tap-tap ini berturut-turut menjadi 25%, 42%, dan 64% dari harga tegangan penuhnya. Oleh sebab itu tap dapat dipilih agar sesuai dengan kopel start yang diperlukan oleh motor yang diberikan dan beban yang dikemudikan. Pensart autotransformer dapat dioperasikan secara manual maupun magnetik.
47
3.6.2 Autotransformator Autotransformator adalah suatu transformator dimana lilitan primer dan sekundernya dihubungkan secara listrik. hubungan autotransformator.
Gambar 3.5 menunjukkan diagram
Jika transformator ini digunakan sebagai penurun
tegangan, seluruh lilitan BC membentuk lilitan primer dan bagian EC membentuk lilitan sekunder. Dengan kata lain, bagian AC merupakan bagian bersama antara primer dan sekunder.
Gambar 3.5 Belitan Autotranformator Untuk beberapa aplikasi yang memerlukan banyak catu tegangan, digunakan autotransformator yang lilitannya ditap pada beberapa titik. Hubungan dari beberapa tap dikeluarkan keterminal atau ke alat saklar yang sesuai sehingga dapat dipilih beberapa tegangan. Salah satu aplikasi autotransformator adalah untuk starting motor induksi tiga fasa yang mana tegangan yang dikenakan ke motor dikurangi selama periode starting.
Starting
autotransformator
dengan untuk
autotransformator
mengurangi
tegangan
mempunyai start.
dua
Jika
atau
tiga
digunakan
dua
autotransformator, autotransformator dihubungkan dengan hubungan open delta, sementara tiga autotransformer akan menghubungkan wye (bintang).
48
3.6.3 Anlisa Rangkaian Starting Dengan Autotransformator Telah dijelaskan sebelumnya bahwa starting dengan autotransformator dapat dilakukan dengan dua cara yaitu: 1. Close-circuit transition 2. Open-circuit transition
3.6.3.1 Close-circuit Transition
Gambar 3.6 Rangkaian starting close-transition
49
Dari gambar 3.6, jika tombol start ditekan, rele 1S akan berenergi menyebabkan kontak 1S (NO) menutup dan kontak 1S (NC) membuka sehingga autotransformator akan terhubung wye dan rele 2S akan berenergi.
Rele 2S
berenergi akan menutup kontak 2S (NO) dan membuka kontak 2S (NC) sehingga motor akan disuplay melalui autotransformator yang terhubung wye. Pada saat rele 2S berenergi kontak TS-2S (TO) kan membuka sesuai dengan waktu yang telah ditentukan dan kontak TS-2S (TC) akan menutup. Ketika kontak TS-2S (TO) membuka rele 1S akan kehilangan energi, kontak 1S (NO) akan membuka kembali. Pada kondisi ini motor akan disuplay melalui belitan autotransformator. Dalam waktu yang sangat singkat rele R akan berenergi, menyebabkan kontak R (NO) menutup, sehingga motor akan disuplay langsung oleh sumber tegangan tanpa melalui autotransformator.
Pada saat perpindahan dari
autotransformator, motor tidak mengalami kehilangan daya, maka starting ini disebut close-circuit transition (rangkain transisi tertutup).
3.6.3.2 Close-circuit Transition Jika tombol start ditekan pada Gambar 3.7, rele S akan berenergi dan semua kontak S (NO) akan menutup. Ketika rele S menutup, motor akan disuplay melalui autotransformator yang tehubung open-delta dan rele TR akan berenergi. Rele TR akan berenergi sesuai waktu yang telah ditentukan. Jika rele TR telah benergi maka semua kontak TR-TO akan membuka, demikian juga dengan kontak TR-TC akan menutup sesuai dengan waktu yang telah ditentukan dan tombol start dapat dilepas. Ketika kontak TR-TC menutup, rele R
50
akan berenergi. Dengan berenerginya rele R, kontak R akan menutup dan motor akan disuplay langsung tanpa melalui autotransformator. Secara bersaman kontak S akan membuka, sehingga untuk sesaat motor akan terputus dari sumber tegangan. Karena pada saat start motor kehilangan daya selama perpindahan dari autotransformator, maka start ini disebut open-circuit transition ( rangkaian transisi terbuka).
