pengaruh komponen rlc terhadap besar tegangan dan arus starting

Jurnal
Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
_______________________________________________________________________________
PENGARUH KOMPONEN RLC
TERHADAP BESAR TEGANGAN DAN
ARUS STARTING MOTOR INDUKSI SATU
FASE
LukitaJati Nugraha1, T. Haryono2, F. Danang Wijaya3
Abstract—One
phenomenon
that
can
cause
disturbances in electrical power system is transient. This
is because of the high pressure due to increased
current/voltage during transient. Motor starting often
causes this phenomenon resulting an increased number of
current that increases the line voltage drop. This study
was aimed to determine the effect of RLC addition at the
beginning of a motor starting regarding to motor starting
current and voltage. The expected outcome of this
research was to decrease the starting current of the motor
so that the negative effects of the voltage drop can be
decreased. This study was done by starting the motor
directly (direct online start) and by noting the values of
the motor starting voltage and current. In the starting
circuit, series RL and parallel C relatively to motor were
added. The RLC were varied with all possible
combinations so that the effect of each component could
be seen. The study was conducted in two conditions: noload and loaded ones. From this study, it can be
concluded that the greater the series values of resistance
and inductance, the the smaller value of motor starting
current and voltage.
Intisari—Salah
satu
fenomena
yang
dapat
menyebabkan gangguan pada sistem tenaga listrik
adalah transien. Hal ini karena timbulnya tekanan yang
sangat besar akibat bertambah besarnya arus/tegangan
saat terjadi transien. Operasi permulaan pada motor
sering mengakibatkan fenomena transien yang
mengakibatkan besar arus bertambah sehingga
menimbulkan drop tegangan pada saluran lebih tinggi.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh
penambahan komponen RLC pada saat awal pengasutan
motor terhadap besar arus dan tegangan start motor.
Hasil yang diharapkan pada penelitian ini adalah
mengecilnya arus start motor sehingga efek negatif dari
terjadinya drop tegangan dapat dikurangi. Penelitian
dilakukan dengan mengasut motor secara langsung
(direct online) dan mencatat nilai tegangan motor dan
arus motor. Setelah itu rangkaian asut ditambahkan RL
yang dipasang seri dan C yang dipasang paralel terhadap
1Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi
Informasi, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika 2,
Kampus UGM Yogyakarta 55281 INDONESIA (tlp:
0274-552301;
fax:
0274-552305;
email:[email protected]
2,
3
DosenJurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi,
UniversitasGadjahMada, Jalan Grafika 2, Kampus
UGM Yogyakarta 55281 INDONESIA (tlp: 0274552301; fax: 0274-552305
motor. Nilai kombinasi RLC diubah-ubah sehingga
dapat terlihat pengaruh masing-masing komponen.
Penelitian ini dilakukan dalam dua kondisi, yaitu kondisi
tanpa beban dan kondisi berbeban. Dari penelitian ini,
dapat disimpulkan bahwa semakin besar nilai resistans
dan induktans yang diseri dengan motor, maka arus dan
tegangan motor saat start semakin turun.
Kata Kunci— Motor induksi satu fase, Tegangan asut,
Arus asut, RLC, Prony brake
I. PENDAHULUAN
Suatu sistem tenaga listrik dapat mengalami
gangguan yang dapat mengakibatkan terhentinya
penyaluran daya listrik. Salah satu penyebab gangguan
yang mungkin terjadi adalah rusaknya sistem isolasi
karena pengaruh tegangan lebih akibat operasi
pensaklaran maupun akibat surja hubung. Hal ini
karena adanya perubahan kondisi yang mengakibatkan
terjadinya fenomena transien. Keadaan ini sangat
penting untuk diperhatikan karena terjadinya tekanan
yang sangat besar akibat bertambah besarnya
arus/tegangan[1]. Magnitudo tegangan lebih transien
tersebut dapat merusak bahan isolasi karena adanya
arus yang besar sehingga menimbulkan panas yang
lebih dari keadaan normal. Jika ketahanan termis
peralatan listrik tidak mampu menahan efek dari
kejadian transien, maka terjadilah kerusakan pada
isolator peralatan yang dapat menimbulkan gangguan
yang lebih besar. Selain itu, tegangan yang lebih besar
dapat menimbulkan tekanan mekanis, misalnya antar
lilitan pada motor.
Salah satu peralatan listrik yang dapat menyebabkan
transien adalah
motor listrik pada saat awal
beroperasi[2]. Terdapat banyak jenis motor listrik.
