RANCANGAN BANGUN PENGUBAH SATU FASA KE TIGA FASA DENGAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

 

RANCANGAN BANGUN PENGUBAH SATU FASA KE TIGA FASA DENGAN   MOTOR INDUKSI TIGA FASA  

Sofian Yahya, Toto Tohir Jurusan Teknik Elektro, Program Studi Teknik Listrik, Politeknik Negeri Bandung e-mail: [email protected] dan [email protected]  

ABSTRAK Listrik  merupakan bentuk energi yang paling cocok dan nyaman bagi manusia modern. Tanpa listrik infrastruktur masyarakat sekarang tidak akan menyenangkan. Makin bertambahnya konsumsi listrik per kapita di   seluruh dunia menunjukkan kenaikan standar kehidupan manusia. Pemanfaatan secara optimum bentuk energi ini oleh masyarakat dapat dibantu dengan sistem distribusi yang efektif. Pada umumnya penggunaan peralatan listrik di rumah tangga sangat dominan dengan menggunakan sumber listrik satu fasa, sementara   penggunaan listrik tiga fasa hanya ada dilingkungan industri. Untuk mengatasi masalah tersebut maka penulis mencoba merancang dan membuat suatu konverter fasa yang berfungsi mengubah sistem kelistrikan satu fasa ke sistem kelistrikan tiga fasa dengan pemanfaatan motor listrik induksi tiga fasa. Kontribusi dari hasil   penelitian ini diharapkan dapat membantu masyarakat pedesaan yang belum terjangkau sumber listrik tiga fasa yang memungkinkan masyarakat untuk mengembangkan industri di wilayahnya (home industry). Dari hasil   pengujian alat yang dirancang telah sesuai dengan deskripsi kerja yang diharapkan, semua komponen telah berfungsi dengan baik, berdasarkan data-data yang diperoleh diantaranya tegangan output dari fasa ke fasa   RS, VST, VTR) yang dihasilkan dari alat pengubah fasa ini mempunyai rata-rata tegangan yang relatif konstan (V 220 volt, faktor daya yang cukup tinggi 0,9, dan gelombang tegangan yang dihasilkan gelombang sinusoida, tegangan output dari fasa ke fasa cenderung relatif stabil dan temperatur yang terukur pada alat ini sebesar 270 C pada saat uji beban. Kata kunci: konverter fasa, sumber satu fasa, sumber tiga fasa, motor induksi memanfaatkan motor induksi tiga fasa, dimana poros induksi motor tidak dihubungkan ke beban. Prinsip umum phase converter adalah “Bagian yang berputar dari sebuah rotary phase converter adalah motor induksi tiga fasa (motor standar) yang disebut idler motor. Disebut idler motor karena tidak ada beban mekanik yang terhubung pada porosnya” seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1[5] [6]. Pada pengubah fasa dengan prinsip phase converter, motor akan dihubungkan dengan sumber satu fasa, hal ini akan mengakibatkan motor tidak akan langsung berputar, untuk mengatasi hal tersebut maka motor pada saat diasut harus dibantu untuk bisa berputar. Salah satu alternatifnya adalah dengan menghubungkan kapasitor jalan (run capasitor) yang dihubungkan secara seri dengan kumparan bantu karena motor akan berputar sebagai motor dua fasa. Metode yang digunakan adalah dengan menghubungkan kapasitor ”jalan” dengan tujuan untuk meningkatkan faktor daya , torsi, dan efisiensi, serta menyeimbangkan tegangan dan arus dalam jala-jala tiga fasa.

1.

PENDAHULUAN Hampir semua industri, baik industri besar ataupun home industry yang menggunakan peralatan listrik tiga fasa, membutuhkan sumber daya tiga fasa. Namun tidak semua industri atau pengguna listrik bisa memiliki sumber daya tiga fasa. Salah satu alasannya adalah biaya pemasangan sumber daya tiga fasa yang cukup mahal dan membutuhkan waktu pemasangan yang cukup lama. Sehingga penggunaan pengubah fasa dari sumber daya satu fasa ke tiga fasa sangat diperlukan apabila pengguna listrik tidak memiliki sumber tiga fasa. Salah satu alternatif yang bisa dilakukan untuk mengatasi hal itu adalah dengan menggunakan suatu alat yang bisa mengubah fasa dari sumber satu fasa menjadi tiga fasa atau dapat menghasilkan keluaran tiga fasa, dan sistem ini disebut dengan Phase Converter [1] [2] [3]. Dengan latar belakang tersebut penulis mencoba merancang, membuat dan melakukan pengujian terhadap alat tersebut dengan tujuan: - untuk memahami bagaimana merancang dan membangun Phase Converter yang akan mengubah listrik satu fasa (220 V AC) menjadi tiga fasa (220 V AC dengan bantuan motor induksi tiga fasa. - untuk kinerja dari sistem Phase Converter. - untuk mengetahui spesifikasi komponen Phase Converter yang dibuat.

