analisis kinerja motor induksi tiga fasa pada kondisi tegangan
advertisement
ANALISIS KINERJA MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA KONDISI TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG KURANG DENGAN MENGGUNAKAN PROGRAM MATLAB LAPORAN TUGAS AKHIR Diajukan untuk Memenuhi Sebagian Persyaratan dalam Menyelesaikan Pendidikan Program Diploma 3 PROGRAM STUDI TEKNIK KONVERSI ENERGI MEKANIK Oleh TRIOSFINA BR PURBA NIM : 1105052100 JURUSAN TEKNIK MESIN POLITEKNIK NEGERI MEDAN MEDAN 2014 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan anugerah dan berkat yang memampukan penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir ini dengan tepat pada waktunya. Laporan Tugas Akhir yang berjudul Analisis Kinerja Motor Induksi Tiga Fasa Pada Kondisi Tegangan Masuk Tidak Seimbang Kurang Dengan Menggunakan Program MATLAB ini merupakan syarat untuk menyelesaikan studi Diplomad 3, Jurusan Teknik Mesin Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. Selama menyelesaikan Laporan Tugas Akhir, penulis telah mendapat bimbingan dan bantuan dari berbagai pihak, baik berupa material, spiritual, informasi maupun segi administrasi, oleh karena itu pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. M.Syahruddin, S.T., M.T. selaku Direktur Politeknik Negeri Medan. 2. Idham Kamil, S.T., M.T. selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Politeknik Negeri Medan. 3. Ir.Abdul Razak, M.T. selaku Kepala Program Studi Teknik Konversi Energi Politeknik Negeri Medan. 4. Ir.Roket Angkasa, M.T. selaku Dosen Pembimbing Pembuatan Laporan Tugas Akhir, yang telah menasehati dan membimbing Penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini. 5. Ir.Hairanus Tarigan, M.T. selaku dosen wali Penulis di EN-6C Politeknik Negeri Medan. 6. Seluruh Dosen dan Staf pengajar Jurusan Teknik Mesin Program Studi Konversi Energi Politeknik Negeri Medan yang telah banyak memberi masukan pengetahuan kepada Penulis. 7. Teristimewa kedua orangtua Penulis Alm. J.F Purba dan S.M Br Aruan,S.Pd. yang tidak henti-henti memberikan kasih sayang, doa, semangat dan dorongan untuk menyelesaikan Tugas Akhir ini. v 8. Kepada kakak Penulis Eva Meilinda Purba, AmKeb. dan abang Penulis Nataniel Purba, Amd. yang senantiasa memberikan semangat dan doa kepada Penulis; 9. Teman-teman terbaik Penulis di Secret yang telah membantu dan memberi semangat kepada Penulis. 10. Teman-teman EN-6C angkatan Tahun 2011 terima kasih untuk kebersamaan dan semangat yang diberi kepada Penulis. 11. Juga semua rekan mahasiswa sealmamater Politeknik Negeri Medan. Penulis menyadari bahwa Laporan Tugas Akhir ini belum sempurna baik dalam penyajian tata bahasanya, dikarenakan keterbatasan waktu dan keterbatasan kemampuan yang dimiliki Penulis. Oleh karena itu, Penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun guna kebaikan laporan ini. Akhir kata, Penulis mengucapkan terima kasih kepada seluruh pihak yang telah memberikan bantuannya, semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi Penulis sendiri juga bagi peingkatan pemahaman dan kecerdasan anak-anak negeri. Medan, Agustus 2014 Hormat Penulis, Triosfina br Purba NIM. 1105052100 vi DAFTAR ISI LEMBAR JUDUL ..................................................................................... i SPESIFIKASI TUGAS AKHIR .............................................................. ii LEMBAR PERSETUJUAN ..................................................................... iii LEMBAR PENGESAHAN ...................................................................... iv KATA PENGANTAR ............................................................................... v DAFTAR ISI .............................................................................................. vii DAFTAR GAMBAR ................................................................................. x DAFTAR TABEL ..................................................................................... xi DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. xii INTISARI .................................................................................................. xiii ABSTRACT ............................................................................................... xiv BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ............................................................................. 1 1.2 Permasalahan ............................................................................... 2 1.3 Penyelesaian Masalah .................................................................. 2 1.4 Batasan Masalah .......................................................................... 