Salah satu jenis motor listrik yang sering digunakan di
industri adalah motor induksi satu fase, yang juga
banyak digunakan di peralatan rumah tangga[3]. Motor
induksi adalah motor listrik bolak-balik (ac) yang
putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan
stator, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran
medan stator terdapat selisih putaran yang disebut slip.
Motor induksi satu fase sering digunakan sebagai
penggerak pada peralatan yang memerlukan daya
rendah dan kecepatan yang relatif konstan. Hal ini
disebabkan karena motor induksi satu fase memiliki
beberapa kelebihan yaitu konstruksi yang cukup
sederhana, kecepatan putar yang hampir konstan
29
Volume
1 Nomor 1, April 2014
_______________________________________________________________________________
Artikel Reguler
_____________________________________________________________________________
terhadap perubahan beban, dan umumnya digunakan
pada sumber jala- jala satu fase yang banyak terdapat
pada peralatan domestik[4].
Penelitian ini dilakukan untuk meneliti nilai R, L,
dan C dalam mempengaruhi tegangan, arus dan waktu
start motor induksi satu fase.
II. DASAR TEORI
Motor induksi adalah motor listrik bolak-balik (ac)
yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran
medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan
putaran medan stator terdapat selisih putaran yang
disebut slip. Motor induksi satu fase sering digunakan
sebagai penggerak pada peralatan yang memerlukan
daya rendah dan kecepatan yang relatif konstan.
Konstruksi motor induksi satu fase terdiri dari dua
bagian utama yaitu stator dan rotor yang dipisahkan
oleh celah udara. Stator merupakan bagian yang diam
sebagai rangka tempat kumparan stator yang terpasang
sedangkan rotor merupakan bagian yang berputar.
Konsep medan putar ganda pada motor induksi satu
fase menjelaskan bahwa fluks yang dihasilkan
ekuivalen dengan dua buah fluks yang mempunyai
besar yang sama dan berputar dalam arah yang
berlawanan pada kecepatan sinkron. Masing-masing
fluks ini akan mengimbaskan komponen arus rotor dan
menghasilkan gerak motor induksi seperti pada motor
induksi fase banyak. Gbr. 1 menunjukkan rangkaian
ekuivalen motor induksi saat keadaan diam. Pada saat
keadaan diam, jika rangkaian stator dihubungkan
dengan tegangan satu fase, maka motor induksi dapat
dinyatakan sebagai transformator dengan kumparan
sekunder terhubung singkat. Dengan menggunakan
konsep medan putar fluks yang dihasilkan, kumparan
stator dapat dipecah menjadi dua bagian yaitu : medan
putar maju dan medan putar mundur. Kedua medan
putar ini akan mengimbaskan ggl pada kumparan rotor
sehingga tahanan dan reaktansi pada kumparan rotor
yang diekuivalenkan masing - masing memiliki nilai
setengah dari nilai tahanan dan reaktansi kumparan
rotor sesungguhnya, yaitu sebesar R2/2 dan X2/2.
Pada saat kecepatan motor induksi mulai bertambah
dan bekerja hanya pada kumparan utama, pada arah
medan maju menggunakan slip s, arus rotor yang
diimbaskan medan maju mempunyai frekuensi s.f,
dimana f adalah frekuensi stator. Arus rotor ini akan
menghasilkan fluks yang bergerak maju pada
kecepatan slip. Fluks ini akan membangkitkan ggl
dengan arah maju pada kumparan utama stator.
Pangaruh pada rotor jika dilihat dari sisi stator dapat
dinyatakan sebagai suatu impedansi sebesar 0,5 R2 /s
+ j 0,5 X2 paralel dengan Xm dan Rc.
Gbr. 1Rangkaianekuivalen motor induksisatufasesaatdiam
Pada arah medan putar mundur, rotor tetap bergerak
dengan slip s berpatokan pada medan maju dan
besarnya kecepatan putar medan maju adalah :
(1)
𝑛=1−𝑠
Gbr. 2 Rangkaianekuivalen motor induksisatufasesaatberoperasi
Kecepatan relatif dari rotor dengan berpatokan pada
medan mundur adalah 1+ n, atau besarnya slip
terhadap medan mundur adalah :
(2)
1+𝑛 =2−𝑠
Selanjutnya medan mundur mengimbaskan arus
rotor dengan frekuensi (2– s)f. Arus rotor ini akan
menghasilkan fluks yang bergerak mundur. Fluks ini
akan mengimbaskan ggl pada medan mundur
kumparan stator.
