Penentuan Parameter dan Arus Asut Motor Induksi Tiga Fasa

39

Penentuan Parameter dan Arus Asut Motor Induksi Tiga Fasa Yandri Laboratorium Konversi Energi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura e-mail : [email protected] Abstrak– Tulisan ini membahas tentang penentuan paramater motor induksi tiga fasa berdasarkan data percobaan/pengujian yang mencakup percobaan tanpa beban, percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC. Selain itu juga dilakukan perhitungan arus asut. Sampel data yang diambil berupa 2 (dua) buah motor dengan spesifikasi yang berbeda, yakni motor 7,5 hp dan motor 25 hp. Proses perhitungannya dilakukan dengan menggunakan program MATLAB. Untuk motor 7,5 hp memiliki parameter = 0,2429 Ω , = 0,6706 Ω , = 0,1511 Ω , = 0,6706 Ω , = 14,0281 Ω , dan = 87,9063 . Sedangkan untuk motor 25 hp memiliki parameter = 0,1055 Ω , = 0,2112 Ω , = 0,0708 Ω , = 0,3167 Ω , = 5,2474 Ω , dan = 223,3343 . Untuk motor 7,5 hp dapat diasut secara langsung, namun lebih baik jika digunakan pengasut bintang-segitiga. Sedangkan untuk motor 25 hp dapat menggunakan pengasut ototransformator. Kata kunci– parameter motor, arus asut, motor induksi 1. Pendahuluan Pada hakekatnya tiap motor induksi memiliki karakteristik torka-kecepatan yang berbeda-beda. Dengan diketahuinya karakteristik suatu motor maka pemilihan motor untuk penggerak beban dapat dilakukan secara tepat. Namun, karakteristik tersebut hanya dapat diketahui jika parameter motor yang bersangkutan juga diketahui. Parameter tersebut mencakup tahanan stator, reaktansi bocor stator, tahanan rotor, reaktansi bocor rotor, reaktansi magnetisasi, dan tahanan inti besi. Nilai parameter tersebut tidak akan ditemukan pada pelat nama (name plate) sebuah motor. Untuk mengetahuinya perlu dilakukan pengujian pada motor tersebut yang mencakup percobaan tanpa beban, percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC. Biasanya sebuah motor dapat menarik arus sekitar 5 hingga 7 kali dari arus nominal selama pengasutan. Apabila torka beban selama pengasutan dan inersia beban motor tidak besar, proses pengasutan hanya membutuhkan waktu yang singkat, dengan demikian temperatur motor tidak melebihi batas yang diijinkan. Dalam aplikasi tersebut motor dapat diasut langsung ke jala-jala dan ini biasanya diperuntukkan untuk motormotor berukuran kecil dan tidak demikian halnya untuk motor-motor besar. Apabila torka beban selama pengasutan tinggi atau inersia bebannya yang tinggi, maka proses pengasutan akan membutuhkan waktu yang

cukup lama. Jika motor menarik arus yang besar selama pengasutan, maka akan mengakibatkan kerusakan pada motor akibat pemanasan lebih. Arus asut yang tinggi juga dapat mengakibatkan terjadinya drop tegangan yang besar pada jaringan. Dengan demikian metode pengasutan secara tepat perlu diterapkan untuk motor berkapasitas besar guna mengurangi arus asut dan drop tegangan. Untuk motor induksi rotor belitan, pengasutan dapat dilakukan pada arus yang rendah dengan cara menyisipkan tahanan luar pada rangkaian rotor selama pengasutan. Tahanan luar ini tidak hanya memperbesar torka asut tetapi juga dapat mengurangi arus asut. Untuk motor induksi rotor sangkar, arus asut dapat bervariasi dengan rentang yang lebar, tergantung pada daya nominal motor dan tahanan rotor pada kondisi pengasutan. Sedangkan metode pengasutan yang dapat dilakukan dapat berupa pengasut bintang-segitiga / Y − Δ (star-delta starter), pengasut ototransformator (autotransformer starter), pengasut tahanan primer (primary resistor starter), pengasut reaktor (reactor starter), pengasut lilitan terpisah (part winding starter), atau pengasut solid state (solid state starter). 2. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Gbr.1(a) memperlihatkan rangkaian ekivalen per fasa dari motor induksi, sedangkan gbr.1(b) merupakan rangkaian ekivalen alternatif.

