PENGARUH KOMPONEN RLC TERHADAP BESAR TEGANGAN DAN ARUS STARTING MOTOR INDUKSI SATU FASE

Transkripsi

1 PENGARUH KOMPONEN RLC TERHADAP BESAR TEGANGAN DAN ARUS STARTING MOTOR INDUKSI SATU FASE LukitaJati Nugraha, T. Haryono, F. Danang Wijaya 3 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 Mahasiswa, Jurusan Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, Universitas Gadjah Mada, Jalan Grafika, Kampus UGM Yogyakarta 558 INDONESIA (tlp: ; fax: ; e- mail:lukitajatinugraha@yahoo.com, 3 DosenJurusanTeknikElektrodanTeknologiInformasi, UniversitasGadjahMada, Jalan Grafika, Kampus UGM Yogyakarta 558 INDONESIA (tlp: ; fax: 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[]. 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[]. 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 Volume Nomor, April 4 9

2 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. 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 R/ dan X/. 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,5 R /s + j,5 X paralel dengan Xm dan Rc. Gbr. Rangkaianekuivalen motor induksisatufasesaatdiam Pada arah medan putar mundur, rotor tetap bergerak dengan slip s berpatokan pada medan maju dan besarnya kecepatan putar medan maju adalah : n = s () Gbr. Rangkaianekuivalen motor induksisatufasesaatberoperasi Kecepatan relatif dari rotor dengan berpatokan pada medan mundur adalah + n, atau besarnya slip terhadap medan mundur adalah : + n = s () Selanjutnya medan mundur mengimbaskan arus rotor dengan frekuensi ( 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: 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 (n s). 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 : ε = N d t (4) 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 3 Volume Nomor, April 4

3 V start (V) V start (V) V start (V) 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. T = ΔF r (6) Dengan mengukur kecepatan sudut putaran motor ω=πf, makadaya beban motor P dapatdiketahui: P = T ω (6) 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. Gbr. 3Rangkaianpercobaan Arus dan tegangan motor diukur dengan menggunakan osiloskop agar dapat diketahui nilai saat terjadi transien. Arus diubah menjadi tegangan dan digunakan sebagai masukan osiloskop.tegangan diturunkan terlebih dahulu menggunakan voltage divider karena tegangan masukan maksimal motor adalah 4 Vpp. Pengambilan data diulang dengan pengubahan kombinasi RLC yang berbeda.pada keadaan tanpa beban, digunakan nilai R sebesar5 Ω, Ω, 5Ω dan 5 Ω, nilai L sebesar 656 mh, 38 mh, dan 8,6 mh, sertanilai C sebesar 6 µf, 8µF, dan 5,3 µf. sedangkan pada keadaan tanpa beban, digunakan nilai R sebesar 5 Ω, 5Ω dan 5 Ω, nilai L sebesar 64 mh, dengan nilai C sama seperti pada percobaan tanpa beban. Pembebanan dapat dilakukan dengan metode proneybrake[5] seperti terlihat pada Gbr Gbr. 4Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V start dengan C=5,3 µf C=5.3 µf 3 Gbr. 5Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V start dengan Gbr. 4 Prony brake Belt dihubungkan kedua timbangan kemudian diremkan ke pulley motor. Karena motor berputar, terjadi perbedaan kekencangan talifdanf yang merupakan perbedaan massa mdan massa m yang dikalikan dengan besar percepatan grafitasi sebesar 9,8 m/s. ΔF = (m m)9,8 (5) Karena jari-jari pulley r diketahui, maka torsi motor T dapat d ihitung dengan persamaan: 3 Gbr. 6Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap V star tdengan Volume Nomor, April 4 3

4 Istart (A) Vstart (V) Artikel Reguler 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. 3 Gbr. 7Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I start dengan C=5,3 µf Gbr. 8Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I start dengan C=5.3 µf Reistans (Ohm) Gbr. 9Grafik pengaruh nilai R dan L terhadap I star tdengan 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 dan Gbr. Pemberian nilai L yang lebih besar tidak mampu menstart motor sehingga data yang diukur hanya menggunakan nilai induktans. Pada pengujian ini, motor dibebani dengan caradirem dengan daya pengereman tetap. Seperti yang terlihat padatabel, daya rata-rata yang digunakan pada pengujian ini adalah sebesar 66,3 W. Nr merupakan kecepatan putar rotor dalam RPM, m dan m merupakan massa yang 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. Nr (RPM) TABEL I PERHITUNGAN DAYA BEBAN MOTOR m (kg) m (kg) T (Nm) P (W) 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. 3 Kapasitans (uf) Gbr. Grafikpengaruhnilai R dan C terhadap V startdengan 6 4 Kapasitans (uf) Gbr. 9Grafik pengaruh nilai R dan C terhadap I star tdengan Pada pengujian tanpa beban, tegangan yang digunakan adalah sebesar 7 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 R R R3 R R R3 3 Volume Nomor, April 4

5 t start (s) t start (s) naik akibat pemasangan C paralel. Sedangkan pada keadaan berbeban, tegangan tetap digunakan 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 dan merupakan grafik hubungan Antara nilai induktansi dan lama start motor Gbr.Grafik pengaruh nilai L terhadap t start dengan R=5 Ω 4 3 R=5 Ohm Induktans (mh) R=5 Ohm 4 6 Induktans (mh) C C C3 C C C3 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 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 9, dan semua orang yang terlibat dalam penulisan skripsi penulis. REFERENSI [] Greenwood, A., Electrical Transients In Power Systems, Wiley & Son, Inc, p.,97. [] 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, 9. [3] 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,. [4] Sunyoto. Mesin listrik arus bolak-balik. FPTK IKIP Yogyakarta. p., 995 [5] Farel, Daud. UnjukKerja Motor Induksi Tiga Fase Sangkar Tupai Bila Salah Satu Fase Tegangan Sumber Terputus. Yogyakarta,3. Gbr.Grafik pengaruh nilai L terhadap t start dengan R=5 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:. 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.. 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. Volume Nomor, April 4 33