PENGARUH ANGULAR DAN PARALLEL MISALIGNMENT TERHADAP KONSUMSI ENERGI PADA MOTOR LISTRIK

Transkripsi

1 PENGARUH ANGULAR DAN PARALLEL MISALIGNMENT TERHADAP KONSUMSI ENERGI PADA MOTOR LISTRIK Satworo Adiwidodo JurusanTeknik Mesin, Politeknik Negeri Malang Abstrak Misalignment menyebabkan unbalance pada poros sehingga memperbesar kerugian energi pada sistem transmisi. Penelitan ini bertujuan mengetahui pengaruh parallel dan angular misalignment terhadap besaran kerugian konsumsi energi pada motor listrik. Pengujian dilakukan menggunakan motor induksi (3,7 KW) yang dihubungkan ke generator sinkron (3KW) menggunakan trensmisi belt dan pulley. Variasi untuk parallel misalignment( 2, 4, 6, dan 8 mm serta untuk angular misalignment( 0.1, 0.2, 0.3, 0.4 rad. Di gunakan 3 variasi pembebanan yaitu mode tanpa beban (0 watt), beban sedang (650 watt) dan beban tinggi (1300 watt). Untuk menentukan pengaruh misalignment poros terhadap konsumsi energi motor listrik, dilakukan pengukuran komponen daya masukan motor berupa arus, tegangan dan faktor daya.hasil pengujian menunjukkan pada kondisi parallel misalignment 8 mm tanpa pembebana, kenaikan daya mencapai 19,88% (tertinggi dibandingkan pembebanan yang lain). Pada angular misalignment 0.4 rad tanpa pembebanan, kenaikan daya mencapai 16,72 %. Kenaikan daya tertinggi akibat angular misalignment terjadi pada pembebanan 650 watt mencapai 20,29%. Kata kunci : konsumsi energi, alignment, parallel misalignment, angular misalignment, belt, pulley, unbalance. 1. Pendahuluan Peralatan rotating machinery yang menggunakan transmisi beltdanpulley banyak dipakai dalam kegiatan produksi. Usaha meningkatkan reliabilitas mesin, memperpanjang umur, mengurangi waktu maintenance, mengurangi breakdown mesin dan meningkatkan produksi memerlukan upaya untuk mengeliminasi dan mendeteksi adanya misalignment. Misalignment adalah kondisi tidak sejajar atau tidak satu sumbu antara transmisi penggerak dan transmisi yang digerakkan.ada dua tipe dasar misalignment pada sambungan poros, yaitu parallel misalignment (offset) dan angular misalignment(sudut) [Piotrowsky,1995].Misalignment menyebabkan dua permasalahan pokok, yaitu kerusakan pada elemen mesin (bearing, seal, poros, belt, pulley) dan peningkatan konsumsi energi akibat kerugian transmisi. Penelitian ini menitikberatkan pengaruh terhadap konsumsi energi akibat misalignment. Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Budiono [2003] yang melakukan penelitian misaligment pada poros dengan tansmisi coupling menemukan bahwa angular misalignment memberikan kerugian energi yang hampir sebanding dengan besar sudut angular yang dibentuk. Parallel misalignment memberikan kerugian energi secara kuadratik. Penambahan beban memberikan kontribusi peningkatan kerugian gesekan akibat misalignment. B-29 Pada penelitian ini ingin diketahui pengaruh misalignment yaitu parallel misalignment dan angular misalignmentpadatransmisi beltdanpulley terhadap konsumsi daya yang diperlukan untuk menggerakkan motor listrik. 2. Tinjauan Pustaka 1. Alignment dan Misalignment Alignment adalah kesejajaran sumbu pemutar dan terhadap sumbu yang diputar. Proses alignment dilakukan pada saat bagian mesin yang berputar tidak sejajar dan tidak sebaris dengan sumbu porosnya. Misalignment adalah ketidak sejajaran antara pulley penggerak dan pulley yang digerakkan. Jika mesin yang dijalankan menggunakan transmisi dalam kondisi misalignment akan mengakibatkan gesekan berlebihan antara shaft dengan bearing, shaft dengan packing atau mechanical seal, dan pada bagian belt dan pulley [Gaberson,1998]. Semua gesekan tersebut menimbulkan panas, dan tentu memerlukan tenaga tambahan yang berarti tenaga listrik yang diperlukan bertambah. Akibat lain dari misalignment adalah terjadinya getaran yang belebihan pada sistem transmisi [Wowk, 2000]. 2. Belt Panjang sabuk (L) yang diperlukan dipengaruhi oleh diameter kedua pulley dan jarak kedua poros ( C ). Untuk jenis sabuk V, sabuk gilir, panjang sabuk digunakan untuk memilih tipe dan

