Pengaruh Pengasutan Motor Induksi Terhadap Kualitas Daya Listrik

Transkripsi

1 Pengaruh Pengasutan Motor Induksi Terhadap Kualitas Daya Listrik Muhammad Hamdani Rizal Teknik Elektro Universitas Indonesia Depok, Jawa Barat, Indonesia Abstrak Makalah ini menyajikan pengaruh beban motor terhadap mutu daya listrik. Hal yng menjadi perhatian pada beban motor adalah karakteristik motor pada saat starting. Starting motor dapat mengakibatkan munculnya drop tegangan, sags, transien, dan flicker. Hal tersebut tentu mempengaruhi kualitas daya listrik yang digunakan. Dalam makalah ini disajikan data beberapa jenis pengasutan motor dan karakteristiknya pada saat starting. Selain itu, penggunaan shunt filter untuk mengurangi nilai THD juga menjadi perhatian. Kualitas tegangan pada PCC menjadi perhatian selama proses pengasutan motor tersebut. Terdapat tiga grafik yang disajikan, yaitu pengasutan motor dilihat dari drop tegangan, tegangan sag, dan batasan flicker. Katakunci : Pengasutan Motor, Kualitas Daya, Sag, Flicker, Drop Tegangan, Shunt Filter. I. PENDAHULUAN Kualitas daya listrik yang disebabkan oleh pengasutan motor induksi telah di investigasi sejak lama. Diketahui bahwa pengasutan motor secara langsung seringkali menghasilkan tegangan sags dengan durasi lebih dari 30 siklus, terutama ketika motor dengan daya besar serta beban inersia tinggi dihubungkan terhadap system daya yang buruk. Selain itu, flicker juga dapat meningkat dikarenakan frekuensi pengasutan motor yang sporadic. Ketika sebuah motor induksi dihubungkan atau diasut dalam sebuah sistem, plan engineer perlu mengetahui apakah pengasutan motor tersebut menghasilkan tegangan sags, transien, dan flicker sesuai standar. Dalam makalah ini, akan dibahas pengaruh pengasutan motor terhadap tegangan dan arus yang berimbas pada kualitas daya listrik. Pengasutan direct-on-line, star-delta, dan autotransformer menjadi bahan yang akan dilihat karakteristik dan pengaruhnya terhadap kualitas daya listrik. Disamping itu, pengasutan dengan soft starter dan shunt filter menjadi perhatian terkait harmonik yang dihasilkan selama pengasutan awal motor. II. PRACTICAL CHARTS Gbr Kurva tegangan drop pada pengasutan motor. A. Drop Tegangan Prosedur pengasutan motor tidak diperbolehkan ketika mengakibatkan drop tegangan hingga 5% atau lebih pada PCC. Pada gambar 1.2, kurva mengindikasikan batas atas, akbiat pengasutan motor secara langsung menghasilkan drop tegangan yang tidak signifikan, dan area bawah menunjukkan pengasutan motor secara langsung dapat mengakibatkan drop tegangan lebih dari 5%. Sebagai contoh pada gambar 1.1, dimana sistem short ciruit adalah 28 MVA pada PCC, dan daya motor 1,1 MW dipasang pada PCC. Pada gambar tersebut terdapat titik merah yang berada pada area perhatian kualitas daya. Dapat disimpulkan bahwa motor 1,1 MW dapat mengakibatkan drop tegangan pada PCC ketika motor tersebut diasut secara langsung. Selanjutnya, analisis pengasutan motor secara mendetail diperlukan untuk investigasi masalah tegangan drop tersebut. Gbr. 1.1 Diagram pengasutan motor langsung dalam system distribusi

