MEDIA ELEKTRIK, Volume 4 Nomor 2, Desember 2009

Transkripsi

1

2 AlImran, Perbaikan Kinerja Motor Induksi Tiga Fase PERBAIKAN KINERJA MOTOR INDUKSI TIGA FASE Muh. Nasir Malik Jurusan PEndidikan Teknik Elektro FT UNM Abstrak Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui besar faktor daya (power factor = pf) dan efisiensi pada motor induksi tiga fasa dengan tidak memasang dan memasang kapaistor pada input stator. Metode yang dilakukan dalam penelitian ini adalah penelitian ekperimen, pengambilan data dilakukan dengan dua kali percobaan, yaitu (1) motor induksi tiga fasa dihubungkan ke jala-jala listrik dengan tidak memasang kapaistor pada input stator, (2) motor induksi tiga fasa dihubungkan ke jala-jala listrik dengan memasang kapaistor pada input stator. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan memasang kapaistor pada input stator, diperoleh meningkatkan faktor daya rata-rata sebesar 30%, dan efisiensi motor mengalami kenaikan sekitar 2,6% pada stator yang terhubung delta, sedangkan untuk stator yang terhubung bintang kenaikan faktor daya rata-rata sekitar 26%, dan efisiensi motor mengalami penurunan sampai sekitar 3,3%. Kata Kunci : Motor induksi, Kapasitor, faktor daya, efisiensi Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai adalah motor induksi tiga fasa dan motor induksi satu fasa. Motor induksi tiga fasa dioperasikan pada sistem tiga fasa dan banyak digunakan didalam berbagai bidang industri, sedangkan motor induksi satu fasa dioperasikan pada sistem satu fasa yang banyak digunakan terutama pada penggunaan untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor induksi satu fasa mempunyai daya keluaran yang rendah. Untuk meningkat kualitas dan kuantitas hasil produksi dari suatu industri, sangat diperlukan peralatan-peralatan listrik khususnya motor listrik yang mempunyai kinerja tinggi yang berfungsi sebagai penggerak berbagai piranti mesin-mesin produksi. Untuk industri kecil motor-motor listrik yang digunakan bervariasi antara 0,25 HP sampai 3 HP. Motor-motor listrik ini biasanya langsung dicatu dari jala-jala listrik. Untuk menjamin agar proses produksi dapat berjalan secara optimal, motor-motor listrik ini harus memiliki kinerja yang sangat menguntungkan, misalnya mempunyai faktor daya yang tinggi, efisiensi yang tinggi, tidak memerlukan arus asut yang tinggi, tidak mengganggu tegangan sistem (tidak menimbulkan kejut tegangan), dan memiliki momen kerja yang cukup memadai. Untuk meningkatkan kinerja dari motor induksi ini dipasanglah kapasitor pada rangkaian motor induksi baik secara seimbang maupun tidak seimbang. Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (AC) yang paling luas digunakan. Motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini tidak diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Keunggulan-keunggulan motor induksi dibanding dengan motor listrik lainnya (Hamzah Berahim, 1993) adalah a) Konstruksi sederhana, ringkas dan kuat, b) Memiliki faktor daya yang cukup baik, c) Pemeliharaan mudah dan d) Harganya relative lebih murah. Sedangkan kekurangannya, adalah a) Daerah pengaturan untuk kecepatan tidak seluas motor arus searah, b) Kecepatan akan turun bila beban bertambah besar, c) Torsi asut tidak lebih baik dibanding dengan motor arus searah shunt. Kinerja motor induksi berkaitan erat dengan efisiensi dan faktor kerja motor. Richardson (1980) menemukan bahwa bilamana motor-motor induksi satu fasa dipasangkan kapasitor, kenaikan efisiensinya berkisar antara 1

