JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
1
Proteksi Motor Menggunakan Rele Thermal dengan Mempertimbangkan Metode Starting Lesita Dewi Rizki Wardani, Dedet C. Riawan, Dimas Anton Asfani Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected] Abstrak — Makalah ini membahas fenomena starting motor berkapasitas besar pada sistem distribusi tegangan rendah. Terdapat dua motor induksi berkapasitas besar yang dilengkapi dengan reduced–voltage solid-state (RVSS) untuk metode startnya atau biasa disebut soft start. Penggunaan RVSS menyebabkan proses start yang lama sehingga proteksi thermal motor bekerja. Untuk menyelesaikan masalah ini, analisa starting motor menggunakan metode direct on line (DOL) juga akan dilakukan. Metode starting DOL banyak digunakan pada industri namun pada prakteknya start motor dengan metode DOL memiliki lonjakan arus. Oleh karena itu dalam makalah ini, dua jenis metode starting akan dianalisa, yaitu metode DOL dan soft starter. Analisis yang dilakukan pada kedua metode starting adalah melihat karakteristik motor, beban, arus, dan kapasitas thermal. Dari hasil analisa tersebut diharapkan dapat ditentukan metode yang paling baik dan cocok diantara kedua metode. Kata kunci - Arus starting, Motor induksi tiga fasa, Starting motor, Temperatur.
I. PENDAHULUAN induksi adalah salah satu jenis motor yang M otor paling banyak digunakan di dunia industri.
Kelebihan dari penggunaan motor induksi adalah konstruksi sangat kuat dan sederhana, harga relatif murah, keandalan tinggi, pengaturan kecepatan mudah, dan mudah starting motor. Selama starting, motor akan menyerap arus sebesar enam sampai tujuh kali besar arus full-load. Fenomena starting tersebut menimbulkan drop tegangan pada bus yang menyebabkan beberapa masalah, seperti trip oleh rele pengaman yang tidak diharapkan. Untuk mencegah hal tersebut, digunakan metode starting untuk menurunkan arus start. Terdapat beberapa metode starting motor induksi yang akan dibahas pada makalah ini, yaitu Direct on Line (DOL) dan Soft Starter (RVSS). Berdasarkan uraian diatas, maka diperlukan sebuah penelitian pada metode starting direct on line (DOL) dan soft starter (RVSS). Penelitian difokuskan pada perubahan suhu akibat proses starting. Perubahan suhu terlihat saat proses starting yang diakibatkan oleh arus start yang terjadi pada kedua metode. Pada penelitian ini dilakukan pengujian pada sebuah motor induksi berkapasitas 0.27 KW yang akan dioperasikan menggunakan metode DOL maupun RVSS. Pengujian ini membutuhkan beberapa peralatan seperti,
motor induksi, papan trainer, oscilloscope, tang ampere, tachometer, dan rangkaian sensor suhu. II. STARTING MOTOR INDUKSI A. Motor Induksi Motor induksi adalah alat listrik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Konstruksi motor induksi secara detail terdiri atas dua bagian, yaitu: bagian stator dan bagian rotor. Gambar 1 menunjukkan sebuah konstruksi motor. Bagian stator adalah bagian motor yang diam, terdiri dari badan motor, inti stator, belitan stator, bearing dan terminal box. Bagian rotor adalah bagian motor yang berputar, terdiri atas rotor sangkar, poros rotor. Berikut adalah rumus mengitung daya input motor induksi : P 3UI cos (1) dengan: P : Daya input (Watt) U : Tegangan (Volt) I : Arus (Ampere) Cos : Faktor kerja Selanjutnya akan dibahas tentang prinsip motor induksi tiga phasa.