Gambar 3.7 Rangkain starting open transition
51
3.6.4 Arus Dan Torsi Starting motor induksi Arus starting dengan autotransformer dapat ditentukan dari persamaan : Ist = K Isc
(Ampere)...........................................................................(3.3)
dimana: K= tapping transformator Isc= arus start langsung
Untuk menentukan torsi start dapat dinyatakan dengan persamaan : 2
Tst I st × S fl = T fl I fl
Tst KI sc = T fl I fl
2
× S fl
I Tst = K 2 sc I T fl fl
2
× S fl
.........................................................................(3.4)
dimana: Tf = torsi beban penuh Sfl= slip beban penuh
Sedangkan torsi beban penuh dan slip beban penuh dapat ditentukan dari persamaan: T fl =
Pin
ω
52
T fl =
Pin 2πN / 60
T fl = 9,554.
Pin N
(N-m) .........................................................................(3.5)
dan
S fl =
ns − nr × 100% ns
.........................................................................(3.6)
53
BAB IV STUDI STARTING MOTOR INDUKSI TIGA FASA DENGAN AUTOTRANSFORMATOR DI PABRIK KELAPA SAWIT (PKS) PTPN IV KEBUN ADOLINA
4.1. Pendahuluan Secara umum motor induksi dapat distarting baik dengan menghubungkan motor secara langsung ke sumber tegangan maupun dengan menggunakan tegangan yang telah dikurangi ke motor selama peride start. Demikian halnya pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Kebun Adolina. Ada beberapa metode starting yang digunakan, salah satunya adalah starting dengan Autotransformator. Adapun motor induksi yang dipakai adalah motor induksi tiga fasa rotor sangkar, dimana motor ini digunakan untuk memutar kipas blower pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU) di PKS Kebun Adolina. Motor induksi memiliki spesifikasi sebagai berikut: 1. Merk
: RRT
2. Type
: y-280 s-4
3. Tegangan nominal : 400 Volt 4. Arus nominal
: 136 Ampere
5. Daya keluaran
: 100 HP
6. Frekuansi
: 50 Hz
7. Kecepatan putaran : 1455 rpm 8. Jumlah kutub
: 4
54
9. Ins. Cls
: B
10. cos φ
: 0,87
11. Code letter
: F
12. Effisiensi
: 0.91
13. Disain kelas
:B
Adapun penggunaan motor induksi tiga fasa dapat dilihat pada tabel, lampiran A. sedangkan karakteristik standar motor tipe tahan percikan, tipe rotor sangkar dapat dilihat pada tabel lampiran B dan C.
4.2. Peralatan Starting Di Pabrik Kelapa Sawit Kebun Adolina Peralatan starting yang digunakan pada PKS Kebun Adolina antara lain: 1. Autotransformator 2. Magnetic Contactor 3. Time Delay Relay (Timer) 4. Push-button Swich 5. Thermal Overload Relay Gambar 4.1 menunjukkan bagian-bagian dari peralatan starting dengan autotransformator.
55
Gambar 41 Peralatan starting dengan autotransformator
4.2.1. Autotransformator Autotransformator adalah suatu transformator dimana lilitan primer dan sekundernya dihubungkan secara listrik. hubungan autotransformator.
Gambar 4.2 menunjukkan diagram
Jika transformator ini digunakan sebagai penurun
tegangan, seluruh lilitan BC membentuk lilitan primer dan bagian EC membentuk lilitan sekunder. Dengan kata lain, bagian AC merupakan bagian bersama antara primer dan sekunder. Untuk beberapa aplikasi yang memerlukan banyak catu tegangan, digunakan autotransformator yang lilitannya ditap pada beberapa titik. Hubungan dari beberapa tap dikeluarkan ke terminal atau ke alat saklar yang sesuai sehingga dapat dipilih beberapa tegangan.
56
Salah satu aplikasi autotransformator adalah untuk starting motor induksi tiga fasa yang mana tegangan yang dikenakan ke motor dikurangi selama periode starting.
Gambar 4.2 Belitan Autotranformator
Autotransformator yang digunakan pada pada pabrik kelapa sawit Kebun Adolina memiliki spesifikasi sebagai berikut; Merk
: KCEE
Serial No.