3 7% sampai dengan 12%. Sedangkan Wenrick (1978) mengatakan bahwa bilamana suatu motor induksi dihubungkan langsung ke jala-jala, akan terjadi moment asut yang besar dan arus asutnya dapat mencapai antara 6 sampai 9 kali arus beban penuh. Arus asut ini dapat berlangsung selama 3 hingga 10 detik yang dapat menimbulkan gangguan pada tegangan sistem. Saat pengasutan, fakktor daya motor indusi sangat rendah, ini disebabkan karena sebelum rotor dari motor induksi berputar, untai rotor seperti terhubung singkat yang mana sangat bersifat induktif sehingga faktor dayanya sangat rendah. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini adalah dengan memasang kompesator yang berupa kapasitor (Natarajan, 1991). Permasalahan yang akan dikaji dalam penelitian ini adalah berapa besar perubahan faktor daya dan efisiensi yang terjadi pada motor indusi tiga fasa dengan adanya pemasangan kapasitor. Sedangkan tujuan penelitian ini diharapkan untuk mengetahui besarnya kenaikan faktor daya dan efisiensi pada motor induksi tiga fasa. Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama, yaitu 1) Stator adalah bagian yang tidak bergerak (statis), terbuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fasa. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu dan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat, 2) Rotor adalah bagian yang bergerak (dinamis) biasa juga disebu sangkar tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek, seperti (gambar 1). Gambar 1. Konstruksi Motor Induksi Belitan stator yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron. Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktorkonduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun akan ikut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban, akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi, apabila beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun. Pengaruh Slip Terhadap Frekuensi dan Tegangan Rotor Slip (s) dapat didefinisikan sebagai selisih dari kecepatan sinkron (n s ) dengan kecepatan rotor (n r ) dibagi dengan kecepatan sinkron, atau secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut: = (1) Frekuensi tegangan induksi dalam rangkaian rotor yang disebabkan oleh medan magnetik berputar dinyatakan oleh persamaan berikut: =. (2) Dengan f r = frekuensi rotor (Hz) dan P = jumlah kutub stator Dengan subtitusi persamaan (1) ke dalam persamaan (2) diperoleh, =.... (3) Pada saat pengasutan, slip = 1, sehingga frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor) sama dengan frekuensi sinkron. Pengaruh slip terhadap tegangan rotor (E r ), yaitu tegangan induksi yang dibangkitkan dalam rangkaian tertutup rotor dapat dinyatakan sebagai berikut: = 4, (4) Pada ssat pengasutan, tegangan induksinya adalah: = 4,44.. (5) Dengan demikian: =.... (6)

4 AlImran, Perbaikan Kinerja Motor Induksi Tiga Fase Tempat Kedudukan Arus Rotor Perubahan sudut impedansi rotor θ r dan besaran arus rotor I r dapat dilihat pada gambar 2 berikut Gambar 2. Sudut impedansi dan arus rotor Pada gambar 2 di atas menunjukkan bahwa sudut impedansi rotor dan arus rotor mempunyai nilai terbesar pada saat pengasutan. Kemudian nilainilai tersebut menurun pada saat rotornya mengalami percepatan menuju kekecepatan sinkron. Disini tampak bahwa untuk nilai slip yang kecil (S < 0,05), arus rotor berbanding lurus dengan slip. Daya Celah Udara Daya yang dipindahkan secara elektromagnetik melewati celah udara yang terletak antara stator dan rotor disebut daya celah udara. Daya celah udara (S cu ) per fase dalam bentuk kompleks dinyatakan oleh persamaan: =... (7) Komponen aktif (P cu ) menghasilkan daya nyata pada poros motor, dan mengatasi rugi-rugi gesekan dan panas. Komponen pasifnya mencatu daya reaktif medan magnetic bolak-balik. Daya Mekanis dan Momen Putar Sebagian besar daya listrik yang dipiindahkan dari stator ke rotor melewati celah udara diubah menjadi daya mekanis, sedangkan sebagian kecil terbuang sebagai rug-rugi, yaitu rugi mekanis dan rugi panas dalam penghantar rotor, seperti yang ditunjukkan dalam persamaan berikut: = +.. (8) Rugi-rugi panas pada penghantar rotor untuk ketiga fasenya dapat dinyatakan sebagai berikut: =3. (9) Dengan demikian daya mekanisnya dapat dinyatakan dalam bentuk: atau: = (1 )/.. (10) = (1 ) (11) Persamaan (11) menyatakan daya mekanis total yang dibangkitkan pada slip. Jika dinyatakan dalam satuan daya kuda (HP), daya mekanis ini dapat dituliskan sebagai berikut: =.... (12) Hubungan antara daya mekanis dengan momen putar ditunjukkan oleh persamaan berikut: =,... (13) Dengan T D = momen putar yang dibangkitkan (Nm). Jika dinyatakan dalam P cu, momen putar ini dapat dituliskan sebagai berikut: =,. (14) Efisiensi dan Faktor Daya Perhitungan efisiensi motor induksi melibatkan rugi-rugi yang terjadi pada stator dan rotor. Rugi-rugi stator terdiri atas rugi-rugi hysteresis, rugi-rugi eddy current, rugi-rugi inti dan rugi-rugi tembaga pada kumparan stator. Dengan memperhitungkan rugi-rugi ini maka besar daya netto yang melewati celah udara adalah: =.. (15) Efisiensi motor adalah perbandingan antara daya keluaran yang berguna dengan daya masukan total, yaitu: = 100 %. (16) Faktor daya atau power factor (pf) merupakan salah satu kreiteria untuk menentukan kualitas daya listrik. Menurut Lazar (1980) bahwa rendahnya faktor daya akan mengakibatkan 3

