PEMODELAN STATIS DAN DINAMIS PADA MOTOR STARTING UNTUK ANALISIS STABILITAS TRANSIEN DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP 7.

Transkripsi

1 PEMODELAN STATIS DAN DINAMIS PADA MOTOR STARTING UNTUK ANALISIS STABILITAS TRANSIEN DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP 7.0 (STUDI KASUS PT. SEMEN GRESIK TUBAN IV) Firlian Widyananda, Ontoseno Penangsang, Adi Soeprijanto Jurusan Teknik Elektro-FTI, ITS Abstrak - Proses motor starting dapat menyebabkan gangguan yang mengakibatkan sistem menjadi tidak stabil. Efek motor starting akan menyebabkan arus motor starting 5 hingga 10 kali arus nominal serta akan menyebabkan drop tegangan pada bus sistem. Penggunaan metode tahanan rotor ini dapat menurunkan arus starting dan memperbaiki drop tegangan. Metode tahanan rotor yang digunakan berupa tahanan liquid. Penggunaan starter berupa tahanan liquid ini akan merubah karakteristik torsi, arus, dan faktor daya. Perbedaan pemodelan statis dan adalah jika pada model statis, motor direpresentasikan sebagai impedansi rotor terkunci. Model digunakan untuk melihat lama waktu start motor serta menentukan tegangan kedip pada sistem akibat motor starting. Hasil simulasi dan analisis motor starting didapatkan perbedaan drop tegangan antara statis dan sebesar 17.3% untuk motor rooler mill, 16.5% untuk cement mill, dan 26.5% untuk rawmill fan. Kata Kunci: Metode Tahanan rotor, Pemodelan Statis, Pemodelan Dinamis, Tegangan kedip. P 1. PENDAHULUAN ada saat ini listrik merupakan energi yang sangat penting untuk kebutuhan hidup manusia. Oleh karena itu kualitas listrik yang baik haruslah terpenuhi. Dalam hal ini kualitas tenaga listrik meliputi aspek kontinuitas pelayanan daya dan kualitas bentuk gelombang tegangan serta frekuensi. Gangguan merupakan salah satu faktor penyebab ketidakstabilan pada sistem tenaga listrik. Gangguan pada sisi suplai dapat menyebabkan generator trip, dan hal ini akan mengakibatkan ketidakseimbangan antara jumlah suplai daya dengan daya beban. Selain itu efek motor starting akan mengakibatkan sistem tidak stabil. Proses motor starting akan menyebabkan arus motor starting 5 sampai 10 kali nilai arus nominalnya dan akan menyebabkan penurunan nilai tegangan pada bus-bus. Pada Pabrik Tuban IV terdapat beberapa motor yang memiliki kapasitas cukup besar. Apabila motor-motor dengan kapasitas yang cukup besar tersebut di-start maka dapat mengganggu kestabilan dari sistem kelistrikan di Pabrik Tuban IV. 2. TEORI PENUNJANG 2.1 Konstruksi dan Prinsip Kerja Motor Induksi Motor induksi memiliki dua bagian konstruksi yaitu stator dan rotor. Kumparan stator berfungsi untuk menghasilkan medan putar yang digunakan untuk perputaran motor [1]. Kumparan rotor merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor. Berdasarkan bentuk konstruksi rotor, maka motor induksi dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu : 1. Rotor tipe sangkar (squirrel cage) 2. Rotor tipe belit (wound rotor) Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator ke kumparan rotornya. Ketika kumparan stator dihubungkan ke sumber 3 fasa maka akan terbentuk medan putar dengan kecepatan Ns = (120.f)/P (2.1) Setelah itu medan putar akan memotong batang konduktor rotor sangkar atau memotong belitan rotor belit sehingga akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) induksi. Dalam kondisi ini kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup maka gaya gerak listrik (ggl) induksi akan menghasilkan arus I. Dengan adanya arus pada suatu medan magnet maka akan menimbulkan gaya F yang akan memutar rotor mengikuti arah medan putar stator. 