Gambar 1 Konstruksi motor
Ketika tegangan phasa U masuk ke belitan stator menjadikan kutub S (south=selatan), garis-garis gaya magnet mengalir melalui stator, sedangkan dua kutub lainnya adalah N (north=utara) untuk phasa V dan phasa W. Kompas akan saling tarik menarik dengan kutub S. Berikutnya kutub S pindah ke phasa V, kompas berputar 1200, dilanjutkan kutub S pindah ke phasa W, sehingga pada belitan stator timbul medan magnet putar. Buktinya
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
2
kompas akan memutar lagi menjadi 2400. Dalam motor induksi kompas digantikan oleh rotor sangkar yang akan berputar pada porosnya. Karena ada perbedaan putaran antara medan putar stator dengan putaran rotor, maka disebut motor induksi tidak serempak atau motor asinkron. Kecepatan medan putar stator sering disebut kecepatan sinkron, tidak dapat diamati dengan alat ukur tetapi dapat dihitung secara teoritis besarnya: ns
fx120 p
ns nr slip x100% ns
dengan: Ns F Nr Slip
(2) (3)
Gambar 2 Pengawatan dan karakteristik arus fungsi putaran motor induksi pengasutan DOL
: kecepatan sinkron medan stator (rpm) : frekuensi (Hz) : kecepatan poros rotor (rpm) : selisih kecepatan stator dan rotor
B. Pengasutan Motor Induksi Pengasutan motor induksi adalah cara menjalankan pertama kali motor, tujuannya agar arus starting kecil dan drop tegangan masih dalam batas toleransi. Ada beberapa cara teknik pengasutan, diantaranya : 1. Hubungan langsung (Direct On Line = DOL) 2. Tahanan depan stator (Primary Resistor) 3. Transformator 4. Segitiga-Bintang (Star-Delta) 5. Pengasutan soft starting 6. Tahanan rotor lilit Dalam makalah ini hanya membahas tentang direct on line dan soft starter yang diuraikan pada sub-bab berikutnya. B. Pengasutan Hubungan Langsung (DOL) Pengasutan hubungan langsung atau dikenal dengan istilah Direct On Line (DOL). Jala-jala tegangan rendah 380 V melalui pemutus rangkaian atau kontaktor Q1 langsung terhubung dengan motor induksi. Saat pemutus rangkaian/kontaktor di ON kan motor induksi akan menarik arus starting antara 5 sampai 6 kali arus nominal motor. Arus starting yang besar akan menyebabkan drop tegangan disisi suplai. Gambar 2 menunjukkan rangkaian pengawatan dan karakteristik arus motor induksi pengasutan DOL. C. Pengasutan Soft starting Pengasutan Soft starting menggunakan komponen solid-state, yaitu enam buah thyristor yang terhubung anti paralel seperti yang ditunjukkan pada gambar 3. Saat saklar Q1 di ON kan tegangan akan dipotong gelombang sinusoidanya oleh enam buah thyristor yang dikendalikan oleh rangkaian trigger. Dengan mengatur sudut penyalaan trigger Thyristor dan mengatur tegangan ke belitan stator motor. Namun pengasutan soft starting pada makalah ini tidak menggunakan komponen solid-state seperti yang di
Gambar 3 Pengawatan dan karakteristik arus pengasutan Soft Starting
jelaskan sebelumnya. Pada makalah ini soft starter menggunakan RVSS (Reduced Voltage Solid State) yang tujuan pemakaiannya hampir sama dengan soft starter menggunakan thyristor yaitu arus start yang tidak terlalu tinggi. Prinsip RVSS adalah dengan menurunkan tegangan sistem sehingga arus starting yang dihasilkan tidak terlalu tinggi besarnya tiga kali arus nominalnya sampai motor mencapai putaran mendekati 85%. Arus starting yang rendah berakibat pada waktu steady state putaran motor yang relatif lama sehingga berpengaruh pada panas yang dihasilkan motor. Dari kedua metode start yang telah diuraikan sebelumnya terdapat proteksi yang digunakan. Dalam makalah ini yang difokuskan pada batas termal untuk mengetahui akumulasi panas pada motor. D. Thermal Motor Panas adalah salah satu kendala utama motor. Kapasitas