(derating) motor induksi

ANALISA KETIDAKSEIMBANGAN FASA TERHADAP
KEMAMPUAN KERJA (DERATING) MOTOR INDUKSI
Umar Wirahadi Kusuma
Departemen Teknik Elektro, Universitas Indonesia
Kampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia
[email protected]
Abstrak - Kemampuan kerja
(derating) motor induksi berdasarkan
standar
internasional
NEMA
(National Electrical Manufacturers
Association) dapat di hitung melalui
ketidak seimbangan fasa nya. Pada
studi kasus ini, kemampuan keraja
motor karena ketidak seimbangan
fasa
berdasarkan
NEMA
dibandingkan
dengan
hasil
perhitungan
bersarkan
data
pengukuran.
Kata kunci - Tegangan tidak
seimbang,
derating,
komponen
simetris
Abstract - Based on standard of
NEMA
(National
Electrical
Manufacturers Association), the
derating of induction motor due to
voltage unbalance can be calculated.
In this case study the derating of
induction motor is compared to
calculation based on measurement.
Keyword – Voltage unbalance,
derating, symmetric component
1. PENDAHULUAN
A. LatarBelakangMasalah
Motor induksi sangat banyak
digunakan di dunia industri karena
konstruksinya
yang
sederhana,
perawatan
yang
mudah
dan
karakteristik operasi yang bagus.
Pada umum nya motor-motor induksi
tersebut digunakan untuk penggerak
pompa dan kipas pendingin. Motor
induksi
yang
paling
banyak
digunakan adalah motor induksi tiga
fasa. Motor ini di rancang dengan
asumsi sumber tegangan yang
seimbang.
Sumber
tegangan
dari
transmisi pada umum nya cukup
seimbang, baik dari magnitude
maupun
sudut
nya.
Ketidakseimbangan fasa terjadi pada
utilisasi,
hal
ini
bisa
dikarenakangangguan-gangguan
asimetris dalam sistem tenaga,
distribusi
beban
yang
tidak
seimbang, transmisi yang tidak
sempurna,
transformator
yang
kurang baik dan lain sebagainya.
Ketidakseimbangan
fasa
adalah perbedaan magnitude atau
pun sudut masing-masing fasa pada
sistem kelistrikan tiga fasa. Faktor
ketidakseimbangan fasa dinyatakan
dengan rasio perbandingan antara
fasa urutan negatif terhadap fasa
urutan positf yang dinyatakan dalam
persen.
Sudah banyak studi yang
membuktikan
bahwa
ketidak
seimbangan fasa tidak baik terhadap
motor. Ketidakseimbangan fasa bisa
menyebabkan
panas, merusak
isolasi,
menimbulkan
getaran
berlebih pada motor dan mengurangi
usia motor. Untuk menjaga agar
umur motor induksi yang beroperasi
pada tegangan yang tidak seimbang
tidak berkurang dengan cepat maka
beban operasi motor tersebut perlu
dikurangi dari kapasitas semula, atau
yang biasa di sebut derating.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
B. TujuanPenulisan
1. Menganalisa
kemampuan
kemampuan operasional motor
induksi
akibat
ketidak
seimbangan fasa
2. Membandingkan
hasil
perhitungan
kemampuan
operasional
motor
karena
tegangan tak seimbang dengan
standar NEMA
C. PerumusanMasalah
Dalam
Analisa
ketidakseimbangan fasa terahadap
kemampuan kerja motor induksi
akan dibahas tentang hal-hal sebagai
berikut:
1. Definisi motor induksi
2. Komponen
simetris
untuk
menganalisa ketidak seimbangan
suatu sistem kelistrikan.
3. Derating motor induksi
D. PembatasanMasalah
1. Data yang di analisa adalah
data hasil pengukuran terhadap
empat buah motor induksi3
fasa
dengan
sepesifikasi
masing-masing tegangan dan
daya nya adalah:motor pertama
460 V, 100 kW. Motor kedua
4000 V, 750 kW. Motor
ketiga4000 V, 2537 kW. Motor
keempat 4000 V, 3350 kW.
