perbandingan karakteristik motor induksi belitan

Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
PERBANDINGAN KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI
BELITAN GELUNG DENGAN BELITAN SPIRAL
Muhammad Sarjan
Dosen Jurusan Teknik Elektro Universitas Tadulako
Email: [email protected]
AbstractIn studying the behaviour of a
motor selected to drive industrial
equipment, the main problem being faced
is to determine whether the characteristic
of the motor suits the requirements
imposed by the driven unit. Different
kinds of machines and mechanisms as well
as electrical motor exhibit different
characteristics.
The aim of this research is to compare the
characteristic of induction motor using
loop winding and concentric winding. The
parametersobserved are current, voltage,
power factor, torque and speed.
The experiment was conducted in the
laboratory of Electrical Engineering
Department of Tadulako University and
the result of this study indicated that
characteristic of the loop winding
induction motor is better than that of the
consentric winding.
Keyword: induction motor,speed, torque,
characteristic.
I.
PENDAHULUAN
Dalam suatu masyarakat industri
modern, diperlukan berbagai motor listrik
penggerak mesin-mesin dengan berbagai
karakteristik. Terdapat kemungkinan bahwa
mesin-mesin produksi dalam industri tersebut
mensyaratkan motor listrik penggerak
dengan tingkat kebisingan yang rendah dan
sesuai dengan kondisi lingkungan yang ada
di industri bersangkutan. Tetapi terdapat pula
industri yang membutuhkan motor listrik
penggerak dengan konstruksi sederhana,
mudah dijalankan dan rendah biaya
perawatan serta karakteristik yang konstan
untuk berbagai kondisi pembebanan.
Untuk mempelajari prilaku dari suatu
motor yang akan digunakan untuk
menggerakkan mesin atau peralatan industri,
maka salah satu masalah yang harus
6
diperhitungkan adalah menentukan apakah
karakteristik torsi-kecepatan dari motor
tersebut sesuai dengan persyaratan yang
dibutuhkan oleh beban yang digerakkan.
Prilaku beban pada kondisi transient disaat
starting, pengereman, atau pengaturan
kecepatan sangat tergantung pada perubahan
karakteristik torsi kecepatan motor maupun
beban yang digerakkan.
Oleh sebab itu sangatlah penting untuk
mengetahui karakteristik motor maupun
beban yang digerakkan agar dapat memilih
motor penggerak dengan tepat sehingga
sistem penggerak tersebut menjadi lebih
ekonomis.
Terlepas
dari
pertimbangan
karakteristik listrik mesin pengerak ini, maka
terdapat tiga parameter mekanis yang sangat
dipertimbangkan oleh pengguna, yaitu;
kecepatan putaran, torsi yang dihasilkan dan
daya output mekanisnya. Besaran-besaran ini
relatif sulit ditentukan, sehingga terlebih
dahulu perlu meninjau kembali sejumlah
metode pengukuran yang umum digunakan
untuk mengetahui dan mempelajari besaranbesaran dimaksudkan.
Ditinjau dari jenis motor listrik yang
umum digunakan sebagai motor penggerak
mesin atau peralatan dalam industri, maka
motor induksi merupakan jenis motor listrik
yang sangat luas penggunaannya. Hal ini
disebabkan oleh karena jenis motor ini
mempunyai
kelebihan-kelebihan
dibandingkan dengan jenis motor listrik
lainnya, antara lain karena konstruksinya
sederhana, lebih reliabel dan yang lebih
penting lagi adalah harganya yang relatif
murah serta lebih ringan.
Terdapat dua jenis belitan stator motor
induksi, yaitu belitan gelung (ware winding)
dan belitan spiral/rantai (concentric winding).
Kedua jenis belitan ini juga akan menentukan
karakteristik listrik maupun karakteristik
mekanis motor induksi.
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
II.
TINJAUAN PUSTAKA
Motor induksi fasa tiga adalah jenis
motor yang paling umum dijumpai dan
digunakan di industri. Karena motor ini
mempunyai konstruksi sederhana, kuat,
harganya relatif murah dan mudah
pemeliharaannya (Wildi, 2000). Kecepatan
putarnya
konstan,
namun
karena
kecepatannya tergantung pada frekwensi
jaringan listrik, sehingga pengaturan
kecepatannya sulit dilaksanakan. Tetapi
penggunaan piranti elektronik yang sudah
semakin luas, sangat membantu untuk
pengaturan putaran motor induksi.
A.
Konstruksi dari batangan tembaga dan
cincin tembaga menyerupai sangkar,
sehingga dinamakan rotor sangkar. Untuk
motor-motor induksi ukuran kecil dan
menengah, batangan-batangan dan cincin
hubung singkat terbuat dari aluminium tuang,
yang dicetak sedemikian rupa sehingga
menjadi bagian yang menyatu.
Komponen-Komponen Utama
Motor induksi 3 phase mempunyai 2 (dua)
bagian utama :
a. Bagian yang tidak bergerak (stator)
b. Bagian yang bergerak (rotor).
Bagian stator dipisahkan dari bagian
rotor oleh celah udara dengan jarak antara
0,4mm sampai 4 mm, tergantung pada daya
motor bersangkutan (Hubert,1991).
Stator terdiri dari rangka baja yang
menyangga inti berongga berbentuk silindris,
inti ini dibuat dari laminasi-laminasi.
Sejumlah slot yang terdistribusi merata
terdapat pada lingkaran bagian dalam dari
inti, sebagai tempat belitan/kumparan stator.
Bagian rotor juga terbuat dari laminasilaminasi besi baja yang dipres satu dengan
lainnya serta dibuat alur-alur (slot) sebagai
tempat kumparan rotor. Ada 2 (dua) jenis
belitan yang digunakan untuk rotor motor
induksi (asinkron) : (a). Belitan 3 fasa
konvensional yang terbuat dari kawat
berisolasi (rotor belitan) dan (b) belitan
sangkar tupai (rotor sangkar).