2 B. Kurva Tegangan Sag Tegangan sag merupakan drop tegangan yang berkaitan dengan durasi drop yang terjadi. Ketika motor memiliki nilai inersia yang besar, maka proses starting motor tersebut memerlukan waktu yang cukup lama untuk mencapai putaran maksimumnya, disini kemungkinan terjadinya tegangan sag besar. Gbr 1.4. Kurva Area Flicker III. PEMODELAN MOTOR INDUKSI Pemodelan motor induksi dibagi menjadi dua bagian. Pertama kita perlu menentukan perhitungan dan parameter input dari mesin, kemudian membuat pemodelannya. Gbr Kurva Tegangan Sag 1) Pengasutan Motor Tidak Mempengaruhi Kualitas Daya Listrik. Pada contoh pertama, motor diasumsikan dengan ukuran rasio motor terhadap sistem short circuit pada PCC adalah 0,032. Pada gambar 1.1, ketika motor dengan daya 0,9 MW (1250 hp) pada system short circuit PCC 28 MVA. Inersia konstan motor 1s. Titik C (0,032, 1) diketahui berada pada daerah yang tidak memerlukan PQ concern, seperti ditunjukkan pada gambar 1.3. Sehingga, pada titik C tidak akan menghasilkan masalah tegangan sag. 2) Pengasutan Motor Mengahasilkan Masalah Kualitas Daya. Pada gambar 1.3, poin D berkaitan dengan titik dimana S M /S C = 0,044 dan H = 1,1 s. Titik ini berada diatas garis batas kurva dan analisis lebih lanjut diperlukan terkait titik tersebut. 3) Titik Poin Dari Batas Kurva. Titik A dan B menunjukkan kondisi ekstrim. Titik A dengan nilai S M /S C = 0,022, jika S M /S C kurang dari 0,022 maka kurva ITIC tidak akan terganggu, dengan berapapun nilai inersia konstannya. Pada titik B, ketika S M /S C lebih besar dari 0,052, kurva ITIC akan selalu terganggu walaupun nilai inersianya kecil. C. Kurva Tegangan Flicker Terjadinya tegangan flicker pada saat pengasutan motor tidak hanya ditentukan oleh nilai drop tegangan, tetapi juga besarnya frekuensi yang dihasilkan saat pengasutan. Grafik flicker terdiri dari dua kurva : kurva P st dan kurva P lt. Gambar 1.4 menunjukkan P st = 0,9 pada kurva flicker pengasutan motor. Pada grafik tersebut, garis x merupakan nilai pengasutan motor per 10 menit dan garis y adalah tegangan drop di PCC per unit ( V/V). Pengukuran setiap 10 menit dilakukan dikarenakan nilai P st dihitung setiap 10 menit oleh flicker meter IEC. A. Parameter Input Untuk mendapatkan perhitungan parameter input, rangkaian akuivalen elemen motor induksi dapat dilihat pada gambar 3.1. Nilai dari masin-masing elemn dapat ditentukan dari pengukuran nilai tahanan winding stator, pengukuran tegangan nominal No-load, dan pengukuran short circuit. Gbr. 3.1 Rangkaian ekuivalen motor induksi Simulasi dan pengukuran berikut menggunakan motor induksi tiga phasa (YY) dengan label dan parameter sbb.

3 B. Model Simulasi Pemodelan dan simulasi dapat dilihat pada gambar 3.2 berikut. Gbr. 4.3 Gelombang elektromagnetik Gbr Simulasi Pemodelan Motor pada Matlab - Simulink Pada gambar 3.2. pemodelan menggunaan pemrograman sebagai sumber tegangan, dimana nilai tegangan dan frekuensinya diatur tetap. Nilai beban eksternal mesin induksi adalah torsi mekanik ( T m ). Nilai M Z = 0,2Nm ( No load torsi mekanik). Gambar 4.1 menunjukkan nilai maksimum arus stator selama start-up. Pada 7,3 ms arus start mencapai nilai I ST =11,83 A RMS. Berdasarkan grafik tersebut, gelombang berada pada kondisi steady saat 0,26 s dan nilai arusnya I 0 = 2,53 A. Pada gambar 4.2, kenaikan kecepatan motor terlihat stabil hingga n 0 = 1493 min -1 pada 0,26s. Gambar 4.3 menunjukkan nilai torsi transien mencapai peak 23,79Nm selama pengasutan awal motor. B. Hasil Pengukuran IV. HASIL DAN PERBANDINGAN A. Hasil Simulasi Gbr. 4.4 Grafik arus stator (RMS) Gbr Gelombang arus stator Gbr Grafik torsi mekanik dan kecepatan Gbr. 4.2 Gelombang kecepatan Pada gambar 4.6. diketahui arus start motor pada 2,1s adalah I ST = 11,34A RMS. Pada waktu 2,3s motor berada dalam keadaan steady dengan arus no-load I 0 = 2,67A RMS. Pada gambar 4.5. torsi mekanik maksimum mencapai M M = 10,2Nm pada 2,13s. Selanjutnya torsi mengalami penurunan, dan setelah 0,3s torsi yang dihasilkan hanya 0,2Nm. Pada gambar 4.6. karakteristik pengasutan dilihat pada osiloskop, dimana gelombang biru merupakan tegangan stator, dan gelombang merah merupakan arus stator.