3 1.5 Tujuan .......................................................................................... 3 1.6 Manfaat ........................................................................................ 3 1.7 Metode Penulisan ........................................................................ 3 BAB 2. MOTOR INDUKSI 2.1 Umum .......................................................................................... 5 2.2 Prinsip Kerja ................................................................................ 5 2.3 Konstruksi ................................................................................... 6 2.4 Konsep Medan Putar ................................................................... 7 2.5 Perputaran Rotor .......................................................................... 10 vii 2.6 Slip, Frekuensi dan Tegangan Terinduksi ................................... 11 2.7 Rangkaian Ekivalen ..................................................................... 12 2.8 Diagram Aliran Daya................................................................... 15 2.9 Torka ............................................................................................ 16 2.10 Efisiensi ..................................................................................... 20 BAB 3. OPERASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA PADA TEGANGAN MASUK TIDAK SEIMBANG 3.1 Umum .......................................................................................... 21 3.2 Ukuran Ketidak Seimbangan Tegangan ...................................... 21 3.3 Komponen Simetri ....................................................................... 24 3.4 Rangkaian Ekivalen pada Tegangan Tidak Seimbang ................ 25 3.5 Analisis Performansi pada Tegangan Tidak Seimbang ............... 26 3.5.1 Arus Rotor ....................................................................... 27 3.5.2 Torka ............................................................................... 28 3.5.3 Rugi-rugi ......................................................................... 30 3.5.4 Efisiensi ........................................................................... 31 3.6 Penggunaan Metode Thevenin .................................................... 33 BAB 4. SIMULASI KETIDAK SEIMBANGAN TEGANGAN 4.1 Umum .......................................................................................... 37 4.2 Diagram Alir Simulasi ................................................................. 37 4.3 Data-Data Motor .......................................................................... 38 4.4 Menentukan Harga VUF ............................................................. 39 4.5 Analisis Kinerja Motor ................................................................ 40 4.5.1 Kecepatan ........................................................................ 44 4.5.2 Rugi-Rugi ........................................................................ 45 4.5.3 Efisiensi dan Daya........................................................... 47 4.5.4 Arus ................................................................................. 49 4.5.5 Torka ............................................................................... 51 viii BAB 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan .................................................................................. 52 5.2 Saran ............................................................................................ 52 DAFTAR PUSTAKA DAFTAR SIMBOL DAFTAR ISTILAH LAMPIRAN ix DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Contoh Motor Induksi Tiga Fasa .......................................... 6 Gambar 2.2. Konsep Medan Putar ............................................................. 7 Gambar 2.3. Aturan Perputaran Sekrup ..................................................... 8 Gambar 2.4. Medan Putar .......................................................................... 8 Gambar 2.5. Resultan Medan Magnet Belitan Stator ................................. 10 Gambar 2.6. Perputaran Rotor .................................................................... 11 Gambar 2.7. Rangkaian Ekivalen/Fasa Kondisi Rotor Terbuka ................. 13 Gambar 2.8. Rangkain Ekivalen/Fasa Rotor Berputar ................................ 14 Gambar 2.9. Rangkaian Ekivalen/Fasa dengan Besaran Rotor Diacu ke Stator.................................................................................... 