2.2 Metode Starting Motor Induksi Dalam melakukan starting motor induksi, terdapat beberapa metode yang digunakan untuk starting tersebut. Metode yang dapat digunakan untuk melakukan starting motor induksi besar yaitu direct on-line, autotransformer, soft starter, wye-delta, primary resistor winding, dan adjustable frequency drives [2]. Metode starting ini menggunakan prinsip mengendalikan tegangan dan arus input yang berfungsi untuk menurunkan torsi starting yang juga dapat mencegah kerusakan pada beban. Motor induksi tipe wound memiliki lilitan stator mirip dengan motor induksi sangkar bajing, tetapi lilitan rotor dihubungkan keluar dari motor dengan menggunakan slip ring dan sikat karbon. Tujuannya untuk menambahkan resistansi yang diseri dengan lilitan rotor selama proses starting. Setelah proses starting, resistansi tersebut di hubung singkat dengan menggunakan kontak. Keuntungan penambahan tahanan sekunder ini adalah mengurangi arus starting motor dan akan memperbaiki torsi saat proses starting. Terdapat dua jenis tahanan yang digunakan, yaitu tahanan metal dan liquid. Tahanan metal memiliki prinsip menggunakan kontak metal untuk mengatur nilai tahanan. Semakin jauh jarak kontak metal dari terminal input maka semakin besar nilai resistansinya. Kontak metal rawan meleleh akibat arus starting yang besar. Tahanan liquid memiliki prinsip cairan elektrolit yang merendam dua batang konduktor. Semakin tinggi cairan elektrolit maka semakin kecil nilai resistansinya. Tahanan liquid ini memiliki koefisien suhu terhadap nilai tahanan yang negatif sehingga semakin tinggi suhu maka nilai resistansinya akan mengecil hal inilah yang akan membatasi arus starting tahanan liquid [3]. Keuntungan tahanan liquid adalah pengaturan nilai resistansi tahanan liquid sangat halus karena tergantung pada tinggi rendaman cairan elektrolit dan tidak ada resiko kontak meleleh. 2.3 Standar Tegangan Kedip Kedip tegangan didefinisikan sebagai fenomena penurunan magnitude tegangan efektif terhadap harga nominalnya selama interval waktu (t). Biasanya disebabkan oleh sistem fault, energization beban besar ataupun starting 1

2 dari motor-motor besar. Standar tegangan kedip yang digunakan yaitu SEMI F47. Tabel 2.1 Standar tegangan kedip menurut standar SEMI F47 VOLTAGE SAG DURATION VOLTAGE SAG Second (s) Cycles at 60 Hz Cycles at 50 Hz Percent (%) of Equipment Nominal Voltage < 0.05 s < 3 cycles < 2.5 cycles Not specified 0.05 to 0.2 s 3 to to % cycles cycles 0.2 to 0.5 s 12 to to % cycles cycles 0.5 to 1.0 s 30 to to50 80 % cycles cycles >1.0 s > 60 cycles > 50 cycles Not specified 2.4 Rangkaian Pengganti Motor Induksi Dalam melakukan starting dengan menggunakan tahanan rotor, maka diperlukan respon antara torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip. Untuk mendapatkan respon tersebut dibutuhkan data motor yang meliputi : 1. resistansi dan reaktansi stator 2. resistansi dan reaktansi rotor 3. nilai resistansi eksternal 4. kecepatan sinkron motor 5. daya nominal, tegangan nominal, dan faktor daya nominal Langkah perhitungan dapat dilihat pada gambar 2.1 untuk mendapatkan respon torsi-slip, arus-slip, dan faktor daya-slip. Selain dengan menggunakan metode starter berupa liquid, pada tugas akhir ini akan dibahas juga mengenai perbedaan antara pemodelan statis dan. Pada gambar 2.2a dan 2.2b menunjukkan rangkaian pengganti thevenin untuk motor induksi. Mulai Perhitungan rangkaian pengganti Perhitungan torsi-slip motor Perhitungan arus-slip motor Perhitungan Pf-slip motor Selesai Gambar 2.1 Diagram alur penentuan karakteristik torsi, arus, dan Pf motor z_th = ((j*xm) * (r1 + j*x1)) / (r1 + j*(x1 + xm)) (2.3) dengan keterangan r 1 dan x 1 adalah resistansi dan reaktansi stator, xm adalah reaktansi magnetisasi sedangkan v_th dan z_th adalah tegangan dan impedansi thevenin. Setelah rangkaian pengganti didapatkan selanjutnya menghitung respon torsi-slip dengan menggunakan persamaan 2.4 [4] : q r2 1 V 2 th s 1 (2.4) T ωs 2 2 R r2 th Xth X2 s Dengan keterangan q 1 untuk jumlah phasa, ω s adalah kecepatan sinkron (rps), R th dan X th adalah resistansi dan reaktansi pengganti thevenin, r 2 dan X 2 adalah resistansi dan reaktansi