4 Gambar 4.7. merupakan perbandingan gelombang pengujian dan simulasi kecepatan motor saat starting. Garis merah merupakan hasil dari simulasi, dan garis biru merupakan hasil dari pengukuran. Dari hasil tersebut ditunjukkan tidak terdapat perbedaan yang signifikan. Gbr Grafik dari osiloskop selama akselerasi dan berhenti C. Perbandingan Hasil Simulasi dan Pengukuran TABEL 4.1 PERBANDINGAN DATA SIMULASI DAN PENGUKURAN Gbr Kurva simulasi dan pengukuran kecepatan Gambar 4.8 menunjukkan perbandingan arus stator saat simulasi dan pengukuran selam starting motor. Kurva simulasi menunjukkan nilai maksimum arus (amplitude), sedangkan kurva pengukuran arus merupakan nilai efektif (RMS). Pada tabel perbandingan diatas dapat kita ketahui waktu yang diperlukan ketika motor start hingga mencapai kecepatan nominal ( t a). Perhitungan nilai tersebut dapat dihitung dengan persamaan berikut. Arus no-load I 0 yang dihasilkan dari simulasi dan pengukuran, tidak dapat dibandingkan dengan dengan arus rating (yang dihasilkan dari tegangan nominal U 1N dan beban keluaran P 2N). Akan tetapi, dapat kita bandingkan dengan perhitungan arus magnetisasi sesuai rumus (3), dimana parameter nilai yang dihitung adalah arus no load I 0 dan faktor daya cos beban pada tegangan nominal U 1N. Berkaitan dengan kurva torsi elektromagnetik, perhitungan pada rumus (4) dapat digunakan untuk menetukan nilai momen transien dimana nilai tersebut dapat naik selama motor strat-up. Nilai torsi startig motor M ST kita dapatkan dari nilai nominal torsi M N dan trosi start relatif dari katalog produk. Faktor daya short-circuit cos ditentukan melalui pengukuran. Gbr Grafik simulasi dan pengukuran (RMS) arus V. PENGASUTAN MOTOR Terdapat tiga pengasutan yang disajikan dalam makalah ini, dimana pengujian dilakukan dengan Power Systems Computer Aided Design/Electromagnetic Transients including DC (PSCAD/EMTDC) dimana hasil pengukuran hampir sama dengan Fluke Power Quality Analyzer. A. Pengasutan Direct On-line (DOL) Gbr. 5.1 Arus inrush selama pengasutan DOL