2. Pembanding hasil analisa
menggunakan
standar
internasional NEMA (National
Electrical
Manufacturers
Associationi)
3. Analisa data dibatasi pada
derating yang diakibatkan oleh
ketidakseimbangan fasa.
E. MetodePenulisan
1. Menganalisa data pengukuran
terhadap beberapa motor induksi
2. Hasil analisa dibandingkan
dengan kurva derating NEMA
MG1
3. Perhitungan dilakukan secara
manual berdasarkan teori-teori
pada literatur
4. Kesimpulan dibuat berdasarkan
hasil analisa di atas.
F. SistematikaPenulisan
Bab
pertama
merupakan
pendahuluan yang berisi latar
belakang masalah, tujuan, rumusan
masalah,
batasan
masalah,
metodologi
penulisan
dan
sistematika penulisan. Bab kedua
merupakan landasan teori dari motor
induksi, yang berisi penjelasan
secara garis besar tentang motor
listriklistrik dan dikhususkan pada
motor induksi tiga fasa. Bab ketiga
menjelaskan tentang prinsip-prinsip
dasar analisa, terutama mengenai
komponen simetris. Selanjut nya bab
keempat berisi analisa dari kasus
yang ada. Bab kelima merupakan
bab terakhir yang berisi kesimpulan
dari analisa data.
2. KETIDAKSEIMBANGAN
FASA MOTOR INDUKSI
Sistem tiga fasa yang tidak
seimbang ini dapat diuraikan
menjadi tiga buahkomponen simetris
untuk memudahkan analisis, yaitu:
1. Komponen
urutan
positif
(positive
sequence),
yang
fasorya
sama
besar
danmempunyai beda fasa 120°,
serta urutan fasanya sama
dengan urutan fasaaslinya.
2. Komponen urutan negative
(negative sequence), yang sama
seperti urutanpositif, hanya
urutan
fasanya
berlawanan
dengan urutan fasa aslinya.
3. Komponen urutan nol (zero
sequence) yang fasomya sama
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
besar dan denganpergeseran fasa
nol antara fasor yang satu
dengan yang lain.
Notasi yang digunakan untuk
komponen urutan tersebut biasanya
diberikan subskrip 1, 2 dan 0 pada
komponen arus dan tegangannva.
Jadi, komponen urutan positif dari
tegangan Va, Vb dan Vc adalah Val,
Vb1 dan Vcl; komponen urutan
negatifnya Va2, Vb2 dan Vc2; serta
komponen umtan nolnya Vao, Vbo
dan Vco.
dapat
dituliskan
Berikut gambar fasor
komponen simetris tegangan:
dari
Gambar 2.1 Komponen
simetris dari sistem 3 fasa yang tidak
seimbang
=
Sehingga, hubungan antara
komponen-komponen
simetrisnya
dan tegangan sistemnya dapat
dituliskan sebagai berikut:
=
(
+
=
(
+
=
(
+
)
+
)
+
)
+
Persamaan-persamaan
tegangan tersebut berlaku juga pada
persamaan untuk arusnya yang
dinyatakan sebagai berikut:
=
=
=
arus netralnya
menjadi:
=
+ +
+
+
+
+
+
=
(
+
=
(
+
=
(
+
A. Ketidak seimbangan pada motor
induksi
Kinerja motor dipengaruhi oleh
kualitas daya yang masuk,yang
ditentukan oleh tegangan dan
frekuensi
aktual
dibandingkan
dengan nilai dasar. Fluktuasi dalam
tegangan dan frekuensi yang lebih
besar daripada nilai yang diterima
memiliki dampak yang merugikan
pada kinerja motor.
. .
1. Tegangan urutan positif pada
motor induksi
Beirikut ini adalah rangkaian
ekivalen urutan positif pada motor
induksi pada saat motor mendapat
tegangan tak seimbang.