: 56914
Daya
: 134 kw
Tegangan/frekuensi
: 380 V/50 Hz
Tapping
: 50%, 60%, 75%
4.2.5. Magnetic Contactor Magnetic contactor dapat digunakan pada rangkaian: • Starting • Pengereman • Pengendalian motor dan peralatan listrik
57
Magnetic contactor mempunyai kemampuan untuk pensaklaran arus lebih seperti arus start motor, tetapi tidak mempunyai kemampuan untuk memutus arus abnormal seperti dalam hal hubung singkat motor. Gambar 4.3 menunjukkan wiring diagram magnetic contactor. Keuntungan penggunaan magnetic contactor antara lain; •
Memungkinkan beberapa operasi motor listrik atau peralatan listrik lainnya dilaksanakan dari satu atau lebih tempat.
•
Peralatan kontrol dapat diinterlock untuk mencegah kesalahan dan bahaya operasi.
•
Peralatan kontrol dapat dipasang pada tempat yang jauh.
•
Kontrol otomatis dan semi otomatis dapat dilakukan. Untuk memberikan informasi yang berhubungan dengan penggunaan
magnetic contactor yang sesuai untuk berbagai macam dan jenis pekerjaan untuk beban resistif maupun motor listrik dapat diketahui dari Utilization category yang terdapat pada katalog yang diterbitkan oleh pabrik pembuat magnetic contactor tersebut. Utilization category yang dimaksud adalah: •
AC 1 : Non induktive loads (resistif load)
•
AC 2 : Starting, plugging (slip ring motor)
•
AC 3 : Starting, stopping (squirrel cage motor)
•
AC 4 : starting, plugging, inching (squirrel cage motor)
58
. Gambar 4.3 Wiring diagram Magnetic Contactor.
Utilization category AC 3 merupakan kategori yang digunakan pada peralatan starting pada pabrik kelapa sawit kebun Adolina dengan spesifikasi dapat dilihat pada Tabel 4.1 berikut:
Tabel 4.1 Spesifikasi magnetic contactor Type
H200 C
H150 C
H125 C
H100 C
Utilization
Rated
Motor rated based on squirrel cage motor 50
category
voltage
Hz
AC 3 Power
rating
three-phase
Rated
kw
kw
kw
kw
of Pn
3~ 220 V
45
45
30
25
Pn
3~ 240 V
90
75
60
50
Pn
3~ 550 V
90
55
45
45
260 A
200 A
150 A
135A
operating Ie
current
59
4.2.6. Time Delay Relay (Timer) Prinsip kerja dan kegunaan dari time delay relay miripdengan rele kontrol, bedanya kontak-kontak time delay relay tidak langsung bekerja ketika kumparannya diberi tegangan melainkan tertunda kerjanya sesuai dengan setingan waktunya. Pada pabrik kelapa sawit kebun adolina time delay relay diseting masing-masing selama 5 detik, 3 detik,dan 1 detik.
4.2.7. Thermal Overload Relay Thermal Overload Relay digunakan untuk mengamankan motor listrik terhadap beban lebih. Rele ini bekerja berdasarkan efek thermal dari arus listrik. Jika arus yang mengalir dalam Thermal Overload Relay ini melebihi nilai setingan, akan terjadi pemutusan yang waktunya tergantung pada besarnya arus. Semakin besar arus ini makin singkat waktu pemutusannya.
Wiring diagram thermal
Overload relay ditunjukkan pada Gambar 4.4 berikut.
Gambar 4.4 Wiring diagram Thermal Overload Relay 4.3 Rangkaian Starting Gambar 4.5 menunjukkan rangkaian starting dengan autotransformator pada Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Kebun Adolina.
60
Gambar 4.5 Rangkaian starting dengan autotransformator
4.4 Proses Starting Dengan Autotransformator Pada Pabrik Kelapa Sawit Kebun Adolina Proses starting dilakukan pada saat pabrik akan mengoperasikan PLTU. Sebelum motor distarting terlebih dahulu melakukan pemeriksaan terhadap peralatan starting serta motor yang akan distart. Setelah pemeriksaan dan motor layak untuk distart, kemudian starting dapat dilakukan. Dari gambar 4.5, ketika tombol start ditekan kontak MC5 dan MC4 akan menutup secara bersamaan sehingga motor akan disuply tegangan oleh autotransformator hubungan delta sebesar 50% selama 5 detik.