2 standar sabuk yang akan digunakan. Selain daripada itu panjang sabuk sebagai dasar untuk menentukan jarakpengaturan pengendoran dan pengencangan (speling). Rumusan panjang sabuk untuk pasangan terbuka [Sularso,1983] adalah sebagai berikut : 2 ( d 1 d 2 ) L 2C 1,57( d d ) (1) C Penyetelan kekencangan sabuk V sangat perlu dilakukan untuk mengatasi terjadinya selip dan dengan adanya perbedaan kebutuhan panjang sabuk dan panjang sabuk standar maka jarak pulley perlu disesuaikan. Jika panjang sabuk V standar yang dipilih L dan panjang sabuk hasil perhitungn Lc, maka jarak sumbu pulley dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut : Lc Lc C L (2) 2 C = jarak poros pengambilan (m) 3. Karakteristik Motor Listrik Torsi dihasilkan motor induksi oleh interaksi antara fluks stator dan rotor. Fluks yang dihasilkan oleh arus stator berputar pada kecepatan sinkron. Arus rotor dapat dapat diinduksi bilarotor berputar pada kecepatan yang lebih rendah daripada kecepatan sinkron. Pada kondisi tersebut, slip rotor sangat kecil sehingga frekuensi rotor rendah. Tegangan rotor yang terinduksi pada kondisi tersebut kecil, sehingga menghasilkan arus stator yang rendah. Frekuensi rotor yang sedemikian rendah menyebabkan reaktansi rotor menjadi rendah sekali. Arus rotor hampir sefase dengan tegangan rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnetik rotor B R yang kecil dan fesenya tertinggal 90 dari arus rotor. Stator memberikan arus pemagnetan yang cukup besar untuk menghasilkan B S walaupun dalam keadaan tanpa beban. Sudut antara B R dan B S disebut power angel [Sen,1998]. T ind = k. B R. B S. sin (3) Harga B R tanpa beban kecil, sehingga torsi yang dihasilkan motor tanpa beban tidak besar.peningkatan beban menyebabkan slip motor membesar, sehingga tegangan rotor meningkat. Akibatnya, arus rotor meningkat dan menghasilkan medan magnetik rotor B R yang lebih besar. Peningkatan frekuensi rotor menyebabkan reaktansi rotor ( RL R ) menjadi besar, akibatnya fase arus rotor jauh tertinggal dari tegangan rotor. Pada kondisi ini, arus rotor dan power angle) meningkat. Perhitungan daya motor listrik [Theraja,1998] dapat dilakukan menggunakan persamaan berikut: P V eff I eff cos (4) dimana : P = daya listrik ( Watt ) V eff = tegangan efektif ( Volt ) I eff = arus efektif ( Ampere ) = beda sudut fase antara arus dan tegangan bolak balik Alat ukur menyatakan nominal tegangan dan arus dalam harga RMS (Root Mean Square) atau harga efektifnya. Daya listrik pada rangkaian satu fase dapat dihitung dengan persamaan P V eff I eff cos, dan untuk rangkaian tiga fase daya listrik dihitung dengan persamaan: P. V I eff cos (5) 3 eff Persamaan di atas berlaku dengan syarat ketiga kawat pada rangkaian tiga fase memiliki harga V eff dan I eff yang sama. Atau dengan kata lain harga sudut antar fase ( line ) berharga sama sebesar 120 o. Hal tersebut terjadi bila masing masing fase memiliki beban induksi yang sama besar. 3. Metode Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode laboratory experimental, yaitu metode penelitian dengan membandingkan antara hasil percobaan kelompok kontrol dengan kelompok uji dengan memakai sarana eksperimen laboratorium sebagai basis dalam mencari data. Independence variablepada penelitian ini adalah; (a). tipe belt menggunakan V-belt, (b). besar misalignment, yaitu parallel misalignment( : 2, 4, 6, dan 8 (mm) serta angular misalignment( ): 4, 8,12, 16 rad, (c). besar pembebanan ( Pout ): tanpa beban (0 watt), beban sedang (650 watt), dan beban tinggi (1300 watt). Sedangkan dependence variable, yaitubesar tegangan (volt), arus (ampere) dan beda fase (cos motor. Eksperiment set updan peralatan uji disajikan pada Gambar 1 dan Gambar 2. LAMPU BEBAN GENERATOR SINKRON Pulley FLEXIBLE COUPLING V-Belt DUDUKAN MESIN Pulley Gambar 1.Eksperiment set up MOTOR INDUKSI 3 FASA 3 FASA PENGATUR KEDUDUKAN MOTOR B-30