(a)

(b) Gambar 1. Rangkaian ekivalen motor induksi

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

40

Keterangan gbr : R1  tahanan stator X 1  reaktansi bocor stator R2  tahanan rotor mengacu ke stator X 2  reaktansi bocor rotor mengacu ke stator

Rc  tahanan inti besi X M  reaktansi magnetisasi I1  arus stator I 2  arus rotor mengacu ke stator V  tegangan sumber E1  tegangan induksi stator

3. Penentuan Parameter Motor Induksi Percobaan Tanpa Beban Percobaan/pengujian tanpa beban (no-load test) ditujukan untuk mengukur besarnya rugi-rugi putaran motor serta memberikan informasi tentang arus magnetisasi. Rangkaian untuk percobaan ini diperlihatkan pada gbr. 2(a).

ekivalen motor ini diperlihatkan pada gbr 2(b). Dengan nilai slip yang sangat kecil, nilai (1 − )/ jauh lebih besar dibandingkan serta jauh lebih besar dibandingkan . Pada kasus ini, rangkaian ekivalen secara pendekatan dapat diubah menjadi rangkaian akhir seperti terlihat pada gbr 2(b). Pada gambar, terlihat bahwa tahanan output terhubung paralel dengan reaktansi magnetisasi dan rugi-rugi inti . Pada kondisi tanpa beban ini, daya masuk diukur dengan alat-alat ukur yang nilainya harusnya sama dengan rugi-rugi pada motor. Rugi-rugi tembaga rotor dapat diabaikan karena arus bernilai sangat kecil sekali [hal ini dikarenakan tahanan beban (1 − )/ yang sangat besar]. Rugi-rugi tembaga stator dalam hal ini adalah : (1) = sehingga daya masuk adalah : = + + & + (2) = 3 + dimana merupakan rugi-rugi putaran dari motor : (3) = + & + Jadi, dengan memberikan daya masuk ke motor maka rugi-rugi putaran mesin dapat ditentukan. Rangkaian ekivalen yang melukiskan operasi motor pada kondisi ini mengandung tahanan dan (1 − )/ yang terhubung paralel dengan reaktansi magnetisasi . Arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan medan magnet bernilai sangat besar pada motor induksi, hal ini dikarenakan tingginya nilai reluktansi dari celah udara, sehingga reaktansi akan bernilai jauh lebih kecil dibandingkan dengan nilai tahanan yang paralel dengannya. Dengan arus lagging yang besar, sebagian besar jatuh tegangan (voltage drop) akan terjadi pada komponen-komponen induktif rangkaian. Dengan demikian impedansi input ekivalen secara pendekatan adalah : (4) = ≈ + ,

dan jika dengan cara lain dapat ditentukan, maka reaktansi magnetisasi juga akan dapat diketahui. Percobaan DC Untuk Penentuan Tahanan Stator

Gambar 2. Percobaan tanpa beban motor induksi : (a) Rangkaian percobaan (b) Rangkaian ekivalen yang diperoleh

Pada percobaan ini, dua wattmeter, satu voltmeter, dan tiga amperemeter terhubung ke motor induksi. Selama catu daya dihubungkan maka motor akan berputar. Pada kondisi ini yang hanya merupakan beban motor adalah rugi-rugi gesek dan angin ( & ), sehingga seluruh daya listrik yang dikonversikan ( ) diserap sebagai rugirugi mekanik, dan slip motor bernilai sangat kecil (kemungkinan sekitar 0,001 atau kurang). Rangkaian