Berdasarkan pada kedua jenis belitan
rotor ini, sehingga motor induksi dibagi
menjadi : motor induksi rotor sangkar dan
motor induksi rotor belitan.
1. Rotor sangkar
Rotor sangkar terbuat dari batanganbatangan tembaga telanjang, yang sedikit
lebih panjang dari rotor itu sendiri dan
dipress kedalam slot (alur) rotor. Kedua
ujung-ujung batang tembaga ini disolder
pada cincin tembaga, sehingga batangan
tembaga tersebut terhubung singkat.
Gambar 1. Rotor sangkar (squirrel cage)
2. Rotor belitan
Rotor belitan mempunyai belitan fasa
tiga, yang mirip dengan belitan stator.
Belitan-belitan ini terdistribusi secara
seragam pada alur-alur (slot) serta terhubung
bintang
(Y).
Terminal-terminalnya
disambungkan pada tiga cincin seret (slip
ring) yang ikut berputar dengan rotor. Cincin
seret ini serta sikat-sikat tetap (stationer)
memungkinkan dilakukan penyambungan
dengan tahanan luar (external resistor) secara
seri dengan belitan rotor. Tahanan luar ini
utamanya digunakan pada saat starting, dan
pada saat motor berputar normal ketiga sikatsikat dari slip ring dihubung singkat.
B. Prinsip Kerja Motor Induksi
Menurut Wildi (2000),terdapat 4
prinsip dasar yang menjelaskan bagaimana
medan magnet dimanfaatkan dalam mesinmesin listrik, baik untuk trnsformator,
generator maupun motor listrik, yaitu:
1. Suatu konduktor yang beraliran listrik
akan membangkitkan medan magnet
disekitar penghantar tersebut, yang
arahnya ditentukan menurut hukum
Ampere.
7
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
Gambar 2. Rotor Belitan (wound rotor)
2. Medan magnet yang berubah-ubah
terhadap waktu, jika melalui kawat belitan
akan menginduksi suatu tegangan pada
belitan tersebut. Hal ini sesuai dengan
hukum Faraday dan menjadi prinsip dasar
transformator.
3. Suatu konduktor beraliran listrik yang
berada di dalam medan magnet akan
mengalami suatu gaya. Hal ini dijelaskan
oleh Lorenz dan menjadi prinsip dasar
motor listrik.
4. Suatu kawat belitan yang bergerak
memotong garis gaya magnet, akan
menghasilkan
gaya
gerak
listrik
(GGL)induksi pada kawat belitan
tersebut. Demikian pula jika suatu garis
gaya magnet bergerak memotong kawat
belitan akan menginduksi gaya gerak
listrik (g.g.l) pada kawat belitan tersebut.
Hal ini dijelaskan oleh hukum Faraday
dan menjadi prinsip dasar generator
listrik.
Bird (1995) menjelaskan bahwa jika
belitan stator motor induksi dihubungkan ke
sumber tegangan 3 fasa, akan dibangkitkan
medan magnet putar. Pada saat fluks magnet
memotong batangan konduktor rotor (untuk
rotor sangkar) atau konduktor belitan rotor
(untuk rotor belitan), akan diinduksikan ggl
pada konduktor rotor tersebut. Karena
batangan konduktor rotor atau terminal slip
ring terhubung singkat, maka akan mengalir
arus rotor. Pengaliran arus ini disertai dengan
timbulnya fluks magnet disekitar konduktor
rotor, interaksi antara fluks medan magnet
putar dengan fluks yang dibangkitkan oleh
8
arus rotor akan menyebabkan gaya lorenz.
Gaya ini akan mendorong batangan atau
belitan rotor se arah dengan arah medan
magnet putar. Gaya yang sama bekerja pada
seluruh konduktor atau belitan rotor, yang
menyebabkan rotor berputar searah dengan
medan magnet putar.
Gaya yang dibangkitkan oleh batangan
rotor menyebabkan rotor berputar sesuai
dengan arah medan magnet putar. Dengan
meningkatnya kecepatan putaran rotor, maka
kecepatan pemotongan fluks magnet semakin
berkurang, ggl induksi rotor menurun dan
frekwensi arus rotor juga berkurang. Jika
rotor berputar pada kecepatan yang sama
dengan kecepatan medan magnet putar, tidak
terjadi pemotongan fluks magnet pada
konduktor rotor, tidak ada ggl induksi, tidak
ada pengaliran arus rotor serta tidak timbul
gaya pada konduktor rotor. Sehingga
kecepatan putaran rotor akan menurun. Hal
inilah yang menyebabkan rotor tidak pernah
mencapai kecepatan yang sama dengan
kecepatan medan magnet putar (kecepatan
sinkron).
Perbedaan kecepatan putaran rotor nr
dengan kecepatan sinkron ns disebut slip.
Sehingga:
Slip = ns – nr
(1)
Slip s biasanya dinyatakan dalam persen,
maka :
Slip s = ( ns – nr)/ ns x 100 %
(2)
Nilai slip antara motor tanpa beban dengan
motor dalam kondisi beban penuh sekitar 4 –
5 persen untuk motor induksi berukuran
kecil, sedangkan untuk motor berukuran
besar antara 1,5 – 2 persen.
Selanjutnya menurut Hubert (1991),
prinsip kerja motor induksi tiga fasa
didasarkan pada hukum Faraday dan gaya
Lorenz yang bekerja pada
konduktor,
dimana pada saat medan magnet putar B
menyapu
sepanjang
dan
memetong
konduktor akan terjadi hal-hal berikut :
1. Suatu tegangan E = B l v diinduksikan
pada setiap konduktor pada saat
dipotong oleh fluks magnet B (Hukum
Faraday).
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
2. Tegangan induksi ini diiringi oleh
pengaliran arus I, yang mengalir pada
konduktor yang terletak persis dibawah
permukaan kutub magnet ke arah
bawah, melalui batang hubung singkat
dan kembali ke konduktor lainnya
(kaidah tangan kiri Fleming).