3 2

Keluaran 3 Fasa

1

T3

Kapasitor Start

U1 V1 W1

Sumber L2 1 Fasa L1

2.

PHASE CONVERTER Phase Converter merupakan pengubah fasa dari sumber daya satu fasa ke tiga fasa dengan

T2 U2 V2 W2

MCB 1 Fasa

T1 Kapasitor "jalan"

"IDLER" MOTOR

Sakelar

Gambar 1. Dasar perancangan phase converter

 

D-11

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

 

Alternatif lain yang lebih sederhana, yaitu dengan menghilangkan start circuit dan kapasitor   “jalan” antara penghantar 2 dan 3, yang kemudian dinamakan dengan self starting phase converter.   model perancangannnya adalah seperti yang ditunjukkan gambar 2.

 

2.2 Penentuan Nilai Kapasitor Pemasangan kapasitor pada rangkaian yang menggunakan motor induksi haruslah mengacu pada name plate atau spesifikasi motor induksi tersebut. Penentuan kapasitansi kapasitor yang diperlukan untuk rangkaian pengubah fasa dapat mengacu pada persamaan berikut:

3 2

 

Keluaran 3 Fasa

Xc =

1

 

T3 L2

U2 V2 W2

Kapasitor "jalan"

 

MCB 1 Fasa

T1 "IDLER" MOTOR

Gambar 2. Rangkaian self starting phase converter

 

2.1 Prinsif Kerja Mengubah Satu Fasa ke Tiga   Fasa Phase converter menggunakan sumber satu fasa yang terdiri dari 2 penghantar dan menghasilkan tiga fasa dengan pergeseran fasa sebesar 1200. Masing-masing dari keluaran tegangan tiga fasa akan digeser 120O listrik. Jika converter diukur, tegangan keluaran yang dihasilkan akan dalam kondisi seimbang untuk semua jenis beban yang terhubung. Vektor diagram dari sistem pengubah fasa ditunjukkan gambar 3. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa vektor Va sama dengan penjumlahan vektor dari Vc dan Ic Xc. Secara berurutan vektor Vc ditetapkan oleh perbedaan vektor antara Va dan Ic Xc. Vc membentuk sudut 120O dengan horizontal dibawah kondisi seimbang dan seharusnya mempunyai jarak yang sama dengan Va, kemudian membentukvektor Ic Xc menjadi 30O dari horisontal sehingga berakhir pada Va. Ini berarti bahwa Ic 60O dari horisontal karena Ic Xc tegak lurus terhadap Ic. Kebanyakan dari motor induksi beroperasi dengan sudut faktor daya lebih besar dari 60O ketika sedang jalan, oleh karena itu keseimbangan yang tepat tidak dapat secara normal dicapai dengan converter sederhana ini. Namun sebagai catatan bahwa dalam sistem rotating pada motor disarankan untuk tidak dibebani ketika faktor daya mendekati nilai 0,5. Hal ini memungkinkan sistem untuk mencapai sumber yang seimbang. Vc Vc

Ic

1 2.π . f . Xc

PERANCANGAN DAN REALISASI Tujuan dari perancangan adalah untuk merencanakan dan merancang alat yang akan dibuat agar sesuai dengan spesifikasi sistem yang dikehendaki sehingga dalam proses pembuatannya dapat mengefisiensikan waktu, biaya, dan tenaga. Untuk mewujudkan hasil perancangan kedalam bentuk alat maka perlu dibuat aliran proses perancangan dan realisasinya yang ditunjukkan Gambar 4. Beberapa komponen utama yang dibutuhkan dalam pembuatan phase converter adalah sebagai berikut: capasitor dan motor induksi dengan spesifikasi teknik:

T2

L1

C =

3.

U1 V1 W1

  Sumber 1 Fasa

1 1 = ω.C 2.π . f .C

Daya motor (P) Kecepatan (Nr) Tegangan (∆/Y) Arus (∆/Y) Frekuensi (f) Faktor daya (cos ϕ ) Kutub

: : : : : : :

1 kW 2830 rpm 220 V/380 V 4,7/2,7 A 50 Hz 0,76 2

Ic Xc

Va

Vb

Gambar 3. Vektor diagram kapasitor converter

 

Gambar 4. Diagram alir perancangan dan realisasi D-12

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

 

pengujian berikutnya dapat menghasilkan interval data yang lebih banyak sehingga lebih akurat dalam penganalisaan. Data hasil pengujian kapasitansi diperlihatkan Tabel 2.