5 Pada gambar 5.1 diketahui bahwa arus inrush saat pengasutan DOL cukup tinggi. Besarnya arus inrush tersebut juga menunjukkan besarny torsi pengasutan yang juga besar. Hal ini dikarenakan torsi start motor memerlukan arus start yang besar untuk menghasilkan momen inersia pada rotor. B. Pengasutan Star-Delta Gbr Model simulasi pengasutan motor dengan soft-start dan shunt active filter. Gbr. 5.2 Arus inrush dua kali selama pengasutan Star-Delta Rating motor induksi yang digunakan pada pengujian ini adalah 39A. Ketika pengasutan dengan direct-on-line besarnya arus starting mencapai 200A. Sedangkan saat pengasutan dengan soft starter dengan sudut delay 115 0, arus yang ditunjukkan sebesar 100A (gambar 5.5). Total harmonik distorsi (THD)juga mengalami penurunan, dari sebelumnya 54% dan menjadi turun menjadi 4,5% setelah dikompensasi (gambar 5.6). Gambar 5.1. menunjukkan arus inrush selama pengasutan star delta. Arus inrush pertama dihasilkan selama starting motor induksi. Selama start-up, rotor berada dalam kondisi statis dimana banyak arus yang bergerak pada rotor dan lonjakan arus dapat diamati. Perubahan posisi dari star ke delta mengakibatkan adanya breakdown tegangan walaupun switching yang dilakukan sangat cepat. Tegangan breakdown tersebut menghasilkan arus inrush. C. Pengasutan Auto-Transformer Gbr Hasil simulasi arus beban tiga phasa kontrol tegangan AC Gbr Arus Inrush pada pengasutan auto-trafo Arus inrush pada gambar 5.3 terjadi dikarenakan adanya drop tegangan selama perubahan tegangan dari 240V menuju 415V. D. Pengasutan Dengan Soft Starter dan Shunt Filter Sistem konfigurasi pada gambar 5.4 merupakan pengasutan motor 3 phasa 22kW dengan tegangan 415V, serta terhubung dengan thyristor sebagai soft-starter. Sudut operasi tegangan AC diatur pada 115 0, dimana pada kondisi ini motor induksi menimbulkan harmonik pada sistem. VSI filter shunt reactive terhubung antara sumber tiga phasa dan kontrol tegangan AC. Gbr. 5.6a. THD sebelum kompensasi (54%)

6 memiliki karakteristik yang berbeda, dan pengujian ini mungkin tidak sesuai. Sedangkan penggunaan soft starter dan shunt filter menjadi solusi pengasutan dengan nilai arus start yang lebih kecil (± 50%) dibandingkan dengan pengasutan direct-on-line. Selain itu, nilai THD juga dapat dikurangi secara signifikan. Gbr. 5.6b. THD setelah kompensasi (4,5 %) VI. KESIMPULAN Pengasutan motor induksi dapat mengakibatkan arus inrush yang tinggi, sehingga dapat mengakibatkan drop tegangan yang mungkin melebihi batas yang diperbolehkan. Metode Star-Delta merupakan metode yang paling efisien digunakan dalam pengasutan motor dibandingkan dengan pengasutan Direct-On-Line dan Autotransformer. Perbandingan ini diakui pada motor dengan rating daya kurang dari 3hp atau 2,2kW. Untuk motor dengan daya keluaran besar REFERENCES [1] S. Pavel, S. Martin, and P. Svoboda, Assessement Transients During Starting of Induction Motor in Matlab Simulink And Verification by Measurement, Advance Research in Scientific Areas. University of Ostrava. Ostrava, Czech Republic, December [2] H. Hui, Goh, C. Boon, and S. Ming, A Study of Induction Motor Starting Methods In Terms of Power Quality, 3 rd Engineering Conference on Advancement in Mechanical and Manufacturing for Sustainable Environment. Kuching, Sarawak, Malaysia April [3] W. Xiaoyu, Y. Jing, X. Wilsun, and F. Walmir, Practical Power Quality Charts for Motor Starting Assessment, IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 26, No. 2, April 2011 [4] Patil K. Vishal, C. Ajit, and M. Girish, Mitigation Of Power Quality Problem Due To Staritng Of Induction Motor SSGB s College of Engineering & Technology, Internationa Journal and Research in Engineering and Technology, Volume : 04, Bhusawalm Jalgaon, India. April [5] S. Charles, G. Bhuvameswari, Power Quality Studies on a Soft Start for an Induction Motor, Indian Institute of Technology, International Journal of Recent Trends in Engineering, Vol 1, No. 3, New Delhi, India. May, 2009.