3. Karena konduktor beraliran berada di
dalam medan magnet, maka akan
mengalami gaya mekanik (gaya
Lorenz).
4. Gaya-gaya ini selalu bekerja dalam arah
sedemikian
rupa
sehingga
mendorong/mengangkat konduktor yang
dilalui medan/fluks magnet.
Jika konduktor ini bebas bergerak,
maka akan bergerak ke arah kanan mengikuti
gerakan kutub magnet. Akan tetapi jika
kecepatan gerakan tersebut sama dengan
kecepatan medan/fluks magnet, maka
kecepatan pemotongan konduktor oleh fluks
magnet akan berkurang, akibatnya tegangan
yang diinduksikan E serta arus I yang
bangkitkan juga akan berkurang. Dengan
demikian gaya yang bekerja pada konduktor
tersebut juga akan berkurang. Jika kecepatan
gerakan konduktor menyamai kecepatan
gerakan fluks magnet, maka tegangan
induksi E dan arus I maupun gaya yang
bekerja pada konduktor akan menjadi nol.
Pada motor induksi rotor sangkar,
ujung-ujung tangga konduktor tersebut
disatukan dan dibentuk menjadi sebuah
silinder, sedangkan kutub magnet yang
bergerak digantikan dengan medan magnet
putar. Medan magnet putar ini dihasilkan
oleh arus-arus tiga fasa yang mengalir pada
belitan stator.
C. Karakteristik Motor Induksi
Karakteristik
motor
listrik
menunjukkan kinerja motor tersebut dalam
berbagai kondisi operasi (Deshpande, 1990).
Karakteristik motor listrik yang utama, yang
perlu diperhatikan adalah :
1. Karakteristik torsi-arus;
2. Karakteristik kecepatan-arus;
3. Karakteristik torsi-kecepatan.
Torsi M di bangkitkan pada poros
motor atau mesin penggerak dengan
kecepatan putar n. Dari kedua 2 besaran ini,
maka dapat diketahui daya mekanis motor
atau mesin penggerak tersebut (Hornemann,
et.al, 1983).
Kecapatan putaran motor n adalah
jumlah revolusi untuk suatu periode waktu
tertentu. Kecepatan putaran motor diukur
dalam satuan revolusi per menit (rpm) atau
revolusi per detik (rps). Kecepatan putaran
motor listrik umumnya menggunakan satuan
revolusi per menit (rpm).
Untuk
pengukuran
torsi
dapat
digunakan tongkat penyeimbang, dimana
hasil kali antara gaya F dan panjang s dari
lengan penyeimbang merupakan torsi M
yang dihasilkan.
M = F x S (Newton-meter).
(3)
Jika torsi yang searah jarum jam sama
besar dengan torsi yang berlawanan arah
jarum jam, maka tercapai posisi seimbang.
Jika kedua torsi ini tidak seimbang, maka
kedua lengan ini akan berputar ke arah torsi
yang lebih besar.
Torsi juga dibangkitkan oleh mesin
listrik putar, dimana medan magnet
membangkitkan garis gaya magnet (fluks) di
dalam stator. Berdasarkan prinsip dasar
motor, maka gaya F yang dibangkitkan pada
konduktor kumparan rotor yang dialiri arus
adalah :
F=B.I.L
(4)
Gaya ini bekerja pada konduktor yang
berjarak s dari titik tengah poros rotor. Jika
terdapat sejumlah z konduktor yang dialiri
arus yang diberada dalam garis gaya magnet,
maka akan dihasilkan torsi M yang besarnya:
M=F. s
M = B . I. l . z . s
(5)
(6)
Motor akan mencapai suatu kecepatan
konstan jika torsi yang dibangkitkan sama
besar dengan torsi lawan (torsi pengereman)
yang disebabkan oleh rotor itu sendiri,
gesekan yang timbul dan beban yang
digerakkan.
Pada mesin listrik putar, torsi diukur
dengan
rem,
dinamometer
(cradle
9
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
dynamometer) atau rem arus pusar (eddy
current brake).
Untuk motor listrik, terdapat hubungan
antara torsi M dan kecepatan putaran n
motor. Kecepatan putaran n akan menurun
seiring dengan kenaikan torsi M yang
dibangkitkan.
Torsi M di bangkitkan pada poros
motor atau mesin penggerak dengan
kecepatan putar n. Dari kedua 2 besaran ini,
maka dapat diketahui daya mekanis motor
atau mesin penggerak tersebut (Hornemann,
et.al, 1983).
Kriteria yang penting untuk mengevaluasi
dan memilih sebuah motor listrik adalah
faktor daya (Cos ϕ), Efisiensi η, Kecepatan
putaran n dan daya motor P. Hubungan
anatar variabel-variabel ini juga tidak kalah
pentingnya. Untuk motor 3 fasa, hubungan
antar variabel ini diplot dalam suatu grafik
membentuk kurva beban dan kurva operasi.
D. Belitan Stator Motor Induksi.
Soeleman (1984) menjelaskan bahwa
untuk motor induksi 3 fasa, maka pada
umumnya digunakan belitan gelung lapis
dobel atau belitan spiral (konsentrik). Cara
belitan dua lapis dengan dua sisi kumparan
dimasukkan dalam satu alur, sedangkan
untuk belitan lapisan tunggal dengan satu sisi
kumparan dimasukkan dalam satu alur.
Kedua jenis kumparan motor ini memiliki
karakteristik yang berbeda.
III.
4. Memasang (mengkopel) motor dengan
beban (dinamometer prony/brake)
5. Menghubungkan semua peralatan (alat
ukur) sesuai fungsinya
6. Setelah
selesai
dipasang,
penulis
melakukan penelusuran kembali dari
beberapa hubungan alat ukur dan
peralatan lain yang telah siap untuk diuji.