termal motor sangat penting pada saat starting motor. Dimisalkan motor adalah sebuah wadah untuk menyimpan kapasitas termal, wadah tersebut diisi oleh arus overload yang secara bertahap akan memenuhinya. Panas berkurang ketika arus berada di bawah FLA motor dan berjalan normal, jika melebihi kapasitas termal akan menyebabkan kerusakan pada motor [2]. Secara umum, proteksi relay overload pada time current curve (TCC) harus selalu ditetapkan sedikit lebih rendah (lebih cepat) dari kurva batas termal yang disediakan oleh sebuah perusahaan manufaktur. Ini akan memastikan bahwa motor akan trip sebelum batas termal
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
tercapai. Namun, dalam beberapa kasus, waktu start dapat melebihi batas termal yang diijinkan [2]. E. Proteksi Motor Induksi Sistem pengaman pada motor induksi merupakan salah satu sarana penelitian yang dapat digunakan untuk pengembangan pengetahuan mengenai peralatan kelistrikan dan elektronika yang mempunyai cakupan cukup luas. Di mana cakupan yang dimaksud penulis adalah sistem pengaman pada motor-motor listrik dan peralatan yang digunakan. Sebuah relay pengaman harus tahan dan mampu dalam mengalirkan dan memutuskan arus dalam keadaan kerja normal. Arus kerja normal adalah arus yang mengalir selama pemutusan tidak terjadi. Relay adalah suatu peralatan listrik yang berfungsi untuk melindungi, mumutuskan atau menghubungkan satu rangkaian listrik dengan rangkaian listrik lainnya, yang bekerja secara otomatis dan dapat dipakai sebagai kontrol jarak jauh. Pada makalah ini dibahas proteksi motor dari segi overcurrent dan overheat menggunakan metode Direct On Line dan Soft Start (RVSS). F. Proteksi Motor Induksi Metode Direct On Line Metode starting DOL untuk makalah ini difokuskan pada proteksi arus lebih dan proteksi rele termal. Metode DOL seperti yang dijelaskan pada subbab B bahwa motor menghasilkan arus starting yang sangat tinggi antara lima hingga tujuh kali arus nominal, sehingga menyebabkan rele arus lebih bekerja. Meskipun menghasilkan arus starting yang tinggi tetapi hanya membutuhkan waktu yang relatif sangat cepat. Waktu start yang sangat cepat itulah tidak membuat kumparan motor terlalu panas sehingga proteksi termal tidak trip. Berbeda dengan metode soft start, yang akan dijelaskan subbab berikutnya. G. Proteksi Motor Induksi Metode Soft Start Untuk metode soft start (RVSS) yaitu penurunan tegangan nominal yang menyebabkan arus start yang relatif kecil dibandingkan dengan metode DOL. Arus yang kecil ini membuat rele arus lebih tidak bekerja. Karena arus dan tegangan yang tidak sesuai dengan rating maka waktu yang dicapai untuk steady state lebih lama dibandingkan metode DOL. Waktu steady state yang lama ini membuat proteksi termal bekerja karena menghasilkan suhu yang tinggi. Gambar 4 menunjukkan kurva motor starting, termal motor, dan rele termal. III. METODE PENGAMBILAN DATA Metode pengambilan data merupakan langkah awal untuk melakukan percobaan. Langkah awal yang harus dilakukan adalah menyiapkan peralatan untuk pengambilan data, di antaranya adalah (gambar 5): 1. Motor induksi 3 phasa 2. Papan trainer percobaan di laboratorium 3. Tachometer
3
4. 5. 6.
Motor braking Oscilloscope digital Rangkaian sensor suhu
A. Direct On Line Tidak Berbeban Untuk mengetahui arus starting, kecepatan, dan suhu pada metode DOL dibutuhkan oscilloscope dan beberapa peralatan lainnya yang ditunjukkan seperti pada gambar 6. Gambar 7 menunjukkan CH1 adalah channel untuk melihat temperature. CH2 adalah channel untuk melihat arus dan CH3 adalah channel untuk melihat kecepatan menggunakan tachometer manual yang dikopel dengan motor.