5 memburuknya karakteristik kerja dari suatu peralatan listrik, baik dari segi teknis operasional maupun dari segi ekonomis. Adapun penyebab rendahnya faktor daya adalah 1) Penggunaan motor-motor listrik sebagai tenaga penggerak, dan 2) Pemakaian lampulampu yang menggunakan balast atau lilitan untuk penyalaan awal, seperti lampu TL dan lampu mercury. Faktor daya sebagai cosinus dari sudut perbedaan fasa, didefinisikan sebagai rasio perbandingan antara daya tersambung atau daya aktif (P) dengan daya terpakai atau daya nyata (VA), yang mana besarannya bervariasi antara 0 (nol) sampai 1 (satu), secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : = = =. (17) Kondensator (Capasitor = C) adalah suatu peralatan listrik yang dapat menyimpan daya listrik. Kondensator terdiri dari dua penghantar atau pelat sejajar yang diantarai oleh suatu media isolasi yang disebut dielektrium. Kondensator yang umum digunakan adalah yang terbuat dari pelat tipis dari jenis logam aluminium, lapisan perak tipis dan lain-lain. Sedangkan dielektriumnya digunakan antara lain udara, mika, kertas, oksida logam dan lain-lain. Besar kapasitansi dari sebuah kapasitor yang akan digunakan untuk memperbaiki daya reaktif yang diakibatkan oleh menurunnya faktor daya adalah seperti berikut ini : = (18) dengan Q c = daya reaktif kapasitif, f = frekuensi jala-jala listrik dan V = tegangan jala-jala listrik Pengaruh Tegangan Sumber Takseimbang Pada Kinerja Motor Jika tegangan terpasang pada ketiga fasa motor tak sama, maka akan terjadi ketakseimbangan arus fasa. Persentase ketakseimbangan arus fasa ini biasanya jauh lebih besar daripada persentase ketakseimbangan tegangan. Ketakseimbangan arus ini dapat menyebabkan kenaikan temperature (panas lebih) pada isolasi kumparan motor sehingga dapat memperpendek umur pakai motor. Disamping itu, ketakseimbangan tegangan dapat menurunkan kecepatan putar motor. Persentase ketakseimbangan tegangan (V ti ) dapat dinyatakan sebagai: (%) =. 100% (18) Dengan V d.maks =deviasi tegangan maksimum antara tegangan antar fassa dengan tegangan rerata (V rt ). Gambar 3. Hubungan torsi dan kecepatan putar rotor untuk berbagai tegangan terminal motor Pada gambar 3 diperlihatkan bila tegangan terminal motor dikurangi maka torsi maksimum motor akan berkurang. Agar torsi yang dihasilkan tetap besarnya maka kecepatan akan berkurang. Dengan tegangan tertentu torsi maksimum motor lebih kecil dibanding torsi beban, pada kondisi ini motor akan berada pada daerah kerja tidak stabil dan dengan cepat motor akan berhenti (stalling) sehingga arusnya sangat besar. Pada keadaan yang nyata bila motor bebannya dipertahankan tetap, dan tegangan terminalnya dikurangi maka putaran akan berkurang, sehingga ekivalen hambatan rotor bertambah. Pengurangan tegangan ini akan menyebabkan berkurangnya arus rotor dan juga tegangan Ema sehingga mengurangi arus magnetisasi. METODE Pelaksanaan penelitian ini dilakukan dalam dua tahap yaitu tahap pertama kumparan stator motor dihubungkan bintang, dan tahap kedua kumparan stator motor dihubungkan delta. Motor dikopel dengan sebuah generator arus searah dan beban elektrik (RL), selanjutnya dilakukan pengukuran untuk berbagai parameter motor berdasarkan pengaturan beban RL yaitu tegangan masukan, arus untuk ketiga fasanya, daya masukan motor, tegangan dan arus generator, kecepatan putar motor. Pengukuran ini dilakukan untuk kondisi motor tanpa kapasitor, dan dengan