)
+
+
+
)
)
Arus netral yang mengalir
adalah jumlah arus yang mengalir
pada tiap fasanya. Jadi, persamaan
Gambar 2.2 Rangkaian
ekivalen urutan positif motor induksi
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
Dimana:
V1 = Tegangan urutan
positif
Rs = Tahanan stator
jXs = Reaktansi stator
jXm = Reaktansi magnet
jXr = Reaktansi rotor
Rr = Tahanan rotor
s
= slip
Dimana:
V2 =
Tegangan
urutan
negatif
Rs = Tahanan stator
jXs = Reaktansi stator
jXm =Reaktansi magnet
jXr = Reaktansi rotor
Rr = Tahanan rotor
s
= slip
=
Berdasarkan
rangkaian
equivalen di atas maka di dapat
impedansi urutan positif dengan
persamaan berikut:
(
=
+
)
+
( )
+
+ (
+
)
Tegangan urutan positif dapat
dihitung berdasarkan komponen
simetris
dengan
menggunakan
persamaan berikut:
(
=
+
)
+
Dengan didapatnya tegangan
urutan positif dan impedansi urutan
negatif maka arus urutan positif bisa
dihitung menggunakan persamaan
berikut:
+
(
)
+
+ (
+
)
Tegangan urutan negatif dapat
dihitung berdasarkan komponen
simetris
dengan
menggunakan
persamaan berikut:
=
(
+
+
)
Dengan didapatnya tegangan
urutan positif dan impedansi urutan
negatif maka arus urutan positif bisa
dihitung menggunakan persamaan
berikut:
=
3.
=
Tegangan urutan negatif pada
motor induksi
Beirikut ini adalah rangkaian
ekivalen urutan negatif pada motor
induksi pada saat motor mendapat
tegangan tak seimbang.
2.
R1
jX1
Faktor tegangan tidak seimbang
(VUF)
Faktor
tegangan
tidak
seimbang
(Voltage
unbalance
factor:VUF) adalah perbandingan
tegangan urutan negatif terhadap
tegangan urutan positif yang
dinyatakan dalam persen, sesuai
dengan persamaan berikut:
jX2
=
V2
)
(
+
jXm
Gambar 2.3 Rangkaian
ekivalen urutan negatif motor
induksi
R2/(2-s)
×
%
Arus tidak seimbang
Dengan
menggunakan
komponen simetris maka arus urutan
positif dan arus urutan negatif dapat
dihitung
dengan
menggunakan
persamaan berikut:
4.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
=
(
+
=
(
+
+
+
)
)
5.
Faktor arus tidak seimbang
(CUF)
Faktor arus tidak seimbang
(Current unbalance factor:CUF)
adalah perbandingan arus urutan
negatif terhadap tegangan urutan
positif yang dinyatakan dalam
persen, sesuai dengan persamaan
berikut:
=
×
0%
B. Derating Factor
Untuk mencegah motor terlalu
panas
karena tegangan tidak
seimbang pada saat dioperasikan,
motor induksi harus di operasikan di
bawah daya rated nya. Ini biasa di
sebut motor induksi derating. Faktor
derating motor induksi akibat
tegangan tidak seimbang adalah rasio
antara daya yang di hitung terhadap
daya
rated
nya. Berdasarkan
petunjuk NEMA, mengoperasikan
motor induksi dengan besar tegangan
tidak seimbang diatas 5% tidak
direkomendasikan. Tegangan tidak
seimbang membuat motor menjadi
lebih panas. Menurut standar
NEMA, pada saat tegangan tidak
seimbang mencapai 5%, maka suhu
akan naik lebih cepat. Untuk
mentoleransi panas yang diakibatkan
oleh tegangan tidak seimbang maka
standar NEMA menyarankan untuk
menurunkan beban motor induksi.
Bedasarkan hasil berbagai test
dari NEMA terhadap motor induksi
maka
didapat
hubungan
ketidakseimbangan terhadap faktor
derating sesuai dengna kurva
berikut:
Gambar 2.4 Kurva derating
NEMA MG1
3. ANALISA
DATA
KETIDAKSEIMBANGAN
FASA DARI DATA HASIL
PENGUKURAN
Berikut ini adalah data
spesifikasi motor induksi yang di
dapat dari name plate motor.