Gambar 4 Kurva motor starting dengan termal motor dan rele termal
Gambar 5 Tampilan percobaan
L 1L 2L 3
1 1 Sumber
L L 1 2L 3
Kontaktor
Tachometer Motor Sensor Suhu
PROBE OSCILLOSCOPE +
NTC 1K
220 Ohm
1K
Sav e 1K
Run/St op
1K PROBE OSCILLOSCOPE -
Oscilloscope Gambar 6 Instalasi pengambilan data metode dol tanpa beban
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
CH1 CH2 CH3
Gambar 7 Oscilloscope
Pemutar Untuk Mengatur Nilai Tegangan
Gambar 8 Reduced voltage solid state (RVSS)
B. Direct On Line Berbeban Instalasi dan cara pengambilan data metode DOL berbeban intinya sama dengan metode DOL tanpa beban, yang membedakan adalah terdapat beban yang dikopel dengan motor. Beban dapat diatur torsinya sesuai dengan torsi nominal motor tersebut, pengaturan torsi diatur melalui panel torsi. C. Soft Start Tanpa Beban Instalasi soft start tidak memerlukan sumber dari panel karena keluaran motor ke kontaktor disambungkan langsung ke sumber yang terdapat pada RVSS. Langkah pertama yang perlu dilakukan adalah menurunkan nilai tegangan dari tegangan nominalnya dengan cara memutar pemutar pada RVSS sampai menunjukkan angka tegangan yang ditetapkan. Gambar 8 menunjukkan RVSS yang digunakan.
4
Suhu ( oC ) 40 39 38 37 36 35 34 33 32
Tabel 1. Sensor Suhu
Tegangan ( Volt ) 0.607 0.617 0.638 0.656 0.677 0.717 0.733 0.753 0.776
B. Pengujian Keseluruhan Peralatan Pada pengujian keseluruhan peralatan ini yang dilakukan adalah dengan melakukan percobaan yang telah dijelaskan pada bab tiga metode pengambilan data. Hasil dari percobaan kedua metode akan dijelaskan subbab selanjutnya. C. Direct On Line Tanpa Beban Hasil percobaan tanpa beban dengan metode DOL ditunjukkan oleh gambar 9. Dalam waktu t=1.5 detik, diperoleh data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 3.62 A - Perubahan temperatur 0.30C Dari data yang didapat diketahui bahwa perubahan temperature yang dihasilkan metode DOL tanpa beban sedikit mengalami perubahan. Arus starting dan waktu steady state yang cepat adalah alasan mengapa perubahan temperaturnya relatif kecil.
D. Soft Start Berbeban Metode soft start berbeban secara instalasi sama dengan soft start tanpa beban, hanya berbeda pada beban motor. Beban diatur torsinya sesuai dengan torsi nominal motor tersebut, pengaturan torsi diatur melalui panel torsi. IV. PERHITUNGAN DAN ANALISA DATA Pada bab ini dilakukan pengujian, pengujian tersebut meliputi: 1. Pengujian rangkaian sensor suhu. 2. Pengujian kinerja motor induksi. A. Pengujian Rangkaian Sensor Suhu Sensor suhu dibuat menggunakan teori pembagi tegangan jembatan wheatstone agar tegangan keluaran menjadi lebih stabil. Penambahan kapasitor sebagai filter ripple yang muncul. Pengujian dilakukan menggunakan media air mendidih yang dilihat dari penurunan suhu. Dari penurunan suhu ini bisa dilihat perubahan tegangan yang dihasilkan dari rangkaian sensor suhu. Pada Tabel 1 didapatkan data sebagai berikut:
Gambar 9 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode DOL saat tanpa beban
D. Direct On Line Berbeban Dari hasil percobaan (gambar 10), dengan waktu t=8 detik, didapatkan data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 3.62 A - Perubahan temperatur 10C Dari data yang didapat diketahui bahwa perubahan temperatur yang dihasilkan metode DOL berbeban mengalami lebih banyak perubahan dibandingkan dengan DOL tanpa beban. Arus starting dan waktu steady state yang lebih lama adalah alasan mengapa perubahan temperaturnya relatif lebih besar.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
5
tanpa beban mengalami lebih banyak perubahan dibandingkan dengan DOL tanpa beban, karena pada percobaan ini dilakukan dengan range waktu lebih lama.
Gambar 10 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode DOL saat berbeban
F. Soft Start Berbeban (Penurunan Tegangan 25%) Gambar 12 menunjukkan hasil percobaan soft start saat berbeban, dalam waktu t=8.3 detik didapatkan data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 3 A - Perubahan temperatur 1.20C Perubahan temperatur ini sangat terlihat karena terdapat beban yang membuat waktu steady state lebih lama. G. Soft Start Berbeban (Penurunan Tegangan 30%) Metode RVSS dengan menurunkan tegangan 30% dari tegangan nominal akan dijelaskan dengan perhitungan praktis: 30 x 220 66Volt 100
220 66 154Volt
Gambar 11 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode soft start saat tanpa beban
Penurunan tegangan 30% serta diberi beban menyebabkan waktu steady state lebih lama dan tidak terbaca di oscilloscope. Tampak perubahan temperatur yang dihasilkan mengalami jauh lebih banyak perubahan. Karena terbatasnya oscilloscope, gelombang tidak bisa terbaca sampai steady state sehingga data yang diambil dua macam, gelombang pertama menunjukkan start (gambar 13) dan saat steady state (gambar 14).