Tahanan rotor memainkan peranan yang sangat kritis pada operasi motor induksi. Diantaranya adalah, menentukan bentuk kurva torka-kecepatan, menentukan juga kecepatan dimana terjadinya torka maksimum. Percobaan motor standar yang dinamakan dengan percobaan rotor ditahan dapat digunakan untuk menentukan tahanan total motor (percobaan ini akan dijelaskan pada sub bab berikutnya). Walaupun demikian, percobaan ini hanya ditujukan untuk menentukan besarnya tahanan total. Untuk menentukan secara akurat, perlu kiranya untuk mengetahui besarnya sehingga dapat diperoleh dengan cara mengurangkan tahanan total dengan tahanan . Ada suatu percobaan untuk menentukan yang nilainya tidak tergantung dari , , dan . Percobaan Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

41

ini dinamakan dengan Pengujian / Percobaan DC (DC Test). Ini dilakukan dengan menghubungkan belitan stator motor induksi dengan tegangan DC. Karena arusnya adalah arus DC, maka tidak ada tegangan yang diinduksikan pada rangkaian rotor, dengan demikian tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Disamping itu, pada arus DC, reaktansi motor bernilai nol. Dengan demikian, satu-satunya arus yang membatasi motor adalah tahanan stator dan karena itu besarnya tahanan dapat ditentukan. Rangkaian dasar untuk percobaan DC ini diperlihatkan pada gbr. 3.

Gambar 3. Rangkaian percobaan untuk pengujian tahanan DC

Gambar ini memperlihatkan catu daya DC yang dihubungkan pada dua dari tiga terminal motor induksi yang terhubung Y. Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai nominal, dan tegangan antar terminal diukur. Arus pada belitan stator diatur ke nilai nominal sebagai upaya untuk memanaskan belitan pada suhu yang sama dimana belitan beroperasi selama kondisi normalnya (ingat, tahanan belitan merupakan fungsi dari suhu). Arus pada gbr. 3 mengalir melalui dua belitan, sehingga tahanan total pada lintasan arus adalah 2 . Oleh karena itu, atau,

2

diperlihatkan pada gbr. 4(b). Perhatikan bahwa, dikarenakan rotor tidak bergerak, slip = 1, dan dengan demikian / justru sama dengan (nilainya sangat kecil). Karena kecilnya nilai dan maka hampir seluruh arus input akan mengalir melaluinya, dibandingkan dengan arus yang mengalir melalui yang nilainya jauh lebih besar. Oleh karena itu, rangkaian pada kondisi ini terlihat seperti kombinasi seri dari , , , dan . Bagaimanapun juga terdapat suatu masalah dengan percobaan ini. Pada operasi normalnya, frekuensi stator merupakan frekuensi jala-jala dari sistem tenaga (50 atau 60 Hz). Pada kondisi asut, frekuensi rotor juga sama dengan frekuensi jala-jala. Akan tetapi, pada kondisi operasi normalnya, slip sebagian besar motor hanya bernilai 2 - 4 %, dan frekuensi rotor yang dihasilkan berada pada rentang 1 - 3 Hz. Ini akan menimbulkan suatu masalah karena frekuensi jala-jala tidak merepresentasikan kondisi operasi normal dari rotor. Untuk mengatasi hal ini biasanya diambil nilai kompromi, yakni dengan menggunakan frekuensi sebesar 25 % atau kurang dari frekuensi nominalnya.

=

(5) 2 Dengan nilai ini maka rugi-rugi tembaga stator pada kondisi tanpa beban dapat ditentukan, dan rugi-rugi putaran dapat diperoleh dengan cara mengurangkan daya masuk ( ) pada kondisi tanpa beban dengan rugi-rugi tembaga stator ( ). =

Percobaan Rotor Ditahan Percobaan ketiga yang dapat dilakukan pada motor induksi guna menentukan parameter rangkaiannya dinamakan dengan percobaan rotor ditahan (blockedrotor test / locked-rotor test). Pada percobaan ini, rotor ditahan sehingga tidak dapat berputar, tegangan sumber dihubungkan ke motor, selanjutnya ukur tegangan, arus, dan daya yang dihasilkan. Gambar 4 menunjukkan pengawatan untuk percobaan rotor ditahan. Untuk melakukan percobaan rotor ditahan ini, tegangan AC dihubungkan ke stator, dan arus yang mengalir diatur mendekati nilai beban penuh. Apabila arus pada kondisi nilai beban penuh, selanjutnya ukur tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor. Rangkaian ekivalen untuk percobaan ini

