BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Umum Pembangkit listrik tenaga uap (PLTU) merupakan pembangkit listrik yang mengandalkan energi kinetik dari uap untuk menghasilkan tenaga listrik. PLTU menggunakan mesin turbin yang diputar oleh tenaga uap yang dihasilkan oleh pembakaran bahan bakar. Bahan bakar yang dapat digunakan pada PLTU terdiri dari beberapa jenis seperti batubara, minyak gas, dan lain-lain. Tetapi yang paling umum digunakan adalah batubara karena ketersediaannya sangat memadai. Prinsip kerja pembangkit listrik tenaga uap yaitu dengan menggunakan fluida kerja air uap dengan sirkulasi tertutup. Siklus tertutup artinya menggunakan fluida yang sama secara berulang-ulang untuk menghasilkan uap jenuh yang digunakan untuk memutar turbin. Berikut tahapan proses sirkulasinya secara singkat: 1) Air diisi kedalam boiler hingga mengisi penuh seluruh permukaan peminda panas sesuai dengan yang ditentukan. Didalam boiler air ini dipanaskan dengan gas panas hasil pembakaran bahan bakar dengan udara sehingga berubah menjadi uap. 2) Uap hasil produksi boiler dengan tekanan dan tempratur tertentu dialirkankan melalui pipa untuk memutar turbin sehingga menghasilkan daya mekanik berupa putaran. 3) Generator yang dikopel dengan turbin akan berputar dan menghasilkan energi listrik sebagai hasil dari perputaran medan magnet dalam kumparan pada generator. 4) Setelah uap yang digunakan keluar dari turbin, uap tersebut mengalir ke kondensor untuk didinginkan dengan air pendingin agar berubah kembali menjadi air yang disebut dengan air kondensat. Air kondensat hasil kondensasi uap tersebut digunakan kembalisebagai air pengisi boiler. Demikian siklus ini berlangsung terus menerus dan berulang-ulang. 4
Gambar 2.1 Prinsip kerja PLTU Pada dasarnya komponen yang digunakan pada PLTU sangat mungkin mengalami kerusakan akibat dari gangguan internal dan gangguan eksternal sehingga perlu dilakukan pengamanan pada peralatan tersebut untuk mengurangi resiko kerusakan yang lebih besar apabila terjadi gangguan. Peralatan yang perlu mendapatkan pengamanan antara lain adalah Boiler Turbin, Generator, Transformator dan Motor. Pengaman yang paling umum digunakan pada PLTU adalah Rele. 2.2 Rele Pengaman Rele pengaman atau rele proteksi merupakan suatu peralatan yang didesain untuk mengamankan peralatan sistem tenaga listrik pada kondisi tidak normal. Rele pengaman adalah susunan piranti, baik elektronik maupun magnetik yang direncanakan untuk mendeteksi suatu kondisi tidak normal pada peralatan listrik yang bisa membahayakan peralatan tersebut. Jika bahaya itu muncul maka rele pengaman akan secara otomatis memberikan sinyal atau perintah untuk
membuka pemutus tenaga (circuit breaker) agar bagian yang terganggu dapat dipisahkan dari sistem yang normal, sehingga tidak mengganggu sistem secara keseluruhan. Rele pengaman dapat mengamankan peralatan dengan cara mengukur atau membandingkan besaran-besaran yang dirasakanya, misalnya arus, tegangan, daya, sudut phasa, frekuensi, impedansi dan sebagainya. Alat tersebut akan mengambil keputusan seketika dengan perlambatan waktu membuka pemutus tenaga atau hanya memberikan tanda tanpa membuka pemutus tenaga. Disamping itu rele juga berfungsi untuk menunjukan lokasi dan jenis gangguannya. Beberapa gangguan yang terdapat pada motor tiga fasa antara lain: 1. Gangguan Beban Lebih 2. Gangguan Hubungan Singkat 3. Gangguan Fasa ke Fasa, dan Lain-lain Dengan mengetahui jenis-jenis gangguan tersebut dapatlah ditentukan jenis proteksi yang akan digunakan untuk mengamankan motor induksi dari gangguan di atas. Di samping itu jenis proteksi pada motor juga tergantung pada switchgear yang digunakan untuk kontrolnya seperti start, stop, variasi putaran dan lain-lain. Secara umum proteksi utama motor-motor listrik adalah : 1. Proteksi beban lebih yang menimbulkan panas (thermal over load protection) 2. Proteksi arus hubungan singkat (short circuitprotection) Dan alat proteksi yang terdapat pada switchgear yang digunakan untuk kontaktor motor adalah : 1. Kontaktor stster dengan HRC (High Repturing Capasity) fuse dan thermal overload relay. 2. Pemutus Daya (circuit breaker) beserta relay relay nya Pada umumnya kontaktor dan sekering (fuse), digunakan untuk proteksi motor yang berkapasitas 100 HP, sedangkan pemutus daya (circuit breaker) digunakan untuk motor yang berkapasitas yang besar dengan kapasitas sekitar 1500 HP dan rating tegangan 3 KV. Selain itu umumnya kontaktor digunakan untuk membatasi arus yang mengalir sekitar 6 kali arus rating. Rating arus adalah 6