Gambar 12 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode soft start berbeban
E. Soft Start Tanpa Beban Gambar 11 menunjukkan hasil percobaan soft start saat tanpa beban, dengan waktu t=8 detik didapatkan data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 3.62 A - Perubahan temperatur 0.50C
Gambar 13 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode soft start berbeban (penurunan tegangan 30%) saat starting
Metode RVSS menurunkan tegangan 25% dari tegangan nominal akan dijelaskan dengan perhitungan praktis: 25 x 220 55Volt 100 220 55 165
Hasil percobaan menunjukkan bahwa perubahan temperatur yang dihasilkan dengan metode soft start
Gambar 14 Gelombang arus, temperatur, dan kecepatan dengan metode soft start berbeban (penurunan tegangan 30%) saat steady state
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2013) 1-6
6
Tabel 2 Hasil percobaan Keterangan
DOL Tanpa Beban
DOL Berbeban
Soft Start Tanpa Beban (V=25%)
Soft Start Berbeban (V=25%)
Soft Start Berbeban (V=30%)
Soft Start Berbeban (V=35%)
Waktu (s)
1.5
8
8
8.3
64
91
3.62
3.62
3.62
3
1
1
0.3
1
0.5
1.2
1.5
2.2
Arus Starting(A) 0
Perubahan Suhu ( C)
Dalam waktu t=64 detik, didapatkan data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 1 A - Perubahan temperatur 1.50C H. Soft Start Berbeban (Penurunan Tegangan 35%) Metode RVSS dengan menurunkan tegangan 35% dari tegangan nominal akan dijelaskan dengan perhitungan praktis: 35 x 220 77Volt 100
nominalnya. Tabel 2 menunjukkan hasil percobaan secara keseluruhan. V. KESIMPULAN 1. Kenaikan temperatur motor terjadi saat starting awal dan dipengaruhi oleh metode starting 2. Metode starting RVSS menghasilkan temperatur lebih tinggi meskipun arus starting kecil tetapi waktu steady state yang diperlukan lebih lama. 3. Pengukuran temperatur motor dapat dijadikan parameter dalam penentuan kapasitas rele thermal.
220 77 143Volt
Pada penurunan tegangan 35% ini sama seperti penurunan tegangan 30% dengan waktu steady state menjadi jauh lebih lama. Sehingga perubahan temperatur yang dihasilkan mengalami jauh lebih banyak perubahan (tabel 2). Dalam waktu t=91 detik, didapatkan data dari gelombang yang dihasilkan sebagai berikut: - Arus starting 1 A - Perubahan temperatur 2.20C Pada penurunan tegangan lebih dari 35% motor sudah tidak sanggup untuk starting karena tegangan terlalu kecil dibandingkan dengan tegangan rating
DAFTAR PUSTAKA [1] [2]
[3] [4] [5]
Aditya Bakti Priahutama, Perancangan Modul Soft Starting Motor Induksi 3 Fasa dengan Atmega 8535, Skripsi S-1, Teknik Elektro, Universitas Diponegoro, Semarang, 2010. Robert Hoerauf, ― Unexpected Changes To Motor Protection,‖IEEE Industry Applications Magazine, vol. 21, Nov।Dec 2012. Koes Indrakoesoema, Pengaruh Pada Arus Motor Pompa Pendingin Primer Rsg-Gas, Pusat Reaktor Serba Guna – BATAN, PUSPIPTEK Serpong, Tangerang, 2011. IEEE Guide for AC Motor Protection, IEEE Standard C37.962000. Muhammad H Rashid, Elektronika Daya, Rangkaian, Devais dan Aplikasinya, Jilid 1, Edisi Bahasa Indonesia, Power Electronics, Second Edition, PT Prenhallindo, Jakarta, 1993.