3.1 Pengujian Alat Pengujian yang dilakukan terdiri dari   pengujian tanpa beban dan berbeban. Tujuan pengujian ini adalah untuk menentukan kinerja dan   batas kemampuan dari sistem phase converter yang dibuat.

 

- Pengujian tanpa beban   phase converter tanpa beban yang Pengujian dilakukan terdiri dari pengujian dengan motor dihubung bintang (Y) yang ditunjukkan Gambar 5   dan motor dengan dihubung delta (∆) yang ditunjukkan Gambar 6.  

Gelombang V-W

Motor Induksi 3 Fasa

  L

U1

A

Saklar

Watt 1 Fasa

Sumber 1 Fasa 220 VAC

Gelombang U–V

 

1

C1-3

V

N

C2-3

  V

0

Cstarting

W1 V1

Gelombang U–W

L1 L 2 L 3 Keluaran 3 Fasa

Gambar 7. Gelombang tegangan output phase converter keadaan tanpa beban

Gambar 5. Rangkaian phase converter dengan motor hubung bintang

Tabel 2. Data pengujian kapasitansi

Motor Induksi 3 Fasa L Sumber 1 Fasa 220 VAC

No.

U1

A V

C1-3

1

( µ F)

0

Cstarting

W1

N

V L1 L 2 L 3 Keluaran 3 Fasa

Gambar 6. Rangkaian phase converter dengan hubung delta Hasil pengujian phase converter tanpa beban diperlihatkan Tabel 1 dan gambar gelombang output yang dihasilkan ditunjukkan Gambar 7. C Vs (µ F) (volt) 10 12 14,41 25

220 220 220 220

U-V 220,6 220,9 217,5 210,5

VL-L ( volt ) V-W 211 216,5 209,5 213,7

∆V (Volt) U-W 220,7 220,5 220,2 220,5

6,47 2,93 7,13 6,67

3.2 Pengujian Kapasitansi Kapasitor Pengujian phase converter tanpa beban, beberapa percobaan dilakukan untuk memperoleh nilai kapasitansi yang paling cocok sebagai kapasitor pengubah fasa. Dimana tujuan dari percobaan ini adalah untuk mengetahui nilai kapasitansi kapasitor yang tepat jika digunakan pada rangkaian ini, dapat menghasilkan arus input yang terkecil, daya input yang cukup besar, serta tegangan output yang relatif stabil dan mendekati nilai 220 V, agar pada

 

V

I

P

(v)

(A)

(W)

1

10

220

4,7

50

2 3 4 5 6 7 8

12 22,5 25 32,5 34,5 37 47,5

220 220 220 220 220 220 220

4,3 3,1 4,7 2,1 1,8 3,5 2,4

50 50 50 100 100 50 100

Output Tegangan Fasa ke Fasa U-V (v )

V-W (v)

U-W (v)

208 220 207 222 220 215 228

220 219 226 218 228 213,6 226

224 225 224 223 222 224,5 222

- Pengujian berbeban Tujuan pengujian phase converter berbeban adalah untuk mengetahui karakteristik dari alat ini. Rangkaian pengujian phase converter berbeban ditunjukkan Gambar 7 dimana ada beberapa hal yang penting untuk diperhatikan sebelum melakukan pengujian alat ataupun rangkaian tersebut, diantaranya periksa baik tidaknya semua alat ukur yang akan digunakan sebelum melakukan pengujian, hendaknya untuk tidak mengganti-ganti jenis alat ukur dengan tujuan untuk menghindari terdapatnya perbedaan data. Kosongkan muatan semua kapasitor yang akan digunakan sebelum melakukan pengujian dengan menggunakan tahanan geser. Data hasil pengujian phase converter berbeban diperlihatkan Tabel 3, Tabel 4, Tabel 5 dan Tabel 6.

Tabel 1. Data pengujian tanpa beban

1 2 3 4

Input

V1 C2-3

No.