Pengujian dilakukan dengan cara:
1. Power suplay sebagai input peralatan
distel pada tegangan 220/380 volt, dibaca
melalui voltmeter.
2. Semua instrumen ukur pada posisi
standby atau dalam kondisi on.
3. Menghidupkan power suplay dengan
tegangan yang distel sebelumnya sebesar
220 volt.
4. Mencatat tampilan dari beberapa alat
ukur, karena alat ukur kecepatan putar
(tachometer) diukur langsung melalui
poros (rotor) motor setiap keadaan (nilai
torsi). Tachometer dipasang untuk
mengetahui laju perubahan kecepatan
putaran rotor.
5. Selanjutnya menaikkan nilai torsi dari
0,15 N.M yang sebelumnya nilai torsi
terbaca adalah 0,10 N.M sampai pada
keadaan lockrotor dan mencatat semua
tampilan alat ukur setiap torsi yang distel
atau ditentukan.
6. Setelah selesai power suplay dimatikan
(di off-kan) dan dilanjutkan dengan
pengujian motor untuk jenis belitan yang
lain dengan cara pengujian yang sama.
METODOLOGI
IV.
Oleh karena pengujian ini merupakan
pengujian laboratorium yang dilaksanakan
pada Laboratorium Mesin-mesin Listrik
Teknik Elektro Universitas Tadulako,
sehingga metode yang digunakan adalah
metode ekperimental, melalui tahapantahapan sebagai berikut.
1. Mengumpulkan alat dan bahan yang akan
digunakan pada pengujian.
2. Menempatkan peralatan pada meja
pengujian (meja percobaan)
3. Karena motor yang digunakan adalah
motor induksi 3 (tiga) fasa, sehingga
motor dihubungkan dengan power suplay
pada tegangan 220/380 Volt.
10
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian
karakteristik
motor
dimaksudkan untuk mengetahui kinerja
motor dalam berbagai kondisi operasi.
A
W
P
F
V
Suplai
AC
A
V
V
A
Tachome
ter
W
M
3
φ
B
Gambar 3. Rangkaian percobaan
karakteristik motor
N
M
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
Untuk besar torsi yang sama yang
dalam hal ini mencakup: Karakteristik torsiarus, karakteristik arus-kecepatan
dan
karakteristik torsi-kecepatan.
Diagram rangkaian di atas terdiri dari
alat dan bahan yaitu :
1. Motor Induksi Rotor Sangkar
2. Alat ukur tegangan (Voltmeter)
3. Alat ukur arus (Amperemeter)
4. Alat ukur daya (Wattmeter)
5. Alat ukur faktor daya (Cos u meter)
6. Alat
ukur
kecepatan
putaran
(Tachnometer)
7. Alat ukur torsi (Newton meter)
8. Regulator power suplay
9. Beban (Dinamometer prony/brake)
10. Kabel penghubung
A. Hasil Pengujian Kareakteristik Motor
Data tabel hasil pengujian di bawah ini; Arus
(I), daya input (Pin), Faktor Daya dan
kecepatan putaran (n) untuk besar torsi yang
sama yaitu dari 0,2, 1, 2, 4, 6, dan 7 (N-m),
diambil dari hasil pengamatan dan
pengukuran pada alat ukur. Sedangkan daya
output (Pout) dan efisiensi (η) didapatkan
melalui perhitungan.
Tabel 1. Data hasil pengujian motor belitan gelung
A. BELITAN GELUNG
No. V AC I AC (Ampere) I Rata2 P In Cos M
N P Out
(Volt) R
S
T (Ampere) (Watt)
(N-m) (Rpm) (Watt)
η
%
1
380
5,3 5,9 5,2
5,46
104 0,05 0,2
1496 46,99 31,33
2
380
5,3 6,0 5,2
5,50
418 0,20
1
1492 156,21 37,37
3
380
5,5 6,1 5,4
5,66
646 0,30
2
1485 310,59 48,08
4
380
6,2 6,9 6,3
6,46
1228 0,50
4
1472 616,47 50,20
5
380
7,2 8,2 7,5
7,63
1740 0,60
6
1458 915,91 52,64
6
380
7,6 8,6 7,9
8,03
1984 0,65
7
1450 1062,7 53,56
Tabel 2. Data hasil pengujian motor belitan spiral
B. BELITAN SPIRAL
No. V AC I AC (Ampere) I Rata2 P In Cos M
N
P Out
(Volt) R
S
T
(A)
(Watt)
(N-m) (Rpm) (Watt)
1496
31,33
η
%
1
380
5,9 6,5 5,6
6
129,9 0,06
0,2
24,11
2
380
6,0 6,6 5,7
6,1
391,9 0,17
1
1493 154,32 39,38
3
380
6,2 6,7 5,7
6,2
706,8 0,30
2
1488 311,59 44,08
4
380
6,8 7,3 6,3
6,8
1292 0,50
4
1478 618,99 47,91
5
380
7,9 8,3 7,3
7,83
1845 0,62
6
1466 920,94 49,92
6
380
8,4 8,7 7,8
8,3
2132 0,65
7
1462 1071,5 50,26
11
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
B. Pembahasan Hasil Pengujian
1. Untuk motor induksi belitan spiral
Oleh karena arus fasa motor tidak
sama besar, dalam hal ini belitannya tidak
seimbang, maka diambil nilai arus rata-rata
seperti disajikan pada tabel berikut.
