ANALISA KETIDAKSEIMBANGAN FASA TERHADAP KEMAMPUAN KERJA (DERATING) MOTOR INDUKSI Umar Wirahadi Kusuma Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia
[email protected] Abstrak - Kemampuan kerja (derating) motor induksi berdasarkan standar internasional NEMA (National Electrical Manufacturers Association) dapat di hitung melalui ketidak seimbangan fasa nya. Pada studi kasus ini, kemampuan keraja motor karena ketidak seimbangan fasa berdasarkan NEMA dibandingkan dengan hasil perhitungan bersarkan data pengukuran. Kata kunci - Tegangan tidak seimbang, derating, komponen simetris Abstract - Based on standard of NEMA (National Electrical Manufacturers Association), the derating of induction motor due to voltage unbalance can be calculated. In this case study the derating of induction motor is compared to calculation based on measurement. Keyword – Voltage unbalance, derating, symmetric component 1. PENDAHULUAN A. LatarBelakangMasalah Motor induksi sangat banyak digunakan di dunia industri karena konstruksinya yang sederhana, perawatan yang mudah dan karakteristik operasi yang bagus. Pada umum nya motor-motor induksi tersebut digunakan untuk penggerak pompa dan kipas pendingin. Motor induksi yang paling banyak digunakan adalah motor induksi tiga
fasa. Motor ini di rancang dengan asumsi sumber tegangan yang seimbang. Sumber tegangan dari transmisi pada umum nya cukup seimbang, baik dari magnitude maupun sudut nya. Ketidakseimbangan fasa terjadi pada utilisasi, hal ini bisa dikarenakangangguan-gangguan asimetris dalam sistem tenaga, distribusi beban yang tidak seimbang, transmisi yang tidak sempurna, transformator yang kurang baik dan lain sebagainya. Ketidakseimbangan fasa adalah perbedaan magnitude atau pun sudut masing-masing fasa pada sistem kelistrikan tiga fasa. Faktor ketidakseimbangan fasa dinyatakan dengan rasio perbandingan antara fasa urutan negatif terhadap fasa urutan positf yang dinyatakan dalam persen. Sudah banyak studi yang membuktikan bahwa ketidak seimbangan fasa tidak baik terhadap motor. Ketidakseimbangan fasa bisa menyebabkan panas, merusak isolasi, menimbulkan getaran berlebih pada motor dan mengurangi usia motor. Untuk menjaga agar umur motor induksi yang beroperasi pada tegangan yang tidak seimbang tidak berkurang dengan cepat maka beban operasi motor tersebut perlu dikurangi dari kapasitas semula, atau yang biasa di sebut derating.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
B. TujuanPenulisan 1. Menganalisa kemampuan kemampuan operasional motor induksi akibat ketidak seimbangan fasa 2. Membandingkan hasil perhitungan kemampuan operasional motor karena tegangan tak seimbang dengan standar NEMA C. PerumusanMasalah Dalam Analisa ketidakseimbangan fasa terahadap kemampuan kerja motor induksi akan dibahas tentang hal-hal sebagai berikut: 1. Definisi motor induksi 2. Komponen simetris untuk menganalisa ketidak seimbangan suatu sistem kelistrikan. 3. Derating motor induksi D. PembatasanMasalah 1. Data yang di analisa adalah data hasil pengukuran terhadap empat buah motor induksi3 fasa dengan sepesifikasi masing-masing tegangan dan daya nya adalah:motor pertama 460 V, 100 kW. Motor kedua 4000 V, 750 kW. Motor ketiga4000 V, 2537 kW. Motor keempat 4000 V, 3350 kW. 2. Pembanding hasil analisa menggunakan standar internasional NEMA (National Electrical Manufacturers Associationi) 3. Analisa data dibatasi pada derating yang diakibatkan oleh ketidakseimbangan fasa. E. MetodePenulisan 1. Menganalisa data pengukuran terhadap beberapa motor induksi
2. Hasil analisa dibandingkan dengan kurva derating NEMA MG1 3. Perhitungan dilakukan secara manual berdasarkan teori-teori pada literatur 4. Kesimpulan dibuat berdasarkan hasil analisa di atas. F. SistematikaPenulisan Bab pertama merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang masalah, tujuan, rumusan masalah, batasan masalah, metodologi penulisan dan sistematika penulisan. Bab kedua merupakan landasan teori dari motor induksi, yang berisi penjelasan secara garis besar tentang motor listriklistrik dan dikhususkan pada motor induksi tiga fasa. Bab ketiga menjelaskan tentang prinsip-prinsip dasar analisa, terutama mengenai komponen simetris. Selanjut nya bab keempat berisi analisa dari kasus yang ada. Bab kelima merupakan bab terakhir yang berisi kesimpulan dari analisa data. 2. KETIDAKSEIMBANGAN FASA MOTOR INDUKSI Sistem tiga fasa yang tidak seimbang ini dapat diuraikan menjadi tiga buahkomponen simetris untuk memudahkan analisis, yaitu: 1. Komponen urutan positif (positive sequence), yang fasorya sama besar danmempunyai beda fasa 120°, serta urutan fasanya sama dengan urutan fasaaslinya. 2. Komponen urutan negative (negative sequence), yang sama seperti urutanpositif, hanya urutan fasanya berlawanan dengan urutan fasa aslinya. 3. Komponen urutan nol (zero sequence) yang fasomya sama
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
besar dan denganpergeseran fasa nol antara fasor yang satu dengan yang lain. Notasi yang digunakan untuk komponen urutan tersebut biasanya diberikan subskrip 1, 2 dan 0 pada komponen arus dan tegangannva. Jadi, komponen urutan positif dari tegangan Va, Vb dan Vc adalah Val, Vb1 dan Vcl; komponen urutan negatifnya Va2, Vb2 dan Vc2; serta komponen umtan nolnya Vao, Vbo dan Vco.