rotor. Langkah selanjutnya adalah menentukan respon arus-slip dengan menggunakan persamaan 2.5 [5] : A V / 3 Z in i * rating (2.5) dengan keterangan r r1 jx jx 2 Z in 1 jx s 2 m (2.6) keterangan untuk i(a) adalah arus starting dengan satuan Ampere dan Zin adalah impedansi input dengan satuan Ohm (Ω). Langkah terakhir yaitu dengan menentukan respon pf-slip dengan menggunakan persamaan 2.7 [5] : Pf Cos (2.7) Penentuan respon torsi-slip, arus slip, dan pf-slip untuk starting motor dengan metode liquid dilakukan dengan mempertimbangkan bahwa pengaturan penurunan tahanan rotor dilakukan secara bertahap dengan 12 tingkat resistansi untuk studi kasus motor roolermill, cementmill, dan rawmill fan sehingga didapatkan 12 buah respon motor untuk setiap tingkat resistansi total rotor, penjumlahan dari resistansi lilitan rotor dengan resistansi eksternal, untuk kemudian digabungkan untuk setiap tingkatan kecepatan motor mulai dari keadaan start hingga kecepatan sinkron. 2.5 Perbedaan Model Statis dan Dinamis Model statis yaitu suatu metode yang merepresentasikan motor sebagai impedansi rotor terkunci selama waktu starting yang akan menarik arus maksimum dari sistem. Setelah waktu akselerasi dari motor selesai, motor akan dirubah kedalam suatu beban kva konstan. Untuk model yaitu suatu metode yang merepresentasikan motor sebagai model untuk melihat waktu starting dari sebuah motor hingga mencapai kecepatan nominalnya serta digunakan untuk mengetahui pengaruh tegangan kedip pada sistem. Gambar 2.3 dan 2.4 menunjukkan perbedaan model statis dan. Gambar 2.2a Rangkaian motor Gambar 2.2b Rangkaian thevenin Hal pertama yang perlu dilakukan adalah mendapatkan rangkaian pengganti thevenin untuk menentukan parameter tersebut sehingga digunakan persamaan 2.2 dan 2.3 [4] : v_th = v_phase*(xm/ (r1 2 +(x1+xm) 2 )) (2.2) Gambar 2.3 Model statis 2

3 Gambar 2.4 Model 3. SISTEM KELISTRIKAN PT SEMEN GRESIK TUBAN IV 3.1 Sistem Kelistrikan PT. Semen Gresik Tuban IV Sistem kelistrikan pabrik Semen Tuban IV di suplai langsung dari sumber PLN sebesar 150 kv. Pada sistem kelistrikan ini tidak terdapat trafo step up untuk menaikkan tegangan output dari sumber. Tegangan output sumber langsung disalurkan ke masing-masing bus beban. Dari tiaptiap bus ini tegangan akan diturunkan. Tegangan output diturunkan menjadi 400 Volt maupun 700 Volt tergantung tegangan beban motor yang beroperasi. Tabel 4.1 Data motor roolermill (344RM01) (lanjutan) Resistansi stator Ω Reaktansi stator 0.61 Ω Resistansi rotor Ω Reaktansi rotor 0.61 Ω Reaktansi Magnetisasi 16.5 Lilitan stator/lilitan rotor (pendekatan) 1 Tingkatan resistansi eksternal (terukur) No. Ω No. Ω No Ω No Ω Dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB, maka akan didapatkan hasil respon torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip yang telah dihitung berdasarkan persamaan 2.2 hingga 2.7 ditunjukkan pada tabel 4.2. Tabel 4.2 Respon motor roolermill dengan liquid starter Slip % Torsi FL % I FL % PF Gambar 3.1 Single line diagram pabrik Tuban IV 3.2 Electrical Room Pabrik Tuban IV Sistem kelistrikan di Pabrik Tuban IV terbagi atas beban-beban yang dikelompokkan dalam 9 Electrical Room (ER) sesuai dengan proses produksi Pabrik Semen Tuban IV tersebut. Kesembilan ER beban tersebut disuplai oleh PLN 150 KV. Pembagian ER tersebut dapat ditunjukkan sebagai berikut : Electrical Room - 23A : Limestone Crusher Electrical Room - 23B : Clay & Silica Crusher & Storage Electrical Room - 23C : Limestone Storage Electrical Room - 24 : Raw Mill Electrical Room - 25 : Kiln, Pre-heater & Coal Mill Electrical Room - 26 : Cooler Electrical Room - 27 : Finish Mill Electrical Room - 28 : Packer Electrical Room - 29 : Utility 4. SIMULASI DAN ANALISIS 4.1 Pemodelan Motor Roolermill (344RM01) Motor roolermill merupakan motor yang memiliki kapasitas sebesar 5350 kw yang berada pada ER-24. Data motor dapat dilihat pada tabel 4.1. Tabel 4.1 Data motor roolermill (344RM01) Tegangan nominal 6300 V Daya nominal 5350 kw Kecepatan sinkron 600 rpm Pf nominal