14 Gambar 2.10. Diagram Aliran Daya Motor Induksi ................................... 16 Gambar 2.11. Karakteristik Torka-Putaran atau Torka-Slip ....................... 17 Gambar 2.12. Ekivalen Metode Thevelin ................................................... 18 Gambar 2.13. Penerapan Metode Thevenin pada Rangkaian Ekivalen Motor Induksi ................................................................................. 18 Gambar 2.14.Rangkaian Ekivalen Thevenin Motor Induksi /Fasa ............. 19 Gambar 3.1.Tegangan tidak Seimbang Akibat Distribusi Beban Satu Fasa tidak Merata .................................................................................. 22 Gambar 3.2. Sistem Tiga Fasa .................................................................... 23 Gambar 3.3. Komponen-komponen Simetri Sistem tidak Seimbang ......... 24 Gambar 3.4. Komponen Simetri ................................................................. 25 Gambar 3.5. Rangkaian Ekivalen Urutan Motor Induksi Per Fasa ............ 26 Gambar 3.6. Rangkaian Ekivalen Thevenin Tegangan Masuk tidak Seimbang 34 Gambar 4.1. Flowchart simulasi dengan softwer MATLAB..................... 37 Gambar 4.2. Kurva Rugi-Rugi Total Fungsi VUF.................................... 46 Gambar 4.3. Kurva Efisiensi pada Berbagai Harga VUF ......................... 47 Gambar 4.4. CUF Stator dan Rotor Untuk Berbagai Harga VUF ............ 51 x DAFTAR TABEL Tabel 4.1. Data-Data Motor ................................................................... 38 Tabel 4.2. Nilai Tegangan Motor 1-Motor 4 Berdasarkan Tingkatan VUF (%) ..... 40 Tabel 4.3. Kecepatan Operasi dan Slip Pada Berbagai Harga VUF ...... 45 Tabel 4.4. Rugi-Rugi Tembaga pada Berbagai Harga VUF ................. 45 Tabel 4.5. Kenaikan Rugi-Rugi pada Berbagai Harga VUF .................. 46 Tabel 4.6. Efisiensi pada Berbagai Harga VUF ..................................... 47 Tabel 4.7. Hubungan Daya Motor pada Berbagai Harga VUF ................ 48 Tabel 4.8. Hubungan Daya dalam Celah Udara pada Berbagai Harga VUF ... 49 Tabel 4.9. Arus-Arus Stator dan Rotor ................................................... 50 Tabel 4.10. Torka Keluaran Motor ......................................................... 51 xi DAFTAR LAMPIRAN Lampiran1. Script Perhitungan Dengan MATLAB Lampiran 2. Hasil Simulasi Motor 3Hp xii INTISARI Kinerja motor induksi tiga fasa yang dicatu dengan tegangan tidak seimbang akan dibahas dan dianalisis dalam tulisan ini. Persamaan dan parameterparameter kinerja motor yang meliputi torka, arus, rugi-rugi, dan efisiensi dijabarkan pertama kali untuk kondisi tegangan seimbang. Kemudian dilakukan perubahan yang sesuai dari persamaan untuk kondisi tegangan tidak seimbang. Metode yang dipakai dalam penyelesaian masalah yang dipaparkan adalah melalui simulasi dengan perangkat lunak MATLAB. Dimana akan dilakukan analisis untuk melihat dampak tegangan tidak seimbang pada motor-motor 3 HP 50 Hz. Dari hasil simulasi, dapat dilihat bahwa ketidak seimbangan tegangan masuk menyebabkan pertambahan rugi-rugi dan pengurangan efisiensi. Pada VUF = 5%, ada pertambahan rugi-rugi sebesar 42,5% dan penurunan efisiensi sebesar 5,2% untuk motor. Kata Kunci: Motor induksi, tegangan tidak seimbang, MATLAB. xiii ABSTRACT The performance motor three fase induction share with strains not balance will correct and analyize in this paper. Similitary and parameters performance motor include torka, curent, lose out, and eficiency will explain for the first time for balance strains. And then will doing change for appropriate and similitary for strains cendition not balance. The metode use in will finished problem will explain is simulation with set soft MATLAB. Where will do analyize for seeing strains effect not balance on motors 3Hp 50Hz. For result simulatiion, can see not balancing strains input the effect additionaly lose out and lose efficiency. On VUF=5%, any additionaly lose out as big as 42,5% and will down eficiency as big as 5,2% for motor. Keywords: Motor induction, The strains not balance, MATLAB. xiv BAB 1. PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Motor induksi merupakan motor listrik yang paling luas digunakan dalam penerapan industri, komersil, dan rumah tangga. Oleh karena konstruksi yang sederhana dan kokoh, pemeliharaan yang tidak rumit, dan karakteristik operasi yang andal, motor induksi, khususnya tiga fasa, sangat populer dalam dunia industri. Perkiraan kasar, hampir 80% motor yang digunakan dalam industri adalah motor induksi tiga fasa. Motor induksi tiga fasa dirancang dan dibuat dengan ketiga belitan seimbang dengan pedoman jumlah lilitan, penempatan