3 Motor Generator 1) Motor listrik 2) Generator synkron 3) Puli motor 4) Puli generator 5) Sabuk V 6) Dudukan motor 7) Dudukan generator 8) Display Pembebanan 9) Saklar motor > 0 Gambar 5.Anggular misaligment( >0, 0) C Gambar 2. Peralatan uji Prosedur reverse indikator digunakan dalam eksperimen ini. Setting awal adalah membuat instalasi alignment, kemudian merubah instalasi secara bertahap menjadi parallel misalignment dan angular misalignment. Pengatur kedudukan motor membantu proses setting peralatan.gambar 3 sampai dengan Gambar 5 menjelaskan proses reverse indikator yang dilakukan. Motor Generator Mulai Setting: 1. Alignment 2. Parallel misalignment 3. Angular misalignment Running instalasi Setting Pembebanan C Gambar 3.Alignment( =0, =0) Tdk Pengukuran: 1.Beban 2. V rms, I rms (Input) 3. V rms, I rms (Output) Pembebanan Selesai Motor Generator Ya Setting dan Selesai Tdk Ya C > 0 Gambar 4.Parallel misalignment( >0, 0) B-31 Selesai 6. Langkah - langkah pengambilan data Gambar 4. Hasil dan Pembahasan Misalignment menyebabkan peningkatan daya input motor. Sub-bab ini akan membahas hubungan beberapa parameter yang menjelaskan fenomena tersebut.

4 Kebutuhan torsi rotor akibat pembebanan merupakan penyebab peningkatan daya input. Peningkatan torsi dapat terjadi bila medan magnet rotor membesar akibat penambahan arus rotor. Penambahan arus rotor dapat terjadi bila medan magnet stator bertambah. Peningkatan medan magnet stator dapat dipenuhi bila arus input (arus stator) bertambah. Di bawah ini disajikan grafik kenaikan arus input sebagai efek misalignment. Gambar 9.Faktordaya input terhadapvariasiparallelmisalignment Gambar 7. Arus input motor terhadap variasi parallel misalignment Gambar 10.Faktordaya input terhadapvariasiangularmisalignment Beda fase antara arus dan tegangan input ( ) mengecil bila arus input mengalami peningkatan. Perubahan arus input yang kecil menyebabkan perubahan yang kecil. Peningkatan akibat misalignment tidak signifikan. Harga relatif konstan pada berapa pembebanan. Gambar 8.Arus input motor denganvariasiangularmisalignment Gambar 7 dan 8memperlihatkan pada semua pembebanan, semakin besar nilai misalignment maka semakin besar pula kebutuhan arus input. Peningkatan arus input angular misalignment hampir linier, berbeda dengan apa yang diperlihatkan pada percobaan dengan variasi parallel misalignment. 4.2 Kenaikan Daya Input Akibat Misalignment Daya input dihitung dengan asumsi pada kumparan motor terjadi pembeban yang seimbang pada masing-masing fase. Perhitungan daya input perfase mengikuti persamaan P in/fase = V rms.i rms Cos. Motor yang digunakan dihubungkan dengan input tiga fase, maka perhitungannya mengikuti persamaan P in/fase = 3.V rms.i rms Cos. Gambar 11dan 12 menunjukkan hubungan antara daya input dengan misalignment. 4.1 Faktor Daya Sebagai Salah Satu Parameter Kenaikan Beban Faktor daya ( cos ) pada variasi beban Watt meningkat, namun efek misalignment terhadap kenaikan faktor daya dari grafik 9 dan 10 menunjukkan kurang begitu signifikan. B-32 Gambar 11. Daya input terhadap parallel misalignment