4 Tabel 4.2 Respon motor roolermill dengan liquid starter (lanjutan) Slip % Torsi FL % I FL % PF Tabel 4.3 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan Kondisi starting BUS MOTOR Sebelum Selama Sesudah (%) (%) Drop (%) (%) Statis (DOL) Statis (Liquid Dinamis (Liquid Gambar 4.1 Respon torsi motor rooler mill dengan liquid starter Gambar 4.4 Tegangan bus motor roolermill berdasarkan model statis dan Gambar 4.2 Respon arus motor rooler mill dengan liquid starter Gambar 4.5 Arus starting motor roolermill berdasarkan model statis dan Gambar 4.3 Respon faktor daya motor rooler mill dengan liquid starter Analisis Statis dan Dinamis Motor Roolermill (344RM01) Pada tugas akhir ini akan dilakukan perbandingan untuk motor yang diberi liquid starter dengan ketika motor tidak diberi starter (DOL). Selain model statis, juga akan dilakukan model. Model digunakan untuk melihat lama waktu start dari sebuah motor. Pada tabel 4.3 menunjukkan kondisi tegangan bus motor roolermill berdasarkan model statis dan. Dari tabel dapat terlihat perbedaan drop tegangan ketika motor di-start dengan statis secara direct online, statis ketika diberi liquid starter, dan. Pada model, lama waktu start dari motor roolermill ini adalah 5.04 detik. Gambar 4.4 dan 4.5 merupakan respon tegangan bus dan arus starting berdasarkan model statis dan Pemodelan Motor Cementmill (548RM01) Motor cementmill ini memiliki karakteristik yang sama dengan motor roolermill. Motor ini memiliki kapasitas sebesar 5500 kw yang berada pada electrical room 27. Data motor cementmill dapat dilihat pada tabel 4.4. Tabel 4.4 Data motor cementmill (548RM01) Tegangan nominal 6300 V Daya nominal 5500 kw Kecepatan sinkron 1200 rpm Pf nominal 0.8 Resistansi stator Ω Reaktansi stator Ω Resistansi rotor Ω Reaktansi rotor Ω Reaktansi Magnetisasi 15 Lilitan stator/lilitan rotor (pendekatan) 1 Tingkatan resistansi eksternal (terukur) No. Ω No. Ω No Ω No Ω Analisis Statis dan Dinamis Motor Cementmill (548RM01) Analisis yang dilakukan sama seperti motor roolermill yaitu membandingkan antara model statis dan. Pada tabel 4.5 menunjukkan kondisi tegangan bus motor yaitu ER27-B834-MV272.

5 Tabel 4.5 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan Kondisi starting BUS MOTOR Sebelum Selama Sesudah (%) (%) Drop (%) (%) Statis (DOL) Statis (Liquid Dinamis (Liquid Pada saat motor di-start pada detik ke-1, waktu start yang dibutuhkan hingga motor mencapai keadaan steady state selama 6.1 detik. Kondisi tegangan bus motor akan ditunjukkan pada gambar 4.6. Tabel 4.6 Data motor rawmill fan (344FN03) (lanjutan) Lilitan stator/lilitan rotor (pendekatan) 1 Tingkatan resistansi eksternal (terukur) No. Ω No. Ω No Ω No Ω Setelah data motor didapat, maka dilakukan plot respon karakteristik torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip. Gambar 4.8 sampai 4.10 merupakan hasil plot respon. Gambar 4.8 Respon torsi motor rawmill fan dengan liquid starter Gambar 4.6 Tegangan bus motor cementmill berdasarkan model statis dan Arus starting dari sebuah motor juga cukup berbahaya terhadap sebuah sistem. Oleh sebab itu dilihat pula respon arusnya terhadap. Pada gambar 4.7 menunjukkan respon arus starting motor cementmill. Gambar 4.9 Respon arus motor rawmill fan dengan liquid starter Gambar 4.7 Arus starting motor cementmill berdasarkan model statis dan 4.3 Pemodelan Motor Rawmill Fan (344FN03) Motor rawmill fan ini merupakan jenis fan yang memiliki kapasitas paling besar di pabrik Tuban IV yaitu 8000 kw. Data motor ditunjukkan pada tabel 4.6. Tabel 4.6 Data motor rawmill fan (344FN03) Tegangan nominal 6300 V Daya nominal 8000 kw Kecepatan sinkron 1800 rpm Pf nominal 0.8 Resistansi stator Ω Reaktansi stator Ω Resistansi rotor Ω Reaktansi rotor Ω Reaktansi Magnetisasi 15.5 Gambar 4.10 Respon faktor daya motor rawmill fan dengan liquid starter Analisis Statis dan Dinamis Motor Rawmill Fan (344FN03) Motor rawmill fan ini terletak di bus yang sama dengan motor roolermill yaitu bus ER24-C834-MV241. Dengan kapasitas yang cukup besar inilah yang akan menyebabkan sistem mengalami gangguan pada saat motor di-start. Pada saat motor rawmill fan ini starting, motor akan kembali steady state selama detik. Kondisi tegangan bus saat motor rawmill fan start dapat ditunjukkan pada tabel

