STUDI PENGARUH PERUBAHAN TEGANGAN INPUT TERHADAP KAPASITAS ANGKAT MOTOR HOISTING ( Aplikasi pada Workshop PT. Inalum ) Makruf Abdul Hamid,Panusur S M L Tobing Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail:
[email protected]
Abstrak Perusahaan industri banyak menggunakan motor induksi tiga fasa dalam proses produksinya. Salah satunya motor induksi dipakai sebagai hoisting/crane, dimana hoisting/crane ini difungsikan untuk mengangkat atau memindahkan suatu material maupun peralatan yang memiliki massa yang besar dari satu tempat ke tempat yang lain. Kinerja kerja sebuah motor induksi tiga fasa dipengaruhi oleh besar jatuh tegangan yang terdapat selama operasi. Jatuh tegangan input motor mempengaruhi kemampuan angkat hoisting/crane yang diakibatkan oleh Torsi pada motor yang beroperasi, hal ini juga akan mempengaruhi efisiensi dari motor itu sendiri.Paper ini membahas tentang analisis pengaruh besar perubahan tegangan input terhadap kemampuan angkat motor hoisting/crane. Dimana pengujiannya akan dilakukan di PT. Inalum. Dari percobaanyang dilakukan untuk mengangkat beban 1, 2 dan 3 ton dengan penurunan tegangan sebesar 14% dari tegangan nominal motor tidak mampu mengangkat beban tersebut.
Kata Kunci:Motor Induksi, Hoisting
alasan tersebut penulis mencoba melakukan studi tentang hal ini dengan memilih judul “Studi Pengaruh Perubahan Tegangan Input Terhadap Kemampuan Angka Motor Hoisting”.
1. Pendahuluan Motor induksi tiga fasa merupakan jenis motor yang paling banyak digunakan pada perindustrian, salah satunya PT. INALUM yang menggunakan motor induksi sebagai motor pengerak hoist/crane di gedung produksi, reparasi maupun gudang. Motor induksi dipilih karena harga yang lebih ekonomis serta perawatannya yang mudah. Namun motor induksi juga memiliki kelemahan dibidang efisiensi dan torsi yang disebabkan beberapa aspek termasuk besar tegangan jatuh sehingga mempengatuhi kemampuan angkat hoist/crane. Selama motor induksi bekerja, akan terdapat jatuh tegangan yang akan dapat mempengaruhi kinerja kerja sebuah motor induksi. Jatuh tegangan tersebut akan mempengaruhi torsi motor yang dihasil sehingga sedikit banyak akan berdampak pada kemampuan angkat Hoist. Untuk itu perlu dilakukan Analisis besar pengaruh perubahan tegangan input terhadap kemampuan motor induksi tiga fasa yang difungsikan sebagai hoist/crane untuk mengangkat beban.Karena
2. Motor Induksi Motor induksi ialah mesin listrik yang mampu merubah energi listrik menjadi energi gerak berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik yang terdiri dari bagian stator dan rotor dimana diantara keduanya memiliki selisih yang disebut slip. Motor induksi memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak.Mesin induksi adalah mesin AC yang paling banyak digunakan dalam industri dengan skala besar maupun kecil dan juga pada rumah tangga.hal ini dikarenakan karakteristik mesin induksi hampir sesuai dengan kebutuhan dunia industri, pada
-68-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 2/Agustus 2014
dasarnya berkaitan dengan harga, kesempurnaan, pemeliharaan dan kestabilan kecepatan. Mesin induksi (asinkron) ini pada umumnya hanya memiliki satu suplai tenaga yang mengeksitasi belitan stator. Lebih dari 90 % motor AC yang beroperasi diindustri adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa. Motor induksi banyak difungsikan sebagai penggerak seperti pumpa, lift, hoisting, dll. Kontruksi motor induksi ditunjukan pada Gambar 1.
Gambar 1. Konstruksi Motor Induksi 3 Phasa (a) Rotor (b) stator [1]
a. Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik. Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron.Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator. Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor yang diam. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s).Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktor-konduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini sesuai dengan hukum gaya lorentz yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka -69-
konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik [2]. Prinsip kerja motor induksi tiga fasa dapat diurutkan sebagai beikut [2]: 1. Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120 f/P 2. Medan stator tersebut akan mmemotong batang konduktor pada motor 3. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi 4. Karena batang konduktor merupakan rangkaian yang tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I) 5. Adanya arus (I) didalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor 6. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel pada beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator 7. GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan stator. GGL induksi timbul, karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan medan putar rotor (nr). b. Torsi dan Arus Motor induksi Kemampuan motor untuk menggerakkan beban ditentukan oleh besarnya torsi yang mampu dihasilkan. Rumus torsi umum diperlihatkan oleh Persamaan 1:[3] = ∙ ∙ cos .......................(1) Torsi yang dihasilkanmotor induksi pada keadaan operasi start (mula)akan lebih besar daripada keadaan operasi normal, walaupun hanya dalam waktu sesaat. Torsi keadaan operasi start (mula) ditunjukan dengan Persamaan 2 : =(
∙( )
) ∙ ( )
∙(
=
) ∙
.......................(2)
Sedangkan untuk keadaan operasi runningtorsi akan dipengaruhi oleh slip dengan Persamaan 3 : =(
∙ ∙( ) ∙ ) ( ∙ )
........................(3)
Selain itu torsi motor induksi juga dapat di peroleh dari Persamaan 4:[4]
Te=
.