dapat
dituliskan
Berikut gambar fasor komponen simetris tegangan:
dari
Gambar 2.1 Komponen simetris dari sistem 3 fasa yang tidak seimbang
=
Sehingga, hubungan antara komponen-komponen simetrisnya dan tegangan sistemnya dapat dituliskan sebagai berikut: =
(
+
=
(
+
=
(
+
)
+
)
+
)
+
Persamaan-persamaan tegangan tersebut berlaku juga pada persamaan untuk arusnya yang dinyatakan sebagai berikut: = = =
arus netralnya menjadi: = + +
+
+ + +
+
=
(
+
=
(
+
=
(
+
A. Ketidak seimbangan pada motor induksi Kinerja motor dipengaruhi oleh kualitas daya yang masuk,yang ditentukan oleh tegangan dan frekuensi aktual dibandingkan dengan nilai dasar. Fluktuasi dalam tegangan dan frekuensi yang lebih besar daripada nilai yang diterima memiliki dampak yang merugikan pada kinerja motor. . . 1. Tegangan urutan positif pada motor induksi Beirikut ini adalah rangkaian ekivalen urutan positif pada motor induksi pada saat motor mendapat tegangan tak seimbang.
)
+ +
+
) )
Arus netral yang mengalir adalah jumlah arus yang mengalir pada tiap fasanya. Jadi, persamaan
Gambar 2.2 Rangkaian ekivalen urutan positif motor induksi
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
Dimana: V1 = Tegangan urutan positif Rs = Tahanan stator jXs = Reaktansi stator jXm = Reaktansi magnet jXr = Reaktansi rotor Rr = Tahanan rotor s = slip
Dimana: V2 = Tegangan urutan negatif Rs = Tahanan stator jXs = Reaktansi stator jXm =Reaktansi magnet jXr = Reaktansi rotor Rr = Tahanan rotor s = slip =
Berdasarkan rangkaian equivalen di atas maka di dapat impedansi urutan positif dengan persamaan berikut: ( =
+
)
+ ( )
+
+ (
+
)
Tegangan urutan positif dapat dihitung berdasarkan komponen simetris dengan menggunakan persamaan berikut: (
=
+
)
+
Dengan didapatnya tegangan urutan positif dan impedansi urutan negatif maka arus urutan positif bisa dihitung menggunakan persamaan berikut:
+
(
)
+
+ (
+
)
Tegangan urutan negatif dapat dihitung berdasarkan komponen simetris dengan menggunakan persamaan berikut: =
(
+
+
)
Dengan didapatnya tegangan urutan positif dan impedansi urutan negatif maka arus urutan positif bisa dihitung menggunakan persamaan berikut: = 3.
= Tegangan urutan negatif pada motor induksi Beirikut ini adalah rangkaian ekivalen urutan negatif pada motor induksi pada saat motor mendapat tegangan tak seimbang.
2.
R1
jX1
Faktor tegangan tidak seimbang (VUF) Faktor tegangan tidak seimbang (Voltage unbalance factor:VUF) adalah perbandingan tegangan urutan negatif terhadap tegangan urutan positif yang dinyatakan dalam persen, sesuai dengan persamaan berikut:
jX2
= V2
)
( +
jXm
Gambar 2.3 Rangkaian ekivalen urutan negatif motor induksi
R2/(2-s)
×
%
Arus tidak seimbang Dengan menggunakan komponen simetris maka arus urutan positif dan arus urutan negatif dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut: 4.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
=
(
+
=
(
+
+ +
) )
5.