besar arus yang harganya sedikit lebih tinggi dari arus beban penuhnya. Dari circuit breaker yang digunakan dapat berupa jenis pemutus dengan osolasi udara atau pemutus daya jenis isolasi minyak (oil break type). Namun yang umum digunakan adalah pemutus daya jenis isolasi minyak (oil break circuit breaker). Selain proteksi di atas, motor-motor induksi 3 phasa kadang juga dilengkapi dengan proteksi akibat variasi tegangan. Dalam memilih proteksi motor-motor tersebut haruslah memenuhi kriteria, sederhana, peka, dan ekonomis serta proteksi tidak akan bekerja selama start dan batas beban lebih yang diizinkan. Pemilihan proteksi dapat ditinjau dari beberapa hal, diantaranya : 1 Ukuran motor seperti rating arus, rating tegangan, dan dayanya. 2 Jenis motor apakah rotor sangkar atau rotor belitan. 3 Jenis starter yang seperti switchgear atau control. 4 Harga motor dan biaya operasinya. 5 Jenis beben, arus start, kondisi abnormal yang diizinkan. 2.2.1 Syarat Rele Pengaman Rele adalah suatu peralatan listrik yang befungsi untuk melindungi, memutuskan atau menghubungkan satu rangkaian listrik dengan rangkaian listrik lainnya, yang bekerja secara otomatis dan dapat dipakai sebagai kontrol jarak jauh. Rele akan bekerja apabila ada besaran listrik yang mengalir melalui peralatan tersebut. Besaran-besaran yang bukan besaran listrik dirubah dulu menjadi besaran listrik. Rele mempunyai kontak-kontak normal membuka (normally open) dan normal menutup (normally close). Setiap sistem pengaman berfungsi untuk mengisolir bagian yang terganggu. Untuk mendapatkan hasil yang memuaskan, maka dibutuhkan beberapa persyaratan yang harus dipenuhi, antara lain : 1. Keandalan (Reability) Suatu rele pengaman dirancang untuk mendapatkan beroperasi pada setiap terjadi gangguan dan dapat diandalkan. Rele pengaman pada umumnya lebih
banyak dalam keadan tidak bekerja. Oleh karena itu untuk mendapatkan keandalan yang tinggi dari suatu rele pengaman, maka perlu diadakan pengujian kembali pada saat-saat tertentu agar rele dapat bekerja sesuai dengan yang diharapkan. 2. Selektif (Selectivity) Selektif suatu rele pengaman adalah kemampuan untuk menentukan titik mana yang terjadi gangguan, sehingga dapat dengan tepat memerintahkan pemutus beban yang mana harus agar daerah yang terganggu dapat dialokasikan. 3. Ketepatan Operasi Peralatan pengaman dapat bekerja cepat bila adanya gangguan didaerah pengamanannya. Mengisolasi bagian yang terganggu dimaksudkan agar mempercepat beroperasinya kembali sistem pada keadaan normal dan mengurangi kemungkinan kerusakan peralatan-peralatan pada istem tersebut. Waktu yang diperlukan untuk mengisolasi bagian sistem yang terganggu dari sistem keseluruhan adalah penjumlahan waktu kerja alat pengaman daya (CB). Waktu kerja alat pengaman adalah waktu sejak terjadinya gangguan sampai saat menutupnya kontak pada rangkaian pemutus, sehingga waktu pelepasan pemutus daya adalah waktu sejak, pemutus kontak pada rangkaian pemutus sampai saat terbukanya pemutus daya. 4. Ekonomis Rele yang dipergunakan sesederhana mungkin untuk mengurangi biaya, karena semakin banyak pengaman yang digunakan pada sistem tenaga listrik akan menyebabkan semakin besarnya biaya. Hal ini dimaksudkan untuk memberikan pengaman secukupnya agar ekonomis, tetapi tidak mengabaikan faktor-faktor keandalan, kepekaan dan selektif relay tersebut. 8