Gambar 4. Percobaan rotor ditahan untuk motor induksi : (a) Rangkaian percobaan, (b) Rangkaian ekivalen motor

Setelah catu daya dihubungkan ke motor, secepatnya atur besarnya arus yang mengalir ke motor kira-kira pada nilai nominalnya, kemudian ukur daya masuk, tegangan, dan arus sebelum rotor mengalami banyak pemanasan. Daya masuk ke motor diberikan melalui persamaan berikut : = √3 cos jadi faktor daya rotor ditahan dapat diperoleh melalui persamaan berikut : (6) √3 Besarnya impedansi total pada rangkaian motor pada kondisi ini adalah : PF = cos |

|=

=

=

√3

(7)

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

42

dan sudut impedansi totalnya adalah . Dengan demikian, = + (8) = | | cos + | | sin Tahanan rotor ditahan sama dengan : (9) = + sedangkan reaktansi rotor ditahan sama dengan : (10) = + dimana dan berturut-turut adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian / percobaan. Tahanan rotor sekarang dapat diperoleh melalui persamaan berikut : (11) = − dimana 1 ditentukan melalui percobaan DC. Reaktansi total rotor yang mengacu ke stator juga dapat diperoleh. Karena reaktansi berbanding lurus dengan frekuensi maka reaktansi total ekivalen pada frekuensi operasi normalnya dapat diperoleh sebagai berikut : =

=

(12)

+

Sayangnya, tidak ada cara yang sederhana untuk memisahkan kontribusi reaktansi stator dan rotor satu dengan lainnya. Selama bertahun-tahun, pengalaman telah menunjukkan bahwa motor-motor dengan tipe desain tertentu memiliki perbandingan tertentu antara reaktansi stator dan rotornya. Hasil pengalaman tersebut dirangkum pada tabel 1. Tabel 1. Cara/metode berdasarkan pengalaman dan praktek (rule of thumb) untuk menentukan besarnya reaktansi stator dan rotor

dan sebagai fungsi dari

Desain Rotor

0,5 0,5 0,4 0,3 0,5

Rotor belitan Desain A Desain B Desain C Desain D

0,5 0,5 0,6 0,7 0,5

Slip ( ) pada kondisi pengasutan adalah satu. Dengan demikian berdasarkan gbr. 1(b) besarnya arus asut dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut :

dimana,

√3

(13)

) + (14) ) + ( + menyatakan tegangan antar fasa, sedangkan adalah tegangan fasa-netral. =

+

+

(

=

Metode yang digunakan dalam penelitian ini berupa pengumpulan data dua spesifikasi motor induksi dan disertai dengan data hasil percobaan tanpa beban, percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC. Selanjutnya dengan menggunakan program MATLAB dihitung besarnya parameter dan arus asut motor induksi. Adapun data motornya adalah sebagai berikut : a) Motor induksi 3 fasa, 7,5 hp, 208 V, 60 Hz, 4 kutub, desain A, hubungan Y dengan data hasil percobaan : Tanpa beban = 208 V ; 8,17 A ; 420 W ; 60 Hz Rotor ditahan = 25 V ; 27,9 A ; 920 W ; 15 Hz Percobaan DC = 13,6 V ; 28 A b) Motor induksi 3 fasa, 25 hp, 208 V, 60 Hz, 6 kutub, desain B, hubungan Y dengan data hasil percobaan : Tanpa beban = 208 V ; 22 A ; 1200 W ; 60 Hz Rotor ditahan = 24,6 V ; 64,5 A ; 2200 W ; 15 Hz Percobaan DC = 13,5 V ; 64 A 6. Hasil dan Pembahasan Berikut adalah M-file untuk simulasi motor induksi tiga fasa. % ============================================= % SIMULASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA % ============================================= % Penentuan Parameter Motor berdasarkan % Data Percobaan (Percobaan Tanpa Beban, % Rotor Ditahan, dan Percobaan DC) serta % Perhitungan Arus Asut utk 2 Buah Motor % ============================================= V_nl=[208 208] % tegangan tanpa beban (volt) I_nl=[8.17 22] % arus tanpa beban (ampere) P_nl=[420 1200]% daya tanpa beban (watt) f_nl=[60 60] % frekuensi tanpa beban (hertz) V_lr=[25 24.6] % tegangan rotor ditahan (volt) I_lr=[27.9 64.5] % arus rotor ditahan (ampere) P_lr=[920 2200] % daya rotor ditahan (watt) f_lr=[15 15] % frekuensi rotor ditahan (hertz) Vdc=[13.6 13.5] % tegangan percobaan DC (volt) Idc=[28 64] % arus percobaan DC (ampere) R1=Vdc./(2*Idc) Vph_nl=V_nl/sqrt(3) Z_nl=Vph_nl./I_nl Vph_lr=V_lr/sqrt(3) Z_lr=Vph_lr./I_lr