Faktor arus tidak seimbang (CUF) Faktor arus tidak seimbang (Current unbalance factor:CUF) adalah perbandingan arus urutan negatif terhadap tegangan urutan positif yang dinyatakan dalam persen, sesuai dengan persamaan berikut: =
×
0%
B. Derating Factor Untuk mencegah motor terlalu panas karena tegangan tidak seimbang pada saat dioperasikan, motor induksi harus di operasikan di bawah daya rated nya. Ini biasa di sebut motor induksi derating. Faktor derating motor induksi akibat tegangan tidak seimbang adalah rasio antara daya yang di hitung terhadap daya rated nya. Berdasarkan petunjuk NEMA, mengoperasikan motor induksi dengan besar tegangan tidak seimbang diatas 5% tidak direkomendasikan. Tegangan tidak seimbang membuat motor menjadi lebih panas. Menurut standar NEMA, pada saat tegangan tidak seimbang mencapai 5%, maka suhu akan naik lebih cepat. Untuk mentoleransi panas yang diakibatkan oleh tegangan tidak seimbang maka standar NEMA menyarankan untuk menurunkan beban motor induksi. Bedasarkan hasil berbagai test dari NEMA terhadap motor induksi maka didapat hubungan ketidakseimbangan terhadap faktor derating sesuai dengna kurva berikut:
Gambar 2.4 Kurva derating NEMA MG1 3. ANALISA DATA KETIDAKSEIMBANGAN FASA DARI DATA HASIL PENGUKURAN Berikut ini adalah data spesifikasi motor induksi yang di dapat dari name plate motor. Tabel 3-1Data motor-motor induksi yang di ukur berdasarkan nameplate
Tabel berikut merupakan hasil pengukuran pada masing-masing motor. Data pengukuran adalah tegangan, arus, faktor ketidakseimbangan tengangan, dan faktor ketidakseimbangan arus.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
Tabel 3-2 Ketidakseimbangan tegangan dan arus pada motor berdasarkan hasil pengukuran
Derating 1.00
0.95
0.90
0.85
0.80 1
Tabel berikut merupakan hasil perhitungan arus nol pada masingmasing motor. Tabel 3-3 Arus nol pada masingmasing motor
Dari data tegangan dan arus yang ada, maka bisa dihitung faktor ketidakseimbangan arus dan tegangan dengan menggunakan metoda komponen simetris. Tabel 3-4 Perbandingan antara pengukuran dan perhitungan
Tabel 3-5 Derating motor
2
3
4
Gambar 3.1 Derating motor dengan kurva NEMA Keterangan Merah: KM7401B Kuning: KM6802B Biru: KM6801A Hijau: GM7201E Standar NEMA berlaku untuk semua motor dan tidak tergantung pada kapasitas daya motor.
4. KESIMPULAN 1. Ketidakseimbangan arus dan tegangan pada motor bisa berasal pasokan daya atau pun dari motor itu sendiri. Oleh sebab itu, sebelum melakukan pengukuran pastikan terlebih dahulu kondisi awal pasokan daya 2. Besarnya penyimpangan persentase tegangan (VUF) menunjukkan peresentase penurunan kemampuan kerja motor (Tabel 4-1).
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
5
VUF
Tabel 4-1 Derating daya motor akibat ketidakseimbangan fasa.
DAFTARPUSTAKA [1] Utomo, Agus R., Mesin Sinkron, Diktat Kuliah Teknik Tenaga Listrik, Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia. [2] Wildi, Theodore. Electrical Machines, Drives, and Power System Third Edition, New Jersey: Prentice-Hall International, Inc., 1997. [3] Bab II Motor Induksi Tiga Fasa http://repository.usu.ac.id/bitstr eam/123456789/20004/3/Chapt er%20II.pdfdiakses pada tanggal 13Juni 2012 [4] Motor Induksi Tiga Fasa http://student.eepisits.edu/~shy/MESIN%20MI%2 03PHASA.ppt diakses pada tanggal 13Juni 2012 [5] Zuhal. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Jakarta: PT. Gramedia Pustaka Utama, 1995. [7] K.S., Sandhu., Vineet Chaudhary. MATLAB & PSIM Based Analysis of Three- Phase Induction Motor Operation with Unbalanced Supply System.
[8]
Davis, M.W., R. Broadwater, J. Hambrick. (2007). Modeling and Testing of Unbalanced Loading and Voltage Regulation. National Renewable Energy Laboratory. Colorado: National Renewable Energy Laboratory [9] Krishna K.V. Vamsi,. Effects of unbalance voltage on induction motor current and its operation performance. Bangalore: Lecon Systems [10] ANSARI, A A., D M DESHPANDE.(2009). INVESTIGATION OF PERFORMANCE OF 3PHASE ASNCHRONOUS MACHINE UNDER VOLTAGE UNBALANCE. India: Journal of Theoretical and Applied Information Technology.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