Tabel 3. Data Pengujian Belitan Spiral
Dengan Nilai Arus Rata-rata
BELITAN SPIRAL
No. V AC I Rata2
P In
Cos
(Volt) (Ampere) (Watt)
1
380
6
2
380
3
M
N
N-m (Rpm)
P Out
η
(Watt)
%
129,96 0,06 0,2
1496
31,33
24,11
6.1
391,91 0,17
1
1493
154,32
39,38
380
6.2
706,80 0,30
2
1488
311,59
44,08
4
380
6.8
1292
0,50
4
1478
618,99
47,91
5
380
7.83
1845
0,62
6
1466
920,94
49,92
6
380
8.3
2132
0,65
7
1462
1071,49
50,26
- Torsi motor dan beban 0,20 N–m; arus
-
-
-
-
12
yang mengalir (arus yang ditarik motor) 6
ampere, daya input 129,96 watt, daya
output 31,33 watt, efisiensi 24,11 %, Cos
φ 0,06 dan motor berputar dengan
kecepatan 1496 Rpm.
Torsi dinaikkan 1 N–m; motor menarik
arus sebesar 6,1 ampere, daya input
391,91 watt, daya output 154,32 watt,
efisiensi 39,38 %, faktor kerja 0,17
Lagging dan kecepatan motor mulai
menurun yaitu 1493 Rpm.
Torsi dinaikkan 2 N–m; arus yang ditarik
motor naik yaitu 6,2 ampere, daya input
706,80 watt, daya output 311,59 watt,
efisiensi 44,08 %, faktor daya naik 0,30
lagging dengan kecepatan putaran motor
menurun yaitu 1488 Rpm.
Torsi dinaikkan 4 N–m; arus yang ditarik
motor 6,8 ampere, daya input 1292 watt,
daya output 618,99 watt, efisiensi 47,91
%, faktor daya 0,50 Lagging dan
kecepatan semakin turun 1478 Rpm.
Torsi dinaikkan 6 N–m; arus yang ditarik
yaitu 7,83, daya input yang besar 1845
watt, daya output semakin besar
mengikuti besarnya input daya 920,94
watt, efisiensi 49,92 %, Cos φ motor
mulai bagus yaitu 0,62 tegangan Lagging
terhadap arus dengan kecepatan menurun
1466 Rpm.
- Torsi dinaikkan 7 N–m; arus yang ditarik
8,3 ampere, daya input 2132 watt, daya
yang keluar memutar beban yaitu 1071,49
watt, efisiensi 50,26 %, faktor daya 0,65
lagging dan kecepatan motor 1462 rpm.
Kurva karakteristik yang menggambarkan
relasi setiap variabel motor untuk belitan
konsentris disajikan pada diagram berikut.
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
2. Untuk motor induksi belitan gelung.
Tabel data motor untuk nilai arus fasa ratarata disajikan pada tabel beriku:
Tabel 3. Data pengujian belitan spiral dengan nilai arus rata-rata
BELITAN GELUNG
-
-
-
-
-
No.
V AC
(Volt)
I Rata2
(Ampere)
P In
(Watt)
Cos
M
(N-m)
N
(Rpm)
P Out
(Watt)
η
%
1
380
5,46
104
0,05
0,2
1496
46,99
31,33
2
380
5,50
418
0,20
1
1492
156,21
37,37
3
380
5,66
646
0,30
2
1485
310,59
48,08
4
380
6,46
1228
0,50
4
1472
616,47
50,20
5
380
7,63
1740
0,60
6
1458
915,91
52,64
6
380
8,03
1984
0,65
7
1450
1062,71
53,56
efisiensi 52,64 %, faktor daya 0,60
Torsi sebesar 0,20 N–m; arus yang ditarik
Lagging dengan kecepatan 1458 Rpm.
motor 5,46 ampere, daya input 104 watt,
daya output 46,99 watt, efisiensi 31,33 %,
- Torsi dinaikkan 7 N–m; arus mengalir
faktor daya 0,05 tegangan tertinggal
8,03 ampere (hampir mendekati batas arus
terhadap arus dengan kecepatan 1496
nominal motor), daya input motor
Rpm.
naik 1984 watt, daya yang output naik
mengikuti input daya 1062,71 watt,
Torsi dinaikkan 1 N–m; arus yang ditarik
motor naik 5,50 ampere, daya input 418
efisiensi 53,56 %, faktor daya 0,65
Lagging dengan kecepatan 1450 Rpm.
watt, daya output 156,21 watt, efisiensi
Kurva karakteristik motor untuk belitan
37,37 %, faktor daya 0,20 lagging dan
gelung disajikan pada diagram berikut.
kecepatan motor mulai menurun yaitu
1492 Rpm.
Torsi dinaikkan 2 N–m; arus yang ditarik
sebesar 5,66 ampere, daya masukan 646
watt, daya keluaran 310,59 watt, fisiensi
40,08 %, faktor daya 0,30 lagging dengan
kecepatan 1485 Rpm.
Torsi dinaikkan 4 N–m; arus yang ditarik
motor 6,46 ampere, daya input 1228 watt,
daya output 616,47 watt, efisiensi 50,20
%, faktor daya 0,50 tegangan Lagging
terhadap arus dengan kecepatan turun
1472 Rpm.
Torsi dinaikkan 6 N–m; arus yang ditarik
motor 7,63 ampere, daya input sebesar
1740 watt, daya output 915,91 watt,
13
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
3. Kecepatan motor akan mengalami
penurunan
seiring
dengan
meningkatnya besar torsi yang
dibangkitkan, sedangkan besar arus
yang dicatu berbanding lurus dengan
besar torsi yang dihasilkan.
4. Belitan kedua motor tidak seimbang,
sehingga arus yang dicatu setiap fasa
berbeda
turut
mempengaruhi
kemampuan motor membangkitkan
torsi dan daya keluaran motor
tersebut.
Dalam percobaan ini, daya motor
terkunci (locked rotor torque), arus
rotor terkunci (locked rotor current)
maupun torsi maksimum tidak dapat
diketahui, oleh karena kemampuan
pengereman dan batas ukur torsi
meter tidak seimbang dengan
kapasitas motor.
DAFTAR PUSTAKA
Bird, J.O. (1995). Electrical Principles and
Technology for Engineering. Newnes,
Butterworth-Heinemann Ltd, England.