4. Persamaan Arus Asut Motor Induksi

=

5. Metode Penelitian

% tahanan stator (ohm)

cos_lr=P_lr./(sqrt(3).*V_lr.*I_lr) theta_lr=acos(cos_lr) degree_theta_lr=theta_lr*180/pi R_lr=Z_lr.*cos(theta_lr) R2=R_lr-R1 % tahanan rotor mengacu ke stator (ohm) X_lr_aks=Z_lr.*sin(theta_lr) % reaktansi rotor ditahan pada frekuensi 15 Hz (ohm) X_lr=X_lr_aks.*(f_nl/f_lr) % reaktansi rotor ditahan pada frekuensi 60 Hz (ohm) X1=[0.5*X_lr(1) 0.4*X_lr(2)] % reaktansi bocor stator (ohm) X2=[0.5*X_lr(1) 0.6*X_lr(2)] % reaktansi bocor rotor mengacu ke stator (ohm) Xm=Z_nl-X1 % reaktansi magnetisasi (ohm)

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

43

Vll=V_nl Vph=Vll/sqrt(3) Zf=j*Xm.*(R2+j.*X2)./(R2+j.*(X2+Xm)) Zin_start=R1+j*X1+Zf I_start=Vph./Zin_start mag_I_start=abs(I_start)

% arus asut (ampere)

disp('---------------------------------------------------------------------------') disp(' Besaran Motor A Motor B') disp('---------------------------------------------------------------------------') disp(['Tahanan stator (ohm) 'num2str(R1(1,1)) ' 'num2str(R1(1,2))]) disp(['Reaktansi bocor stator (ohm) 'num2str(X1(1,1)) ' 'num2str(X1(1,2))]) disp(['Tahanan rotor mengacu ke stator (ohm) 'num2str(R2(1,1))' 'num2str(R2(1,2))])

disp(['Reaktansi bocor rotor mengacu ke stator (ohm) 'num2str(X2(1,1)) ' 'num2str(X2(1,2))]) disp(['Reaktansi magnetisasi (ohm) 'num2str(Xm(1,1)) ' 'num2str(Xm(1,2))]) disp(['Arus asut (A) 'num2str(mag_I_start(1,1)) ' 'num2str(mag_I_start(1,2))]) disp('---------------------------------------------------------------------------')

Gambar 6. Rangkaian ekivalen motor B (25 hp)

Dengan adanya rangkaian ekivalen tersebut di atas maka karakteristik/kurva torka-kecepatan dan arus asut untuk tiap-tiap motor dapat diketahui. Berdasarkan tabel 2 dapat dilihat bahwa arus asut motor B lebih besar dibandingkan motor A. Jika dikaji dari pers. 13, besarnya arus asut tergantung pada tegangan sumber dan impedansi input (impedansi total). Arus asut berbanding lurus dengan tegangan sumber dan berbanding terbalik dengan impedansi. Untuk tegangan sumber yang besarnya sama, maka besar kecilnya arus asut semata-mata hanya dipengaruhi oleh besarnya impedansi. Dikarenakan impedansi total motor B lebih kecil daripada motor A, dengan demikian arus asut motor B akan lebih besar daripada motor A. 7. Kesimpulan