Prinsip kerja dari motor induksi dapat dijelaskan
sebagai berikut. Apabila kumparan-kumparan motor
induksi satu fase yang memiliki p buah pole dialiri
arus bolak-balik satu fase dengan frekuensi f Hz, maka
pada celah udara akan dibangkitkan medan yang
berputar dengan kecepatan putaran:
120 𝑓
(3)
𝑛=
𝑝
Medan magnet berputar bergerak memotongN buah
lilitan rotor sehingga menginduksikan tegangan listrik
pada kumparan-kumparan tersebut. Biasannya lilitan
rotor berada dalam hubung singkat. Akibatnya lilitan
rotor akan mengalir arus listrik yang besarnya
tergantung pada besarnya tegangan induksi dan
impedansi rotor. Arus listrik yang mengalir pada rotor
akan mengakibatkan medan magnet rotor dengan
kecepatan medan putar stator (ns). Interaksi medan
stator dan rotor akan membangkitkan torsi yang
menggerakkan rotor berputar searah dengan arah
medan putar stator. Interaksi medan stator dan rotor
juga menyebabkan terjadinya gaya gerak listrik
induksi 𝜀 yang disebabkan oleh kumparan-kumparan
stator dan rotor. Gaya gerak listrik yang terjadi pada
motor induksi satu fase dapat dirumuskan sebagai
berikut :
𝑑∅𝑡
(4)
𝜀 = −𝑁
𝑑𝑡
Dengan ∅𝑡 merupakan besar fluks yang besarnya
berbeda terhadap waktu tergantung besar fluks yang
diterima oleh rotor.
III. METODOLOGI
Objek yang digunakan sebagai penelitian untuk
tugas akhir ini adalah motor induksi satu fase yang
difokuskan pada magnitude tegangan dan arus pada
saat starting. Data diambil pada keadaan motor tanpa
beban dan motor berbeban. Motor distar t secara
30
Volume 1 Nomor 1, April 2014
_______________________________________________________________________________
Jurnal
Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
_______________________________________________________________________________
langsung (direct online), kemudian diukur nilai-nilai
yang dibutuhkan, yaitu tegangan start, arus start,
tegangan run, dan arus run motor. Kemudian
rangkaian diubah menjadi seperti pada Gbr. 3. RL
dipasang secara seri dan C dipasang ecara parallel
terhadap motor.
(6)
𝑇 = 𝛥𝐹 × 𝑟
Dengan mengukur kecepatan sudut putaran motor
ω=2πf, makadaya beban motor P dapatdiketahui:
(6)
𝑃=𝑇 × ω
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada keadaan tanpa beban, hasil pengukuran dapat
dilihat pada Gbr.4 hingga Gbr.9. Terlihat bahwa
kenaikan nilai R fan L secara seri terhadap motor
berpengaruh pada penurunan nilai tegangan start dan
arusstart motor. Hal ini disebabkan karena R dan L
dirangkai seri sehingga saat ada arus yang melaluinya,
akan timbul drop tegangan. Semakin besar R dan L,
makasemakin besar nilai impedans dan arus start
motor semakin terbatasi.
100
80
60
40
20
0
C=5.3 µF
L1
L2
L3
0
10
20
30
Resistans (Ohm)
Gbr. 4Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V start dengan
C=5,3 µF
80
V start (V)
Arus dan tegangan motor diukur dengan
menggunakan osiloskop agar dapat diketahui nilai saat
terjadi transien. Arus diubah menjadi tegangan dan
digunakan sebagai masukan 1 osiloskop.Tegangan
diturunkan terlebih dahulu menggunakan voltage
divider karena tegangan masukan maksimal motor
adalah 40 Vpp.
Pengambilan data diulang dengan pengubahan
kombinasi RLC yang berbeda.Pada keadaan tanpa
beban, digunakan nilai R sebesar5 Ω, 10 Ω, 15Ω dan
25 Ω, nilai L sebesar 656 mH, 328 mH, dan 218,6 mH,
sertanilai C sebesar 16 µF, 8µF, dan 5,3 µF. sedangkan
pada keadaan tanpa beban, digunakan nilai R sebesar 5
Ω, 15Ω dan 25 Ω, nilai L sebesar 164 mH, dengan
nilai C sama seperti pada percobaan tanpa beban.
Pembebanan dapat dilakukan dengan metode
proneybrake[5] seperti terlihat pada Gbr 4.