C

Saklar

Watt 1 Fasa

D-13

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

  Motor Induksi 3 Fasa

 

L

 

Saklar

Watt 1 Fasa

Sumber 1 Fasa 220 VAC

700 Input

U1

A V

C1-3

1

N

P

0

Cstarting

W1

1

V1

 

(W) 760

C2-3

L1 L 2 L 3

φ

570 0,98 lagging P

Cos ϕ

3φ

50

1350 Output

3

f

Nr

Torsi

27 T O

(Hz) (rpm) (Nm) ( C) ( pf ) (W) 650 0,975 lagging 50 1340 3,5 27

Osciloscop Watt 3 Fasa

X

Y

 

900 1040

Cos 3 Fasa

 

IT f

V

No. Torsi (Nm)

 

U1 V1 W1 Beban Motor Induksi 3 Fasa Hubung Delta

 

1 2 3 4 5 6 7 8 9

U2 V2 W2

  Gambar 8. Rangkaian phase converter berbeban   Tabel 3. Data hasil pengujian phase converter berbeban (tegangan output) No.

Input I

V (volt) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

220 220 220 220 220 220 220 220 220

1φ

P 1

Output VST

VRS

φ

( A ) (Watt) 2,5 210 2,8 380 3 440 3,2 510 3,5 595 3,8 700 4,18 760 4,8 900 5,3 1040

50 50

1300 1260

4 4,5

31 32

Tabel 6. Data hasil perhitungan cos ϕ dan efisiensi

IS IR

780 0,97 lagging 900 0,96 lagging

VTR

(volt) (volt)

(volt)

220,1 220 219,5 220,1 221,5 218 217,8 217,3 217,7

216,7 213,5 211,7 211 210,8 204,9 202,8 199,2 196,6

220,3 219,3 218,3 219,5 219,5 215,6 214,5 212,2 211,2

0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

Input P 1φ

(W) 210 380 440 510 595 700 760 900 1040

Output Cos ϕ P 3φ

(W) 43 200 300 400 450 570 650 780 900

0,13 0,515 0,69 0,78 0,78 0,836 0,85 0,857 0,854

Efisiensi (%)

20,47 52,63 68,18 78,43 75,63 81,43 85,53 86,67 86,54

Gambar 9 menunjukkan gelombang output tegangan hasil pengujian phase converter berbeban.

Tabel 4. Data hasil pengujian phase converter berbeban (arus output) No.

Input I

V (volt) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

220 220 220 220 220 220 220 220 220

1φ

IR

Output IS IT

(A)

(A) (A)

0,85 1,1 1,2 1,5 1,7 2 2,3 2,8 3,25

0,8 1 1,15 1,3 1,5 1,8 2,05 2,42 2,8

P 1

φ

( A ) (Watt) 2,5 210 2,8 380 3 440 3,2 510 3,5 595 3,8 700 4,18 760 4,8 900 5,3 1040

Gambar 9. Gelombang output tegangan phase converter berbeban

0,9 1 1,1 1,3 1,4 1,75 1,9 2,3 2,7

4.

ANALISA HASIL PENGUJIAN Data hasil pengujian phase converter tanpa beban yang ditunjukkan Tabel 1 dengan motor dihubung delta (∆), ∆ V rata-rata yang dihasilkan relatif kecil dan stabil. Sehingga tegangan antar fasa yang dihasilkan relatif seimbang dan mendekati nilai tegangan 220 volt. Berdasarkan data grafik yang ditunjukkan Gambar 7, dapat dilihat bahwa gelombang keluaran tiga fasa yang dihasilkan sudah mendekati gelombang penuh sinusoida. Namun pada gelombang keluaran terminal V-W sedikit kurang sempurna dikarenakan berdasarkan hasil percobaan yang ditunjukkan dibandingkan dengan ∆ V pada terminal U-V dan U-W. Gambar 10 menunjukkan nilai perubahan kapasitansi terhadap arus input.

Tabel 5. Data hasil pengujian phase converter brbeban (f, Nr, Torsi dan temperatur) Input P 1

φ

(Watt) 210 380

 

Output P

Cos ϕ

3φ

f

Nr

Torsi

T O

( pf ) (Hz) (rpm) (Nm) ( C) (W) 43 0,985 lagging 50 1425 0,5 27 200 0,985 lagging 50 1400 1 27

440

300 0,985 lagging

50

1400

1,5

27

510

400 0,985 lagging

50

595

450 0,985 lagging

50

1380

2

27

1375

2,5

27

D-14

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

 