belitan, induktansi belitan, dan tahanan belitan untuk operasi dengan tegangan masuk seimbang. Namun tidak bisa dihindari penomena (gejala peristiwa) tegangan tidak seimbang yang diamati ada dalam sistem tiga fasa. Ketidak seimbangan tegangan dapat berasal dari ketidak seimbangan struktural dan beban tidak seimbang. Ketidak seimbangan struktural mempunyai arti bahwa elemen-elemen dalam sistem tenaga (saluran tiga fasa, transformator tiga fasa) tidak seimbang. Beban tidak seimbang akan menarik arus-arus tidak seimbang. Arus-arus tidak seimbang akan menimbulkan rugi-rugi tegangan yang tidak seimbang dalam saluran yang pada akhirnya akan menimbulkan tegangan tidak seimbang. Penelitian pertama pengaruh ketidak seimbangan tegangan pada operasi motor induksi dilakukan oleh Reed dan Koppman dalam tahun 1936. Sesudahnya banyak penelitian yang berkaitan dengan ketidak seimbangan tegangan pada motor induksi. Kebanyakan penelitian difokuskan pada ketidak seimbangan tegangan yang disebabkan oleh ketidak seimbangan tegangan lebih (over voltage unbalance). Dalam kenyataan, ketidak seimbangan tegangan kurang (under voltage unbalance) sering juga terjadi. Dalam tugas akhir ini, yang akan dibahas adalah ketidak seimbangan tegangan yang disebabkan oleh ketidak seimbangan tegangan kurang. 1 1.2 Permasalahan Motor induksi didesain bekerja dengan tegangan masuk seimbang sinusoidal. Tegangan seimbang sinusoidal akan menghasilkan medan magnet berputar stator. Medan magnet berputar stator akan menginduksikan tegangan dalam rangkaian rotor yang terhubung singkat. Tegangan yang terinduksi dalam rangkaian rotor akan menimbulkan arus rotor. Arus rotor akan menghasilkan medan magnet rotor. Interaksi medan magnet stator dan rotor akan menghasilkan torka yang menyebabkan motor berputar. Bila motor dicatu dengan tegangan tidak seimbang, akan terbentuk komponen tegangan urutan posif dan negatif yang seimbang. Kedua komponen tegangan akan menghasilkan medan magnet berputar dalam celah udara. Tetapi medan putar yang dihasilkan komponen tegangan urutan negatif akan berlawanan arah dengan yang dihasilkan komponen tegangan urutan positif. Komponen tegangan urutan negatif akan menghasilkan torka negatif yang mencoba memutar motor dalam arah berlawanan. Komponen urutan negatif tidak dapat menyalurkan energi ke beban mekanik motor. Energi dari komponen urutan negatif akan didisipasikan sebagai rugi-rugi. Akibatnya, torka motor akan berkurang dan rugi-rugi akan naik. Efisiensi motor juga akan turun. Yang menjadi permasalahan adalah berapa besar ketidak seimbangan tegangan mempengaruhi besar torka motor, arus rotor, rugirugi, dan efisiensi motor. 1.3 Penyelesaian Masalah Objektif dari tulisan ini adalah menganalisis pengaruh ketidak seimbangan tegangan masuk ke motor terhadap kinerja motor. Untuk menyelesaikan permasalahan ini akan dicari persamaan matematik yang dapat memprediksi pengaruh ketidak seimbang tegangan. Dimulai dari menentukan rangkaian ekivalen urutan positif dan urutan negatif dari motor. Kemudian dikembangkan persamaan-persamaan matematik yang menghubungkan tegangan masuk dengan kinerja motor yang meliputi torka, 2 arus rotor, rugi-rugi, dan efisiensi motor. Kemudian dilakukan studi simulasi menggunakan perangkat lunak MATLAB. 1.4 Batasan Masalah Untuk memperjelas ruang lingkup pembahasan dalam penulisan ini diambil beberapa batasan masalah, antara lain : 1. Motor dianggap dalam kondisi tidak jenuh. 2. Pembahasan dilakukan dalam kondisi mantap (steady state). 3. Motor diasumsikan tiga fasa tiga kawat. Dengan asumsi ini, komponen urutan nol tidak timbul. 4. Tidak membahas harmonisa motor. 1.5 Tujuan Tujuan penulisan laporan ini adalah sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan Pendidikan Diploma III Politeknik Negeri Medan, secara khusus tujuan tersebut dapat di perinci sebagai berikut: 1. Mengetahui pengaruh tegangan tidak seimbang terhadap kinerja motor induksi. 2. Mengetahui besar ketidak seimbangan yang memengaruhi besar torka motor, arus motor, rugi-rugi, dan efisiensi motor. 3. Mengetahui cara menggunakan software MATLAB. 1.6 Manfaat Laporan Tugas Akhir ini diharapkan bermanfaat: 1. Bagi pembaca dan mahasiswa yang akan membahas topik yang sama. 2. Bagi penulis sendiri untuk menambahkan pengetahuan dan pengalaman. 1.7 Metode Penulisan Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah: 1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain. 3 2. Studi simulasi dengan menggunakan software MATLAB. 3. Studi bimbingan yaitu dengan melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing maupun dengan teman-teman sesama mahasiswa. 4