6 Tabel 4.7 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan Kondisi starting BUS MOTOR Sebelum Selama Sesudah (%) (%) Drop (%) (%) Statis (DOL) Statis (Liquid Dinamis (Liquid Dari tabel 4.7 dapat dilihat efek yang diakibatkan motor starting ketika tanpa diberi starter yang akan menyebabkan drop tegangannya besar. Pada gambar 4.11 menunjukkan respon tegangan bus motor dan gambar 4.12 menunjukkan respon arus starting motor. sebesar %, dan motor rawmill fan (344FN03) sebesar %. 4. Arus starting statis pada rooler mill sebesar %, cementmill_tbl sebesar , dan rawmill fan sebesar %. Untuk arus starting rooler mill sebesar %, cementmill_tbl sebesar %, rawmill fan sebesar %. 5. Pada bus ER24-C834-MV241 terdapat dua motor dengan kapasitas yang cukup besar yaitu 8000 kw dan 5350 kw. Oleh sebab itu motor dengan kapasitas 8000 kw harus di-start terlebih dahulu terhadap motor 5350 kw. 5.2 Saran Saran yang dapat diberikan untuk perbaikan dan pengembangan simulasi dan analisis pada tugas akhir ini adalah : 1. Pada tugas akhir ini, metode starting yang digunakan adalah liquid starter. Penggunakan metode starting lain juga akan memperbaiki drop tegangan dan arus starting yang tinggi. Gambar 4.11 Tegangan bus motor rawmill fan berdasarkan model statis dan Gambar 4.12 Arus starting motor rawmill fan berdasarkan model statis dan 5. PENUTUP 5.1 Kesimpulan Dari hasil simulasi dan analisis, maka dalam tugas akhir ini dapat di tarik kesimpulan yang penting sebagai berikut: 1. Penggunaan metode starting berupa liquid starter akan memperhalus drop tegangan pada bus motor sehingga masih dalam batas aman. Selain hal tersebut, waktu starting yang dibutuhkan suatu motor juga tergolong cepat apabila menggunakan metode liquid starter. 2. Pemodelan akan memperbaiki drop tegangan di bus motor dibandingkan dengan menggunakan pemodelan statis. 3. Pemodelan dengan metode liquid starter akan memperbaiki drop tegangan pada bus motor. Perbedaan drop tegangan saat statis dan ketika motor rooler mill (344RM01) start sebesar %, motor cementmill_tbl (548RM01) 6 DAFTAR PUSTAKA [1] Zuhal, Dasar Tenaga Listrik. ITB Bandung, Bandung, [2] Abdullah Saeed Al-Amoudi, Air conditioners Peformance Using Soft Starter, King Fahd University of Petroleum & Minerals, [3] A. E. Fitzgerald dkk, Electric Machinery Third Edition, McGraw-Hill Book Company [4] K A Walshe, AC Motors Rev:A. [5] John Larabee dkk, Induction Motor Starting Methods and Issues, Siemens Energy and Automation Inc., [6] Rotor Starters for Slipring Motors, Pape and Olbertz, [7] Resistance Motor Starter, ABB Australia Ply Limited, BIODATA PENULIS Firlian Widyananda lahir di Surabaya pada tanggal 7 Maret Pendidikannya berawal dari TK Bina Bunga Bangsa Surabaya pada tahun , kemudian melanjutkan ke SD Tunas Jaka Sampurna Bekasi pada tahun , Setelah lulus ia melanjutkan pendidikannya ke SMPN 252 Jakarta Timur pada tahun , pendidikan SMA ditempuh pada tahun di SMAN 12 Jakarta Timur pada tahun , setelah lulus melanjutkan pendidikannya di Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Jurusan Teknik Elektro Bidang Studi Teknik Sistem Tenaga tahun sekarang. Penulis pernah menjadi juara 2 dalam Energy Efficiency University Challenge Schneider Electric pada tahun 2010 dan saat ini menjadi asisten Laboratorium Simulasi Sistem Tenaga Listrik. Penulis dapat dihubungi di firli_gigihijau@yahoo.co.id.