Setelah 5 detik
61
kontak MC3 akan menutup dan kontak MC4 akan membuka. Pada saat ini motor disuply tegangan oleh autotransformator sebesar 60% selama 3 detik. Setelah 3 detik kontak MC2 akan menutup dan MC3 akan membuka. Pada saat ini motor menerima tegangan sebesar 75% selama 1 detik. Selanjutnya kontak MC1 akan menutup, secara bersamaan kontak MC2 dan MC5 akan membuka. Pada saat ini motor telah beroperasi penuh dan autotransformator terputus dari motor.
4.5 Analisa Starting Dengan Autotransformator a. Menghitung Arus Starting Arus start langsung dapat dihitung dari persamaan 3.2 yaitu: IL =
S start 3VT
Dimana Sstart diperoleh dari persamaan 3.1 dan table 3.1 untuk code letter F, yaitu: Sstart = (daya kuda nominal)(faktor code letter) Sstart= (100)(5,00) Sstart= 500 KVA Sstart= 500000 VA Maka,
I L = I sc =
500000 3 (400)
IL = 721,7 Ampere Sehingga arus start dengan autotranformator dimana tap yang digunakan k=50%=0,5 dapat dicari dari persamaan 3.3 yaitu: Ist =0,5.721,7
62
Ist =360,9 Ampere Dengan demikian arus start dengan autotransformator adalah 360,9 Ampere.
b. Menghitung Torsi Start Torsi start dapat dihitung dari persamaan 3.4, yaitu: I Tst = K 2 sc I T fl fl
2
× S fl
Dengan Tfl diperoleh dari persamaan 3.5, yaitu: T fl = 9,554.
Pin N
(N-m))
Dimana, Pin = 3 × VI cos ϕ Pin = 3 × 400 × 136 × 0,87
Pin = 81974,5
Watt
Dan, S fl =
1500 − 1455 1500
S fl = 0,03
Maka, T fl = 9,554.
81974,5 1480
T fl = 529,2
N-m
63
Sehingga, 2
Tst 2 721,7 = (0,5) × 0,03 T fl 136 Tst = 0,21 T fl Tst = 0,21T fl
N-m
Tst = 0,21 × 529,2 Tst = 111,13
N-m
N-m
Dengan demikian torsi start dengan autotransformator adalah 111,13 N-m
64
BAB V KESIMPULAN
5.1 Kesimpulan 1.
Di Pabrik Kelapa Sawit (PKS) Kebun Adolina metode starting dengan autotransformator dilakukan dengan 50% tegangan.
2.
Arus start dengan autotransformator adalah 360,9 Ampere atau 2,65 kali arus beban penuh.
3.
Torsi start dengan autotransformator adalah 111,13 N-m atau 0,21 kali torsi beban penuh.
5.2 Saran 1.
Di harapkan kepada PTPN IV Kebun Adolina agar melengkapi buku-buku panduan yang dapat berguna bagi karyawan pada khususnya dan mahasiswa yang melakukan penelitian pada umumnya.
65
DAFTAR PUSTAKA
1. Chapman Stephen J, “Elektric Machinery Fundamentals” Fourth Edition Mc Graw Hill Companies, New York,2005. 2. Fitzgerald, A.E, Charles Kingsley, Jr., Stephen D. Umans, “Mesin-Mesin Listrik”, Edisi Keempat, Erlangga, Jakarta,1984. 3. Lister “Mesin dan Rangkaian Listrik”, Edisi Keenam, Erlangga, Jakarta, 1988 4. McPherson, George “An Introduction To Electrical Mechines And Transformers”, Jhon Wiley & sons, Inc, Canada, 1981. 5. Theraja, B.L, ”A Text-Book Of Electrical Technology”, Nurja Construction & Development, New Delhi, 1989. 6. Zuhal “ Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya” Edisi Kelima, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995.
66