6 AlImran, Perbaikan Kinerja Motor Induksi Tiga Fase kapasitor 12 μf 400 WV pada masing-masing fasanya. Mesin yang digunakan adalah motor induksi 3 fasa model IM-3 daya 3 HP, tegangan 220/380 Volt, hubungan Δ/Y, putaran 1500 rpm dan generator arus searah daya 3 HP, tegangan 220Volt, putaran 1500 rpm, alat-alat ukur seperti voltmeter AC dan DC, Amperemeter AC dan DC, wattmeter, tachometer dan beban RL, serta power suply sebagai sumber tegangan ACseperti gambar 4. Data yang diperoleh dari pengukuran parameter motor ini ditampilkan dalam bentuk tabel dan gambar grafik sehingga dapat dilihat pengaruh pemasangan kapasitor pada kinerja motor induksi tiga fasa. HASIL DAN PEMBAHASAN Daya keluaran motor induksi tiga fasa dapat dihitung dari alat ukur V DC x A DC dalam besaran watt, daya masukan (P) motor induksi tiga fasa dapat baca dari watt meter, daya masukan (S) motor induksi tiga fasa dapat dihitung dari alat ukur 3 V x A dalam besaran voltampere, faktor daya motor induksi tiga fasa dapat dihitung dari perbandingan daya masukan (P) dengan daya masukan (S), sedangkan efisiensi motor induksi tiga fasa dapat dihitung dari perbandingan daya keluaran dengan daya masukan (P) dalam persentase (%). Kapasitor yang digunakan dalam penelitian ini adalah kapasitor yang ada dipasaran yaitu kapasitor dengan kapasitansi 12 mikrofarad, tegangan kerja 400 volt. 1. Hasil analisis motor induksi tiga fasa hubungan delta (Δ) Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil pengukuran dan perhitungan, maka dapat analisis motor induksi tiga fasa hubungan delta (Δ) tanpa kapasitor (tabel 1) dan dengan pemasangan kapasitor (tabel 2), untuk faktor Gambar 4. Rangkaian Percobaan Tabel 1. Parameter operasi motor induksi tiga fasa terhubung Δ tanpa kapasitor No V AC A AC W in V DC A DC RPM PF W out Eff Tabel 2. Parameter operasi motor induksi tiga fasa terhubung Δ dengan kapasitor No V AC A AC W in V DC A DC RPM PF W out Eff