Tabel 3-1Data motor-motor induksi
yang di ukur berdasarkan nameplate
Tabel berikut merupakan hasil
pengukuran pada masing-masing
motor. Data pengukuran adalah
tegangan,
arus,
faktor
ketidakseimbangan tengangan, dan
faktor ketidakseimbangan arus.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
Tabel
3-2
Ketidakseimbangan
tegangan dan arus pada motor
berdasarkan hasil pengukuran
Derating
1.00
0.95
0.90
0.85
0.80
1
Tabel berikut merupakan hasil
perhitungan arus nol pada masingmasing motor.
Tabel 3-3 Arus nol pada masingmasing motor
Dari data tegangan dan arus
yang ada, maka bisa dihitung faktor
ketidakseimbangan
arus
dan
tegangan dengan menggunakan
metoda komponen simetris.
Tabel 3-4 Perbandingan antara
pengukuran dan perhitungan
Tabel 3-5 Derating motor
2
3
4
Gambar 3.1 Derating motor
dengan kurva NEMA
Keterangan
 Merah: KM7401B
 Kuning: KM6802B
 Biru: KM6801A
 Hijau: GM7201E
Standar NEMA berlaku untuk
semua motor dan tidak tergantung
pada kapasitas daya motor.
4. KESIMPULAN
1. Ketidakseimbangan arus dan
tegangan pada motor bisa berasal
pasokan daya atau pun dari motor
itu sendiri. Oleh sebab itu,
sebelum melakukan pengukuran
pastikan terlebih dahulu kondisi
awal pasokan daya
2. Besarnya
penyimpangan
persentase
tegangan
(VUF)
menunjukkan
peresentase
penurunan kemampuan kerja
motor (Tabel 4-1).
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012
5
VUF
Tabel 4-1 Derating daya motor
akibat ketidakseimbangan fasa.
DAFTARPUSTAKA
[1] Utomo, Agus R., Mesin
Sinkron, Diktat Kuliah Teknik
Tenaga Listrik, Departemen
Teknik Elektro, Universitas
Indonesia.
[2] Wildi, Theodore. Electrical
Machines, Drives, and Power
System Third Edition, New
Jersey:
Prentice-Hall
International, Inc., 1997.
[3] Bab II Motor Induksi Tiga
Fasa
http://repository.usu.ac.id/bitstr
eam/123456789/20004/3/Chapt
er%20II.pdfdiakses
pada
tanggal 13Juni 2012
[4] Motor Induksi Tiga Fasa
http://student.eepisits.edu/~shy/MESIN%20MI%2
03PHASA.ppt
diakses pada tanggal 13Juni
2012
[5] Zuhal. Dasar Teknik Tenaga
Listrik dan Elektronika Daya,
Jakarta: PT. Gramedia Pustaka
Utama, 1995.
[7] K.S.,
Sandhu.,
Vineet
Chaudhary.
MATLAB
&
PSIM Based Analysis of
Three- Phase Induction Motor
Operation with Unbalanced
Supply System.
[8]
Davis, M.W., R. Broadwater, J.
Hambrick. (2007). Modeling
and Testing of
Unbalanced Loading and
Voltage Regulation. National
Renewable Energy Laboratory.
Colorado: National Renewable
Energy Laboratory
[9] Krishna K.V. Vamsi,. Effects
of unbalance voltage on
induction motor current and its
operation
performance.
Bangalore: Lecon Systems
[10] ANSARI, A A., D M
DESHPANDE.(2009).
INVESTIGATION
OF
PERFORMANCE
OF
3PHASE
ASNCHRONOUS
MACHINE UNDER VOLTAGE
UNBALANCE. India: Journal
of Theoretical and Applied
Information Technology.
Analisa Ketidakseimbangan ... Umar Wirahadi Kusuma, FT UI, 2012