Chapman J. Stephen (1991). Electrical
Machinery Fundamental. 2th. Ed.
McGraw-Hill Inc. Singapore.
V.
KESIMPULAN
1. Dari hasil perbandingan karakteristik
kedua jenis belitan motor induksi
yang sudah diuji pada tegangan
sumber 3 fasa konstan 380 Volt AC,
diperoleh bahwa motor dengan
belitan gelung memiliki karakteristik
yang lebih baik dibandingkan motor
belitan konsentris, dalam hal besar
arus, faktor daya, torsi maupun
perubahan kecepatannya.
2. Efisiensi dan faktor daya kedua
motor, baik motor dengan belitan
gelung
mapun
motor
belitan
konsentris semakin baik apabila
motor dibebani pada kapasitas
nominalnya.
14
Deutsche Gesellschaft for Techniche
Zusammenarbeit
(GTZ)
GmbH,
(1988). Electrical Power Engineering
Proficiency. Federal Republic of
Germany.
Draper A. (1971). Electrical Machines.
Longman Group Limited, London.
-------
Feedback Instrument Limited “
Feedback Power Frame Laboratory
Note” .Crowborough, United Kingdom
(UK).
Giovanni Ricciareli (1996). Rotaring
Electrical
Machines,
Teaching
Systems for Technical Training De
Lorenzo. Italy.
Hubert I. Charles (1995). Electrical
Machines,
Theory,
Operation,
Applications, Adjustment and Control.
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
Mc.Millan Publishing Company Inc,
New York U.S.A.
Hubert I. Charles (1995). Preventive
Maintenance of Electrical Equipment..
Mc.Graw-Hill Book Company Inc,
New York U.S.A
McPherson. G, Lamore D. Robert (1990). An
Introduction to Electrical Machines
and Transformers. John Wiley & Sons,
Singapore.
Resenberg. R. (1970). Electrical Motor
Repair, A Practical Book on The
Winding, Repair and Troubleshooting
of A.C and D.C Motor
and
Controllers, Holt, Rinehart and
Winston, Inc. New York, U.S.A.
Schneider J. Hans (1996). Electrical
Machines Teaching Models. Leybold
Didactic GmbH. Federal Republic of
Germany.
Soelaiman, Magarisawa. M (1984). Mesin
Tak Serempak dalam Praktek, PT.
Pradnya Paramita, Jakarta.
Veinott G. Cyril & Martin E. Joseph (1987).
Fractional
and
Sub
fractional
Horsepower
Electric
Motors.
McGraw-Hill International Editions,
Singapore.
Wildi, Theodore (1981). Electrical Machines
and Power System. Prentice-Hall
International,
Inc.
USA.
15
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
WATAK HARMONIK PADA INVERTER TIGA FASA
TAK BERBEBAN
Wahri Sunanda1, Yuli Asmi Rahman2
Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Bangka Belitung
2
Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Tadulako
1
Email: [email protected]
2
Email : [email protected]
1
AbstractHarmonic is one of sinusoidal
components, one wave period from which
having multiple frequency of its
fundamental frequency one, leading to
electrical power quality problems.
Harmonic distortion in term of voltage
and current ones, generally is due to non
linier impedance. Inverter is one of
example of it. There are some items that
will be measured. There are value of
harmonic at source and value of voltage
and current harmonic when inverter does
not have any load. IEEE Standard of 5191992 as a reference in determining
maximum limitation voltage and current
harmonics. The result of the tests were
showed that voltage harmonic distortion
at inverter did not exceed the IEEE 5191992 maximum limitation of 5%. While
current harmonic distortion had exceed
the maximum limitation of the IEEE 5191992. The highest results were exceeding
56,55 % when inverter does not have any
load.
Keywords: Voltage, Current, Harmonic
Distortion, Inverter.
I.
PENDAHULUAN
Harmonik menyebabkan terjadinya
penyimpangan gelombang tegangan dan arus
yang mempunyai pengaruh kurang baik
terhadap peralatan listrik. Harmonik adalah
salah satu dari beberapa permasalahan yang
mempengaruhi
kualitas
daya
listrik.
Terjadinya
penyimpangan
gelombang
tegangan dan arus akan mempengaruhi unjuk
kerja sistem, dimana peralatan listrik akan
mengalami gangguan diluar kondisi normal.
Harmonik dalam sistem tenaga listrik,
sebenarnya ditujukan untuk kandungan
16
distorsi pada gelombang tegangan dan arus
fundamental yang mana beban non linear
dianggap sebagai sumber harmonik.
Perkembangan ilmu pengetahuan dan
teknologi bidang elektronika daya (power
electronic), mempunyai peranan yang besar
dalam perkembangan industri modern
terutama pada sistem kendali. Inverter,
merupakan salah satu perangkat elektronika
daya yang diaplikasikan pada industri untuk
mengubah tegangan arus searah menjadi
tegangan bolak balik. Umumnya digunakan
untuk mengatur kecepatan motor listrik atau
untuk keperluan tertentu lainnya. Aplikasi
teknologi elektronika daya menimbulkan
efek samping, yaitu meningkatnya arus
harmonik akibat dari proses pengkonversian
bentuk gelombang energi listrik dari satu
bentuk ke bentuk yang lain (Erhaneli, 2003).
Dampak dari harmonik akan semakin
berbahaya, apabila mengganggu peralatan
yang digunakan untuk kepentingan umum
seperti saluran telepon, oleh karena itu
permasalahan harmonik perlu mendapatkan
perhatian yang serius.
Penelitian dilakukan untuk mengetahui
kandungan harmonik pada inverter tiga fasa
yang tidak dibebani dengan hipotesis bahwa
kandungan harmonik arus dan tegangan pada
sumber inverter sebelum diberi beban, sudah
ada namun belum melebihi standar yang
ditetapkan.
II.