5 Gambar 12. Daya input terhadap angular misalignment Gambar 11 dan 12 menampilkan kondisi tanpa beban, beban sedang (650 Watt) dan beban tinggi (1300 Watt). Daya input menunjukkan peningkatan terhadap parallel atau angular misalignment. Pada kondisi parallel misalignment 8 mm dan tanpa pembebanan kenaikan daya mencapai 19,88% (tertinggi dibandingkan pembebanan yang lain). Pada angular misalignment 0.4 rad tanpa pembebanan, kenaikan daya mencapai 16,72%. Kenaikan daya tertinggi pada pembebanan 650 watt mencapai 20,29%. Peningkatan daya input hampir tidak nampak pada kondisi tanpa beban, sehingga grafiknya mendekati konstan. Pembebanan yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan daya input lebih kentara. Peningkatan beban menyebabkan torsi yang dibutuhkan lebih tinggi. Peningkatan torsi menyebabkan gaya normal yang bekerja pada permukaan kontak membesar, sehingga gaya gesek yang terjadi meningkat. Penampakan pengaruh misalignment terhadap daya input motor akan ditunjukkan dengan grafik perubahan arus input motor ( I mis.). I mis I alignment I mis x100% (6) I alignment Perubahan arus input untuk setiap variasi misalignment dapat dilihat pada grafik di bawah ini. Gambar 14.Perubahan arus input motorterhadap angular misalignment Hasil pengujian menunjukkan pada pembebanan 1300 W dan parallel misalignment 8 mm, meningkatkan arus input sebesar 3,09%. Pada kasus angular 0.4 rad dan beban 1300W, meningkatkan arus input terbesar mencapai 2,32 persen. Arus input merupakan salah satu parameter yang menentukan daya input (konsumsi energi). Faktor daya dan tegangan merupakan parameter lain yang menentukan besar daya input. Faktor daya yang telah dibahas terdahulu menunjukkan peningkatan yang kecil terhadap variasi misalignment, bahkan cenderung konstan. Tegangan input motor induksi pada beberapa literatur dapat dianggap konstan terhadap kenaikan beban karena efek penurunan tegangan akibat pembebanan sangat kecil [Piotrovsky,1995]. 5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan Kesimpulan yang bisa diambil dari penelitian ini: 1. Peningkatan arus input akibat parallel misalignment 8 mm lebih besar daripada angularmisalignment 0.4 rad. 2. Peningkatan arus input akibat parallel misalignment 8 mm 3.09% dan angularmisalignment 0.4 rad. sebesar 2.32% 3. Kerugian energi akibat angular misalignment sebanding dengan sudut angularnya. Kerugian energi akibat parallel misalignment naik secara kuadratik (polynomial). 4. Penambahan beban memberikan kontribusi peningkatan kerugian gesekan akibat misalignment. Dari hasil penelitian daya input menunjukkan peningkatan beban berakibat peningkatan daya input baik pada parallel maupun angular misalignment. Gambar 13.Perubahan arus input motorterhadap parallel misalignment B Saran Pengaruh misalignment poros terhadap kerugian energi motor listrik mungkin tidak signifikan dibandingkan dengan kerugian lain berupa umur

6 operasi elemen mesin seperti bearing, poros atau seal. Penelitian mengenai pengaruh misalignment terhadap vibrasi yang ditimbulkan dan umur operasi elemen mesin akan dapat memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai dampak misalignment terhadap kerugian instalasi mesin. Daftar Pustaka: Piotrowski, John (1995):Shaft Alignment Hand Book, 2nd edition, Marcel Dekker Inc, New York. Budiono, Teguh (2003):Studi Eksperimental Pengaruh Misalignment Poros Terhadap Konsumsi Energi Motor Listrik, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya Gaberson A Howard., Cappillino Ray (1998):Rotating Machinery Energy Loss Due To Misalignment, US Naval Facilities Engineering Service Center. Wowk, Victor (2000):Machine Vibration : Alignment, 1st edition, Mc Graw Hill Companies Inc., New York. Sularso & Kiyokatsu Suga (1983):Dasar Perencanaan dan Pemeliharaan Elemen Mesin, Jakarta. Sen P. C (1998)Electric Machines And Power Electronics, John Wiley & Sons, New York. Theraja B.L., Theraja A.K (1997):A text Book of Electrical Technology Volume 1, S. Chand & Company LTD., Ram Nagar, New Delhi. B-34