V start (V)
Gbr. 3Rangkaianpercobaan
C=8 µF
60
40
L1
20
L2
0
L3
0
10
20
30
Resistans (Ohm)
Gbr. 5Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V start dengan
C=8 µF
Gbr. 4 Prony brake
Belt dihubungkan kedua timbangan kemudian
diremkan ke pulley motor. Karena motor berputar,
terjadi perbedaan kekencangan taliF1danF2 yang
merupakan perbedaan massa 1 m1dan massa 2 m2
yang dikalikan dengan besar percepatan grafitasi
sebesar 9,8 m/s2.
(5)
𝛥𝐹 = (𝑚1 − 𝑚2)9,8
Karena jari-jari pulley r diketahui, maka torsi motor T
dapat d ihitung dengan persamaan:
V start (V)
80
C=16 µF
60
40
L1
20
L2
0
L3
0
10
20
30
Resistans (Ohm)
Gbr. 6Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V star tdengan
C=16 µF
31
Volume
1 Nomor 1, April 2014
_______________________________________________________________________________
Artikel Reguler
_____________________________________________________________________________
Nr
(RPM)
C=5.3 µF
2
1
0
0
10
20
30
0.204918
63.4796932
2946
0.64
0.23
0.204918
63.2435496
L2
2950
0.58
0.19
0.194922
60.24018
L3
2955
0.52
0.17
0.17493
54.15333
2927
0.8
0.32
0.239904
73.5637056
2920
0.76
0.29
0.234906
71.858864
2960
0.65
0.23
0.209916
65.093952
2915
0.83
0.37
0.229908
70.209524
2930
0.77
0.29
0.239904
73.639104
2928
0.72
0.28
0.219912
67.4564352
Arus Starting (A)
L2
L3
Resistans (Ohm)
Arus Starting (A)
Gbr. 8Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I start dengan
C=8 µF
2.5
2
1.5
1
0.5
0
P
(W)
0.22
L1
40
T
(Nm)
0.63
C=8 µF
20
m2
(kg)
2957
Gbr. 7Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I start dengan
C=5,3 µF
0
m1
(kg)
L1
Resistans (Ohm)
2.5
2
1.5
1
0.5
0
TABEL I
PERHITUNGAN DAYA BEBAN MOTOR
C=16 µF
Dari tabel di atas, terlihat bahwa torsi motor pada
keadaan tunak mendekati nol tetapi masih memiliki
nilai yang disebabkan motor pada keadaan berbeban.
Semakin besar beban, maka semakin besar torsi yang
dibutuhkan oleh motor untuk berputar.
300
Vstart (V)
3
terukur pada timbangan dalam kg, T merupakan torsi
yang dihasilkan oleh motor pada keadaan tunak dalam
Nm, dan P merupakan daya beban motor dalam Watt
yang merupakan hasil perhitungan.
L=164 mH
200
R1
100
R2
0
L1
0
L2
10
20
R3
Kapasitans (uF)
L3
0
10
20
30
Reistans (Ohm)
Gbr. 9Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I star tdengan
C=16 µF
Hal yang sama terjadi pada keadaan berbeban.
Bertambahnya nilai R dan L yang diseri juga
mengurangi tegangan dan arus motor, sedangkan
semakin besar nilai C yang diparalel menyebabkan
semakin tingginya nilai tegangan dan arus start motor.
Hasil ini dapat dilihat pada Gbr 10 dan Gbr 11.
Pemberian nilai L yang lebih besar tidak mampu menstart motor sehingga data yang diukur hanya
menggunakan nilai 1 induktans. Pada pengujian ini,
motor dibebani dengan caradirem dengan daya
pengereman tetap. Seperti yang terlihat padaTabel 1,
daya rata-rata yang digunakan pada pengujian ini
adalah sebesar 66,3 W. Nr merupakan kecepatan putar
rotor dalam RPM, m1 dan m2 merupakan massa yang
Gbr. 10Grafikpengaruhnilai R dan C terhadap V startdengan
L=164 mH
6
Istart (A)
Arus Starting (A)
Sedangkan pengaruh C pada motor berkebalikan
dengan pengaruh R dan L. semakin besar nilai C yang
dipasang paralel terhadap motor, semakin tinggi nilai
tegangan dan arus start motor. Hal ini disebabkan
karena kapasitor rmenyimpan energy listrik sehingga
dapat meningkatkan nilai rata-rata tegangan yang
sampai ke motor.