TINJAUAN PUSTAKA
A. Studi Harmonik
Harmonik adalah salah satu dari sekian
banyak permasalahan yang menyangkut
kualitas daya listrik. Keberadaan harmonik
ini sangat mengganggu bahkan merugikan
sistem apabila melebihi batas standar yang
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
ditetapkan, dalam hal ini standar yang
digunakan adalah standar IEEE 519-1992.
Pada gambar 1. akan diperlihatkan sebuah
gelombang
yang
terdistorsi
dan
direpresentasikan dalam deret seri Fourier.
Gambar 1. Gelombang terdistorsi
direpresentasikan dalam deret Fourier
B. Indeks Harmonik
ITHD dan VTHD yang digunakan sebagai acuan
dalam penelitian ini.
2. Inverter
Inverter adalah suatu rangkaian
penyaklaran elektronik yang dapat merubah
tegangan searah menjadi tegangan bolak
balik. Pada dasarnya, inverter tiga fasa
merupakan gabungan dari inverter satu fasa
dengan perbedaan 1200 listrik antara fasa
yang satu dengan fasa yang lainnya.
Mengatur tegangan keluaran dari inverter
menggunakan teknik PWM (pulsa wave
modulation). Bentuk gelombang tegangan
keluaran inverter biasanya juga tidak
sinusoida murni karena masih mengandung
komponen frekuensi yang tidak diinginkan.
Jika tegangan seperti ini digunakan untuk
mencatu daya pada beban, seperti motor
induksi, akan menambah kerugian, getaran
dan riak dalam motor.
Gambaran secara umum inverter dapat
dilihat pada gambar 2. berikut ini.
Dalam analisis harmonik, beberapa
indeks penting berikut digunakan untuk
melukiskan pengaruh harmonik pada
komponen sistem tenaga listrik dan sistem
komunikasi.
1.
Total Harmonic Disortion (THD)
(1)
(2)
Didefinisikan sebagai perbandingan
nilai rms komponen harmonik terhadap
komponen dasar dalam persen (%).
Indeks ini digunakan untuk mengukur
penyimpangan (deviation) dari bentuk
gelombang satu periode yang mengandung
harmonik pada satu gelombang sinus
sempurna. Untuk satu gelombang sinus
sempurna pada frekuensi dasar, THD adalah
nol. Demikian pula pengukuran distorsi
harmonik individual untuk tegangan dan arus
pada orde ke h didefinisikan sebagai
dan
.
Pada tabel 1. dan tabel 2. ditampilkan
standar IEEE Std 519-1992 untuk batasan
Gambar 2. Invertertiga fasa
Inverter
yang digunakan pada
penelitian ini sudah dilengkapi dengan
rangkaian penyearah tiga fasa. Tegangan
sumber maksimum yang masuk ke penyearah
adalah 240 volt antar fasa, dan keluaran
maksimum dari inverter adalah 220 volt
antar fasa. Kemampuan arus masukan
maksimum 8 A, dan arus keluaran inverter
4 A, dengan kemampuan daya 0,75 kW.
III.
METODOLOGI
Dalam melakukan penelitian ini
dilakukan melalui tahapan antara lain :
a. Mengumpulkan
alat
dan
bahan
penelitian.
17
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
b. Mengukur kandungan harmonik sumber
tegangan.
c. Mengukur kandungan harmonik tegangan
dan arus pada saat inverter
tidak
berbeban dengan berbagai tegangan
keluaran.
d. Menghitung THD arus dan tegangan
Tabel 1. Current distortion limits for general
distribution systems (120 V Through 69.
000V)
Gambar 3. Alur Penelitian
Note: even harmonics are limited to 25% of
the harmonic limits above
Current distortion that result in a dc offset
are not allowed
ISC = maximum short circuit currentat
PCC ( point of common coupling)
IL
= maximum demand load current
(fundamental frequency) at PCC
Proses pengambilan data dilakukan
dengan rangkaian alat dan bahan sesuai
gambar 4.
Trafo 3
fasa
Inverter
PM 3000 A
Komputer
Tabel 2. Voltage distortion limits
Gambar 4. Rangkaian percobaan
Alat dan
bahan yang digunakan dalam
penelitian ini adalah:
Note:high voltage systems can have up to 2%
THD where the cause is an HVDC terminal
that will attenuate by the time it is tapped for
a user
Alur penelitian dapat dilihat secara lengkap
pada gambar 3.
18
a. Trafo tiga fasa
Memiliki kemampuan 3 kVA, tegangan
keluaran maksimum 240 volt antar fasa
dengan frekuensi 50 Hz.
b. Satu unit inverter tiga fasa
Inverter yang digunakan dalam penelitian
ini memiliki kemampuan 0,75 kW.
Inverter ini sudah dilengkapi dengan
rangkaian penyearah tiga fasa. Tegangan
maksimum yang dipakai sebagai sumber
inverter adalah 220 volt antar fasa dengan
kemampuan arus maksimum 8 ampere,
sedangkan tegangan keluaran inverter
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
adalah 220 volt dengan kemampuan arus
4 ampere.
c. Universal Power Analyzer PM 3000 A
(UPA PM 3000A), alat ukur yang
digunakan untuk mengetahui kandungan
harmonik pada sistem.
d. RS 232 sebagai penghubung UPA PM
3000A
dengan
komputer
untuk
pengoperasian jarak jauh atau remote.
IV.
tegangan sumber pada fasa R sebesar
2,616%, pada fasa S sebesar 2,862%, dan
pada fasa T sebesar 2,603%. Nilai ini masih
berada di bawah standar IEEE 519-1992,
yaitu 5% untuk tegangan sampai 69 kV.
Jadi sumber tegangan ini masih bisa dipakai
karena kandungan harmoniknya belum
melebihi standar. Berikut adalah bentuk
gelombang tegangan sumber untuk masingmasing fasa.
HASIL PENELITIANDAN
PEMBAHASAN
A. Watak Harmonik Sumber Tegangan
Sumber tegangan yang dipakai adalah
trafo 3 fasa yang disuplay dari jaringan PLN.