=
.
(
–
)
......(4)
c. Perubahan Tegangan input motor induksi Tegangan input merupakan salah satu komponen terpenting dalam pengoperasian motor induksi. Pada umumnya tegangan input yang copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 2/Agustus 2014
dibutuhkan disediakan oleh penyedia tenaga listrik. Dalam penyediaan tenaga listrik ada beberapa standard yang harus dipenuhi untuk menentukan kualitas tegangan pelayanan. Pada dasarnya ada 3 hal yang perlu dijaga kualitasnya antar lain: 1. Frekuensi (50Hz) 2. Tegangan (220/380V, ± 5%-10%) 3. Kontinuitas Pada kenyataannya tegangan listrik hanya dihasilkan oleh penyedia tenaga listrik bukanlah tegangan yang berkualitas baik.Tegangan listrik ini seringkali disalurkan kepada konsumen dengan sedikit kelemahan. Salah satu kelemahan tersebut ialah adanya rugi tegangan pada saluran sehingga tegangan yang diterima ditempat yang paling jauh dengan sumber tenaga akan lebih kecil dari tegangan nominal. Rugi tegangan pada saluran atau yang sering disebut jatuh tegangan (Vd) dapat dinyatakan dengan persamaan 5: [4] Voltage drop = Vs – Vr..................(5) Apabila tegangan yang lebih kecil dari nominalnya ini menjadi tegangan input motor induksi maka akan mempengaruhi kemampuan motor tersebut. d. Pengaruh Perubahan tegangan Terhadap kemampuan Angkat Crane/Hoist
Input Motor
Pada penerapannya, motor induksi seperti di PT Inalum digunakan untuk pengerak kipas, pompa,hoist/crane, dan lain sebagainya. Motor hoist/crane adalah motor induksi yang difungsikan untuk mengangkat dan memindahkan beban dari satu tempat ke tempat yang lain. Jika dalam pengoperasian motor hoist/crane terjadi perubahan tegangan input maka performa motor induksi akan terpengaruhi sehingga mempengaruhi kemampuan angkat motor hoist/crane. Dengan asumsi tersebut penulis melakukan pengujian perubahan tegangan input terhadap kemampuan angkat motor Hoist/crane.
3.
Pengujian
Pada pengujian ini motorhoist/crane yang digunakan adalah motor induksi dengan tipe rotor sangkar tupai, 7,7 kW, 380 V, 50 Hz, 15 A, 1450 RPM, merek Meidensha.
-70-
Untuk memperoleh data-data pengaruh perubahan tegangan input terhadap kemampuan anagkat motor hoist/cranedilakukan beberapa percobaan. Percobaan yang dilakukan meliputi percobaan DC dan percobaan motor hoist/craneberbeban 1, 2 dan 3 ton dengan tegangan nominal, percobaan motor hoist/crane berbeban 1,2 dan 3 ton dengan tegangan berubahubah dengan rangkaian percobaan masing-masing. Dari percobaan DC yang dilakukan diperoleh data-data seperti yang terlihat pada Tabel 1. Tabel 1.Data hasil percobaan DC Vdc
Idc
5,991
0,496
Untuk percobaan motor hoist/crane beban 1,2 dan 3 ton dengan tegangan nominal diperoleh data seperti yang terlihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data hasil percobaan motor hoist/crane berbeban 1, 2 dan 3 ton dengan tegangan nominal Teg. Arus Daya Beban Input(V) (A) (W) 1 Ton
379,6
6,8
3420
2 Ton
379,6
7,3
4680
3 Ton
379,6
9,3
5850
Pada percobaan motor hoist/crane berbeban 1 ton dengan tegangan berubah-ubah diperoleh datadata seperti terlihat pada Tabel 3. Tabel 3. Data hasil percobaan motor hoist/crane berbeban 1 ton dengan tegangan berubah-ubah % drop Teg. Beban Arus Daya voltage Input(V) (A) terangkat (W) 2%
372,4
9,2
3310
Ok
4%
364,8
8,6
2990
Ok
6%
357,2
8,4
2780
Ok
8%
349,6
8,2
2580
Ok
10%
342
8,0
2380
Ok
12%
334,4
7,6
2190
Ok
14%
326,8
62
12000
tidak
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 2/Agustus 2014
R1 = 1,2 x
Untuk percobaan berbeban 2 ton dengan tegangan berubah-ubah diperoleh hasil seperti pada Tabel 4. Tabel 4. Data hasil percobaan motor hoist/craneberbeban 2 ton dengan tegangan berubah-ubah % drop Teg. Beban Arus Daya voltage Input(V) (A) terangkat (W) 2%
372,4
9,8
3180
Ok
4%
364,8
9,6
2960
Ok
6%
357,2
9,5
2700
Ok
8%
349,6
9,3
2460
Ok
10%
342
9,1
2390
Ok
12%
334,4
9,1
2260
Ok
14%
326,8
65,5
12700
tidak
= 1,2 x
, ,
= 7,24 Ω Pada perhitungan Kapasitas angkat sebuah motor hoist/crane dapat dilihat besar torsi yang dihasilkan pada saat mengangkat beban. Dengan perhitungan sebagai berikut : =
9.55
=
.