L=164 mH
4
R1
2
R2
0
0
10
20
R3
Kapasitans (uF)
Gbr. 9Grafik pengaruh nilai R dan C terhadap I star tdengan
L=164 mH
Pada pengujian tanpa beban, tegangan yang
digunakan adalah sebesar 170 V karena pada keadaan
ini, arus yang melalui R dan L seri sangat kecil
sehingga tegangan yang didrop oleh komponen R dan
L tidak cukup untuk mengkompensasi tegangan yang
32
Volume 1 Nomor 1, April 2014
_______________________________________________________________________________
Jurnal
Penelitian Teknik Elektro dan Teknologi Informasi
_______________________________________________________________________________
naik akibat pemasangan C paralel. Sedangkan pada
keadaan berbeban, tegangan tetap digunakan 220 V
karena arus pada kondisi berbeban cukup tinggi
sehingga kenaikan tegangan akibat paralel C mampu
dikompensasi oleh pengedropan tegangan oleh R dan
L seri.
Selain berpengaruh terhadap besar arus dan
tegangan start motor, penambahan RLC pada
rangakain start motor jugaberpengaruh pada lama start
motor. Gbr 10 dan 11 merupakan grafik hubungan
Antara nilai induktansi dan lama start motor.
t start (s)
30
R=5 Ohm
20
C1
10
4. Semakin besar nilai R dan L seri terhadap motor, t
start motor semakin lama. Semakin besar nilai C
parallel terhadap motor, t start semakin cepat.
5. Saat kondisi berbeban, kombinasi nilai RLC sangat
perlu diperhitungkan agar motor dapat tetap
starttkarena pada pengujian ini, pada 2 nilai
induktans yang digunakan motor tidakdapat start
karena torsinya terlalu kecil.
UCAPANTERIMAKASIH
Terima kasih kepada Bapak Sarjiya, S.T., M.T.,
Ph.D selaku kepala jurusan Teknik Elektro dan
Teknologi Informasi UGM, Prof. Dr. Ir. T. Haryono,
M.Sc. selaku dosen pembimbing I, Dr. Eng. F. Danang
Wijaya, S.T., M.T.selaku dosen pembimbing II,
teman-teman angkatan 2009, dan semua orang yang
terlibat dalam penulisan skripsi penulis.
C2
0
C3
200
400
600
REFERENSI
[1]
[2]
Induktans (mH)
Gbr 10.Grafik pengaruh nilai L terhadap t start dengan R=5 Ω
[3]
t start (s)
40
R=25 Ohm
30
[4]
20
C1
10
C2
0
200
400
600
[5]
Greenwood, A., “Electrical Transients In Power Systems”,
Wiley & Son, Inc, p.1,1971.
G. José, J Baptista, L Neves, and F.T. Oliveira. “Simulation
of the effect of voltage transients on an induction motor with
ATP/EMTP,” International
Conference on Renewable
Energies and Power Quality, 2009.
Popesçu M., T. J. E. Miller, M. I. McGilp, G. Strappazzon, N.
Trivillin,dan R. Santarossa. “Line start permanent magnet
motor: Singlephasestarting performance analysis”.in Proc.
Conf. Rec. IEEE Ind.Appl. Soc. Annual Meeting, 2002.
Sunyoto. “Mesin listrik arus bolak-balik”. FPTK IKIP
Yogyakarta. p.2, 1995
Farel, Daud. “UnjukKerja Motor Induksi Tiga Fase Sangkar
Tupai Bila Salah Satu Fase Tegangan Sumber Terputus”.
Yogyakarta,2013.
C3
Induktans (mH)
Gbr 11.Grafik pengaruh nilai L terhadap t start dengan R=25 Ω
Semakin besar nilai R dan L seri motor, maka arus
yang mengalir semakin kecil sehingga torsi yang
dihasilkan oleh motor semakin kecil. Torsi yang kecil
ini mengakibatkan percepatan putar motor kecil
sehingga motor memerlukan waktu yang lebih lama
untuk berputar.
IV. KESIMPULAN
Dari hasil penelitian ini dapat disimpulkan bahwa:
1. Semakin besar nilai resistans yang diseri terhadap
motor saat start, maka tegangan dan arus start
motor semakin kecil. Hal ini disebabkan oleh
membesarnya nilai impedans saat nilai resistans
semakin besar.
2. Semakin besar nilai induktans yang diseri terhadap
motor saat start, maka tegangan dan arus start
motor juga semakin kecil. Hal ini juga disebabkan
oleh membesarnya nilai impedans saat nilai
induktans semakin besar.
3. Semakin besar nilai kapasitor yang diparalel
terhadap motor, maka nilai arus start dan tegangan
start motor juga relative membesar.
33
Volume
1 Nomor 1, April 2014
_______________________________________________________________________________