Dari data hasil pengujian yang dilakukan, pada prinsipnya alat yang dirancang telah sesuai dengan deskripsi kerja dan semua komponen telah berfungsi sesuai dengan fungsinya. Berdasarkan data-data yang diperoleh beberapa tujuan telah dicapai, diantaranya tegangan output dari fasa ke fasa (VRS, VST, VTR) yang dihasilkan dari alat pengubah fasa mempunyai ratarata tegangan yang relatif seimbang, faktor daya yang tinggi, dan gelombang tegangan yang telah mendekati sinusoida. Berdasarkan data hasil pengujian kapasitansi pada table 2, dapat diambil kesimpulan bahwa kapasitansi kapasitor pengubah fasa mempengaruhi arus dan daya input rangkaian pengubah fasa. Semakin besar kapasitansi kapasitor, maka cenderung akan membuat arus input semakin kecil (berbanding terbalik), tetapi berbanding lurus dengan daya input, dimana daya input cenderung semakin besar. Sedangkan untuk tegangan output dari fasa ke fasa cenderung relatif seimbang. Nilai cos ϕ berdasarkan hasil perhitungan Tabel 6 berbeda dengan hasil pengukuran. Hasil perhitungan, nilai cos ϕ naik berbanding lurus dengan dinaikannya nilai torsi. Perhitungan cos ϕ ditentukan oleh variabel daya, tegangan, dan arus. Sehingga ketidakpresisian salah satu variabel tersebut, baik dari segi alat ukur ataupun dari segi pembacaan dapat menyebabkan hasil data yang berbeda. Foto dokumen phase converter diperlihatkan Gambar 14 dan 15.

Grafik I = f ( C )

 

Arus Input ( A )

5

 

4 3 I 2 1 0

 12

10

22.5

25

32.5

34.5

37

47.5

Kapasitansi ( mikroFarad )

Gambar 10.  Kurva karakteristik I = f (C) tanpa beban

 

Nilai kapasitansi pada kapasitor pengubah fasa mempengaruhi arus dan daya input. Semakin   besar nilai kapasitansi kapasitor, maka arus input cenderung semakin kecil.   Gambar 11, 12 dan 13 menunjukkan karakteristik perubahan torsi terhadap tegangan   keluaran, kecepatan motor dan efisiensi. Saat beban ditambah, yang menyebabkan kenaikan pada torsi,   daya yang dihasilkan pun bertambah (berbanding lurus), sedangkan kecepatan rotor turun (berbanding terbalik). Berdasarkan data hasil pengukuran dan foto pada osciloscop, tegangan keluaran antar fasa yang dihasilkan relatif seimbang. Efisiensi yang diperoleh dari beban motor (output) pada saat arus nominal 4,7 A adalah sebesar 86,67 % yang merupakan efisiensi maksimum. V=f(T) Tegangan Keluaran (volt)

230 220 VRS

210

VST

200

VTR

190 180 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Torsi ( Nm )

Kecepatan Rotor (rpm)

Gambar 11. Karakteristik V = f (T) berbeban 1450 1400 1350 1300 1250 1200 1150 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Torsi ( Nm )

Gambar 12. Karakteristik Nr = f (T) berbeban Gambar 14. phase converter Efisiensi = f ( T )

Efisiensi ( % )

100 80 60

Efisiensi

40 20 0 0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

Torsi ( Nm )

Gambar 13. Karakteristik η = f (T) berbeban

 

Gambar 14. Pengujian phase converter

D-15

  Seminar Nasional TEKNOIN 2007 Yogyakarta, 10 Nopember 2007

ISBN: 978-979-96964-5-8

  PUSTAKA [1] Christopherson, Rick, Phase Converters, http://www.phaseperfect.com. [2] Hanrahan, Jim, Building a Phase Converter, http://www.metalwebnews.com. [3] Kay Industries, Phasemaster Rotary Phase Converter, http://www.phaseperfect.com. [4] Knight, Stephen Alfred, Electrical and Electronics Principle 3, Butterworth & Co, London, 1988. [5] Meiners, Larry, Dr. Ph.D, Conversion Technology Overview, http://www.phaseperfect.com . [6] Nasar, SA, Electromechanics and Electric Machines, John Wiley & Sons, Singapore, 1983. [7] Sen, PC, Principles of Electrical Machines and Power Electronics, John Wiley & Sons, USA, 1997.

5.

KESIMPULAN   Berdasarkan hasil pengujian maka dapat disimpulkan bahwa phase converter yang dibuat   tersebut telah direalisasikan dan berhasil sebagai alat pengubah fasa dari sumber 1 fasa menjadi 3 fasa.   Dari hasil pengujian dan pengukuran didapat nilai kapasitansi kapasitor yang paling baik sebagai   kapasitor pengubah fasa. untuk motor induksi dengan spesifikasi daya 1 kW, tegangan 220 volt (delta), dan arus 4,7 Amp adalah 34,5 µF dan   berdasarkan hasil percobaan trial and error, dan 32,54 µF berdasarkan hasil perhitungan sehingga   hasil pengujian mendekati hasil perhitungan.

     

 

D-16