(
=
.
[(
.
[(
=
–
)
–
]
.
.
]
= 22,30 Nm Untuk percobaan motor hoist/crane berbeban 3 ton dengan tegangan berubah-ubah diperoleh hasil seperti pada Tabel 5. Tabel 5. Data hasil percobaan motor hoist/craneberbeban 3 ton dengan tegangan berubah-ubah % drop Teg. Beban Arus Daya voltage Input(V) (A) terangkat (W)
4.
2%
372,4
11,4
3240
Ok
4%
364,8
11
2880
Ok
6%
357,2
10,9
2680
Ok
8%
349,6
10,9
2450
Ok
10%
342
10,8
2360
Ok
12%
334,4
10,7
2130
Ok
14%
326,8
66,4
12600
tidak
Analisis dan Perhitungan
Berdasarkan data yang diperoleh dari pengujian maka dapat dilakukan Analisis dan perhitungan tahanan motor, perubahan tegangan input terhadap kemampuan angkat motor hoisting dan factor daya motor.
Berdasarkan perhitungan diatas diperoleh data pengaruh perubahan tegangan terhadap kemampuan angkat motor hoist/crane seperti pada Tabel 6. Tabel 6. Data hasil pengaruh perubahan tegangan terhadap kemampuan angkat motor hoist/crane
Keterangan : OK : Hoist/crane dapat mengangkat beban Tidak : Hoist/crane tidak dapat mengangkat beban Dari Tabel 6 dapat dianalisis bahwa penurunan tegangan sebesar 14 % dari tegangan nominal maka motor tidak mampu mengangkat beban. Grafik Hubungan jatuh tegangan terhadap torsi motor dapat dilihat pada Gambar 5.
Pada analisis percobaan DCdiperoleh nilai R1sebesar 7,24Ω.
-71-
copyright @ DTE FT USU
SINGUDA ENSIKOM
VOL. 8 NO. 2/Agustus 2014
5.
Gambar 5. Grafik Perubahan tegangan input terhadap Torsi Berdasarkan dari hasil percobaan yang dilakukan diperoleh juga data faktor daya motor sebagai mana yang ditunjukkan pada Tabel 7. Tabel 7. Data hasil pengaruh perubahan tegangan terhadap faktor daya
Berdasarkan hasil percobaan dan Analisis yang teah dilakukan, maka dapat diambil kesimpulan : 1. Dengan terjadinya perubahan tegangan pada input maka kapasitas angkat dari hoist crane berkurang namun masih bisa mengangkat beban yang dipasang sampai dengan nilai turunnya tegangan input sebesar 12%, dapat dilihat pada tabel hasil Analisis data dan kurva hasil Analisis data, hal ini terjadi karena daya input yang dihasilkan hoist/crane juga menurun seiring turunnya tegangan input, namun pada keadaan tegangan turun sebesar 14% hoist/crane mengalami overload akibat tegangan yang diberikan tidak cukup kuat untuk mengangkat beban yang dipasang. 2. Dengan terjadinya jatuh tegangan pada input, maka faktor daya dari hoist/crane menurun, dapat dilihat pada tabel hasil Analisis data dan kurva Analisis data, hal ini disebabkan karena menurunnya daya input yang dihasilkan.
6.
Dari data Tabel 7 dapat dianalisis bahwa semakin besar penurunan tegangan maka semakin kecil pun faktor daya motor induksi. Hubungan jatuh tegangan terhadap faktor daya dapat dilihat pada Gambar 6.
Kesimpulan
Daftar Pustaka
[1] Http://en.wikipedia.org/wiki/Stator [2] Zuhal, “Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya”, Edisi ke-5, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995. [3] Wijaya, Mochtar,”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Penerbit Djambatan, Jakarta ,2001. [4] Chapman, Stephen J, “Electric Machinery Fundamentals”,Third Edition, McGraw Hill Companies, New York, 1999. [5] Siswoyo, ”Teknik Listrik Industri”, Jilid Kedua, Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Jakarta, 2008.
Gambar 6. Grafik Perubahan tegangan input terhadap faktor daya
-72-
copyright @ DTE FT USU