Tegangan sumber untuk inverter digunakan
220 volt antar fasa. Hasil pengukuran sampai
dengan harmonik ke-10 diperlihatkan pada
tabel 3., sedangkan untuk spektrum harmonik
sampai dengan harmonik ke- 30 dapat dilihat
pada gambar 4.
Tabel 3.
Gambar 5. Gelombang tegangan sumber
pada fasa R
Hasil pengukuran harmonik
sumber tegangan
Gambar 6. Gelombang tegangan sumber
pada fasa S
Gambar 4. Spektrum harmonik sumber
tegangan
Pada gambar 4. dapat dilihat harmonik
tertinggi terjadi pada fase S, yaitu harmonik
ke-5. Nilai distorsi harmonik tegangan pada
fasa R, S, dan T masing-masing adalah
2,494%, 2,794%, dan 2,546%. Sedangkan
nilai total distorsi harmonik (THD) tegangan
yang terukur masing-masing untuk fasa R, S,
dan T adalah 2,614%, 2,861%, dan 2,595%.
Menggunakan persamaan (1) diperoleh THD
Gambar 7. Gelombang tegangan sumber
pada fasa T
B. Watak Harmonik pada Kondisi
Berbeban
Tidak
Tahapan selanjutnya adalah mengukur
kandungan harmonik tegangan dan arus pada
saat kondisi inverter tidak berbeban dengan
berbagai
tegangan
keluaran,
dimana
tegangan keluaran maksimum mencapai 230
volt.
19
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
Tabel 4.Hasil pengukuran tegangan
harmonik pada keluaran inverter maksimum
kondisi tidak berbeban (230 volt)
Nilai harmonik tertinggi terjadi pada
harmonik ke-5, yaitu fasa S, kemudian
diikuti oleh fasa T dan R. Nilai kandungan
harmonik fasa R, S, dan T masing-masing
adalah 2,624%, 2,933%, dan 2,805%. Nilai
THD tegangan masing-masing fasa R, S, dan
T adalah 2,738%, 3,082%, dan 2,921%.
Nilai total distorsi harmonik (THD)
arus pada fasa R, S, dan T masing-masing
adalah sebesar 158,4%, 117,8%, dan 32,96%.
Gambar 9.Spektrum arus harmonik pada
tegangan keluaran maksimum
Gambar 10. Gelombang arus harmonik fasa
R
Gambar 8. Spektrum tegangan harmonik
keluaran 230 volt tidak berbeban
Menggunakan persamaan (1) THD
tegangan keluaran maksimum juga dapat
dicari, dan hasilnya pada fasa R sebesar
2,743%, pada fasa S sebesar 3,986%, dan
pada fasa T sebesar 2,923%.
Harmonik arus tertinggi terjadi pada
fasa R dengan nilai 56,55%, kemudian
diikuti oleh fasa S sebesar 45,22%, dan fasa
T sebesar 15,73%.
Tabel 5. Hasil pengukuran arus harmonik
pada keluaran inverter maksimum kondisi
tidak berbeban (230 volt)
Menggunakan persamaan (2) THD arus yang
diperoleh pada fasa R sebesar 158,4%, pada
fasa S sebesar 117,887%, dan pada fasa T
sebesar 33,036%.
Gambar 11. Gelombang arus harmonik fasa
S
Gambar 10. sampai 12. di atas adalah bentuk
gelombang arus harmonik masing-masing
fasa pada keluaran inverter maksimum tidak
berbeban.
Gambar 12. Gelombang arus harmonik fasa
T
20
Jurnal Ilmiah Foristek Vol.1, No. 1, Maret 2011
Pada saat inverter tidak berbeban, nilai
komponen arus harmonik secara keseluruhan
melebihi nilai yang diijinkan dalam standar
IEEE-159-1992.
V.
PENUTUP
A. Kesimpulan
Berdasarkan penelitian yang telah
dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai
berikut:
1. Nilai harmonik tegangan dan arus pada
berbagai nilai tegangan keluaran inverter
pada kondisi tidak berbeban didominasi
oleh harmonik orde ganjil.
2. Nilai tegangan harmonik tertinggi sebesar
2,933% dan arus harmonik tertinggi
56,55%. Nilai THD tegangan tertinggi
sebesar 3,986% dan untuk THD arus
tertinggi sebesar 158,4%.
B.
Saran
1. Berdasarkan
hasil
penelitian
ini
diperlukan penelitian lebih lanjut
mengenai watak harmonik pada inverter
yang dibebani agar didapat hasil
penelitian yang komperehensif mengenai
watak harmonik pada inverter.
2. Harmonik yang muncul pada inverter juga
harus direduksi agar pengaruh harmonik
dapat diminimalisir.
DAFTAR PUSTAKA
Arrillaga, J., Smith, B.C., Watson, N.R. and
Wood, A.R. ,1997, Power System
Harmonic Analysis, John Wiley &
Sons, Chichester.
Cividino, Lorenzo., 1992, Power Factor,
Harmonic
Distortion;
Causes,
Effects and Considerations, IEEE,
0-7803-0779-08/92.
Dugan, Roger C., McGranaghan, Mark F.,
Beaty, H. Wayne, 2004, Electrical
Power System Quality, McGrawHill.
Erhaneli., 2003, Pengurangan Harmonik
pada
Drive
Inverter
dengan
Menggunakan Filter Pasif, Tesis S2
Program Studi Teknik Elektro
Pascasarjana UGM, Yogyakarta.
IEEE Std 519-1992, 1993, Recommended
Practices and Requirements for
Harmonis Control in Electrical
Power Systems. New York.
Liem, Ek Bien, Sudarno, 2004, Pengujian
Harmonisa dan Upaya Pengurangan
Harmonisa pada Lampu Hemat
Energi. JETri. Jakarta.
21