Eksekusi dari M-file tersebut di atas akan menghasilkan besaran-besaran motor dalam bentuk parameter motor induksi dan arus asut yang ditunjukkan pada Tabel 2. Tabel 2. Parameter dan arus asut motor induksi tiga fasa untuk 2 (dua) buah motor ------------------------------------------------------------------------------------Besaran Motor A Motor B ------------------------------------------------------------------------------------Tahanan stator (ohm) 0.2429 0.1055 Reaktansi bocor stator (ohm) 0.6706 0.2112 Tahanan rotor mengacu ke stator (ohm) 0.1511 0.0708 Reaktansi bocor rotor – 0.6706 0.3167 mengacu ke stator (ohm) Reaktansi magnetisasi (ohm) 14.0281 5.2474 Arus asut (A) 87.9063 223.3343 -------------------------------------------------------------------------------------

Dari parameter yang diperoleh berdasarkan hasil percobaan (percobaan tanpa beban, percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC), dengan demikian dapat digambarkan rangkaian ekivalen untuk masing-masing motor seperti tampak pada gbr. 5 dan gbr. 6.

Penentuan parameter motor perlu dilakukan agar dapat diketahui karakteristik torka-kecepatan dan besarnya arus asut. Untuk motor induksi 7,5 hp memiliki parameter = 0,2429 Ω , = 0,6706 Ω , = 0,1511 Ω , = 0,6706 Ω , = 14,0281 Ω , dan = 87,9063 . Sedangkan untuk motor 25 hp memiliki parameter = 0,1055 Ω , = 0,2112 Ω , = 0,0708 Ω , = 0,3167 Ω , = 5,2474 Ω , dan = 223,3343 . Motor berkapasitas besar akan memiliki arus asut yang lebih besar dibandingkan motor berkapasitas kecil. Sistem pengasutan untuk motor 7,5 hp dapat berupa pengasutan langsung, namun lebih baik jika digunakan pengasut bintang-segitiga. Sedangkan untuk motor 25 hp dapat menggunakan pengasut ototransformator. Nilai tahanan stator ( ) yang diperoleh dari hasil percobaan DC tidaklah begitu akurat karena mengabaikan efek kulit yang terjadi apabila tegangan AC dihubungkan ke belitan. Namun pendekatan dengan metode ini sudah dianggap cukup memadai. Metode dengan hasil akurat yang mengikutsertakan koreksi terhadap temperatur dan efek kulit dapat merujuk pada IEEE Standard 112.

Gambar 5. Rangkaian ekivalen motor A (7,5 hp)

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

44

Referensi

Biografi

[1] Biran, A., M. Breiner. MATLAB 6 for Engineers. Prentice Hall, Great Britain, 2002.

Yandri lahir di Singkawang pada tanggal 29 Maret 1969. Gelar S1 diperoleh dari Universitas Tanjungpura (UNTAN), Pontianak, pada tahun 1994. Sedangkan Gelar S2 diperoleh dari Institut Teknologi Bandung (ITB) pada tahun 2005. Sejak tahun 1999 hingga sekarang menjadi staf pengajar pada Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, UNTAN, Pontianak. Bidang riset yang diminati mencakup Mesin-Mesin Listrik dan Pembangkit Listrik Non Konvensional.

[2] Chomat, M. Electric Machines and Drives. InTech Publisher, Croatia, 2011. [3] Hanselman, D., B. Littlefield, Alih Bahasa: Jozep Edyanto. MATLAB-Bahasa Komputasi Teknis. Penerbit ANDI, Yogyakarta, 2000. [4] Nagrath, I.J., D.P. Kothari. Electric Machines. McGrawHill, New Delhi, 1999. [5] Petruzella, F.D, Alih Bahasa : Sumanto. Elektronik Industri. Penerbit ANDI, Yogyakarta, 2001. [6] Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems. John Wiley and Sons, Inc., New Jersey, 2011. [7] Wildi, T. Electrical Machines, Drives, and Power Systems, Sixth Edition, Prentice Hall, New Jersey, 2006.

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

45

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011