7 daya tanpa kapasitor dan dengan kapasitor lihat gambar 5, sedangkan gambar 6 memperlihatkan efisiensi motor induksi tanpa kapasitor dan dengan kapasitor. Pemasangan kapasitor pada motor induksi tiga fasa hubungan delta (Δ) dapat menaikkan faktor daya berkisar antara 23% s.d.46% atau rata-rata sekitar 30%, sedangak efisiensi motor mengalami kenaikan hanya sekitar 2,6% saja, malahan untuk beban tertentu mengalami penurunan sampai 3,5%. 2. Hasil analisis motor induksi tiga fasa hubungan bintang (Y) Berdasarkan data yang diperoleh dari hasil pengukuran dan perhitungan, maka dapat analisis motor induksi tiga fasa hubungan bintang (Y) tanpa kapasitor (tabel 3) dan dengan pemasangan kapasitor (tabel 4), untuk faktor daya tanpa kapasitor dan dengan kapasitor lihat gambar 7, sedangkan gambar 8 memperlihatkan efisiensi motor induksi tanpa kapasitor dan dengan kapasitor. Faktor Daya Arus Keluaran Tanpa C Dengan C Gambar 5. Faktor daya untuk kumparan motor terhubung delta Efisiensi (%) Tanpa C Dengan C Arus Keluaran Gambar 6. Efisiensi untuk kumparan motor terhubung delta

8 AlImran, Perbaikan Kinerja Motor Induksi Tiga Fase Pemasangan kapasitor pada motor induksi tiga fasa hubungan bintang (Y) dapat menaikkan faktor daya berkisar antara 16% s.d.38% atau rata-rata sekitar 26%, sedangakan efisiensi motor mengalami penurunan sampai sekitar 3,3% saja, untuk beban tertentu mengalami kenaikan yang tidak berarti (hanya 0,8%). Tabel 3. Parameter operasi motor induksi tiga fasa terhubung Y tanpa kapasitor No V AC A AC W in V DC A DC RPM PF W out Eff Tabel 4. Parameter operasi motor induksi tiga fasa terhubung Y dengan kapasitor No V AC A AC W in V DC A DC RPM PF W out Eff Faktor Daya Arus Keluaran Tanpa C Dengan C Gambar 7. Faktor daya untuk kumparan motor terhubung bintang 7

9 45.00 Efisiensi (%) Arus Keluaran Tanpa C Dengan C Gambar 8. Efisiensi untuk kumparan motor terhubung bintang SIMPULAN DAN SARAN Berdasarkan pembahasan hasil penelitian, maka dapat disimpulkan bahwa : (1) Pemasangan kapasitor pada motor induksi tiga fasa hubungan delta dapat meningkatkan faktor daya rata-rata sebesar 30%, dan efisiensi motor hanya mengalami kenaikan sekitar 2,6% saja. (2) Dengan pemasangan kapasitor pada motor induksi tiga fasa hubungan bintang kenaikan faktor daya rata-rata sekitar 26%, dan efisiensi motor mengalami penurunan sampai sekitar 3,3%. (3) Kapasitansi dari kapasitor perlu diperhatikan untuk menghindari terjadinya kenaikan tegangan yang melewati batas toleransi tegangan nominal sistem. Natarajan R., dan Mirsa, V.K., 1991, Starting Transient Current of Induction Motors Without and With Terminal Capacitor, IEEE Trans. On Energy Conversion, Vol. 6, No. 1 National Electrical Manufaenerators, Publication No. MG 1. Richardson D. V., (1980), Handbook of Rotating Machinery, Reston Publishing Virginia. Wenrick, E. H., 1978, Electrical Motor Handbook, McGraw-Hill Book Co., New York. Zuhal,1992, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Jakarta, PT. Gramedia. DAFTAR PUSTAKA Abdul Kadir,1980, Pengantar Teknik Tenaga Listrik, Jakarta, LP3ES Fitzgerald A.E., 1997, Mesin-Mesin Listrik, Jakarta, Erlangga Hamzah Berahim, 1993, Operasi Motor Induksi 3-Fasa Pada Sistem Tenaga 1-Fasa, Laporan Penelitian FT UGM Yogyakarta. Lazar Irwin, 1980, Electrical System Analysis And Design for Industrial Plants, New York, Mc Graw-Hill Book Company.