2.2.2 Fungsi Rele Pada Prinsipnya rele proteksi yang dipasang pada sistem tenaga listrik mempunyai 3 macam fungsi, yaitu : 1. Merasakan, mengukur dan menentukan bagian sistem yang terganggu serta megisolasinya. 2. Mengurangi kerusakan yang lebih parah dari peralatan yang tergangu 3. Mengurangi pengaruh ganguan terhadap bagian sistem lain yang tidak tergangu dan sistem tersebut masih dapat beroperasi normal. 2.2.3 Klasifikasi Rele Pengaman 1. Berdasarkan Besaran Input Arus[I] : Relai Arus lebih [ OCR ] dan Relai Arus kurang [UCR] Tegangan [U] : Relai tegangan lebih [OVR] dan Relai tegangan kurang [UVR] Frekuensi [f] : Relai frekuensi lebih {OFR] dan Relai frekuensi kurang [UFR] Daya [P ; Q ] : Relai daya Max / MinRelai arah / Directional Relai Daya balik Impedansi [Z] : Relai jarak [Distance] Beda arus : Relai diferensial 2. Berdasarkan Karakteristik Waktu kerja Seketika [Relai instsnt / Moment /high speed ] Penundaan waktu [ time delay ] - Definite time relay - Inverse time relay Kombinai instant dengan tunda waktu 3. Berdasarkan jenis kontak Relai dengan kontak dalam keadaan normal terbuka [ normally open contact]
Relai dengan kontak dalam keadaan normal tertutup [ normally close contact] 4. Berdasarkan Fungsi Relai Proteksi Relai Monitor Relai programming ; Reclosing relay synchro check relay Relai pengaturan {regulating relay] Relai bantu sealing unit, lock out relay, closing relay dan tripping relay 5. Berdasarkan Prinsip Kerja Tipe Elektromekanis a. Tarikan magnit ; - tipe Plunger - tipe hinged armature - tipe tuas seimbang b. Induksi : - Tipe shaded pole - Tipe kwh - Tipe mangkok { cup ] - Tipe thermis - Tipe gas ; relai buccholz - Tipe tekanan ; pressure relay - Tipe statik [ elektronik] 2.2.4 Jenis-Jenis Rele Pengaman 2.2.4.1 Relay Elektromagnetis Pengaman magnetis adalah suatu sistem pengaman yang digunakan untuk mengamankan suatu sustu sistem dari gangguan dan memutuskan bagian yang hanya mengalami gangguan, terutama yang diakibatkan oleh gangguan arus lebih (hubungan singkat). 10
Relay elektro magnetis digolongkan menjadi 2 (dua), yaitu : a. Relay elektro magnetis primer, pada alat ini arus utama mengalir langsung pada lilitannya. b. Relay elektro magnetis sekunder, pada alat ini arus utama mengalir dari transformator sekunder menuju relay. Pengaman magnetis juga dapat diatur dalam daerah kerja tertentu, tetapi daerah pengaturannya lebih sempit bila dibandingkan dengan pengaman bimetal, ini dapat dilihat pada dibawah ini a. Relay Primer b. Relay Sekunder Gambar 2.2 Relay Elektromagnetik 2.2.4.2 Rele Waktu Relay waktu atau disebut juga dengan timer bekerja secara elektromagnetik yang digunakan untuk menghubungkan dan memutuskan rangkaian sesuai dengan setting waktu yang telah ditentukan. Timer dapat dibagi menjadi dua jenis, yaitu : a. ON Delay Timer jenis ini jika koilnya diberi tegangan, maka kontak-kontaknya akan bekerja dengan lambat sesuai dengan waktu yang telah kita setting dan jika sumber tegangan diputuskan maka kontak-kontaknya akan kembali ke posisi semula dengan cepat. Timer jenis ini disebut juga relay tunda dengan operasi lambat.
b. OFF Delay Untuk jenis ini bila koilnya diberi tegangan, maka kontak-kontaknya langsung bekerja tanpa penundaan waktu, tetapi jika tegangan diputuskan maka kontakkontaknya akan bekerja dengan lambat sesuai waktu yang telah kita setting. Timer jenis ini disebut dengan operasi cepat. 2.2.4.3 Rele Panas (Relay Thermal) Relay ini bekerja berdasarkan panas (temperatur) yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui elemen-elemen pemanas bimetal. Dari sifat pelengkungan bimetal akibat panas yang ditimbulkan, bimetal ini akan menggerakkan kontak-kontak mekanis pemutus rangkaian listrik. Bentuk konstruksi dari relay thermal dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Gambar 2.3 Bentuk Konstruksi Relay Thermal Keterangan : 1. Reset Mekanis 2. Pengatur Batas Arus 3. Bimetal 4. Pegas Kontak 5. Pendorong Kontak 6. Kontak Fungsi bagian-bagian dari relay thermal yaitu : 1. Reset mekanis fungsinya untuk membalikkan kedudukan kontak pada posisi semula dan pengaturan batas arus strip bila terjadi beban lebih. Arus setting 12
(batas arus) sebagai suatu fungsi dari harga arus pada pemanas arus atau relay. 2. Bimetal fungsinya untuk menggerakkan kontak-kontak mekanis pada pemutus rangkaian listrik akibat panas yang disebabkan oleh arus yang mengalir melalui elemen-elemen pemanas bimetal. 3. Pegas kontak fungsinya untuk mengembalikan kedudukan semula dari pendorong kontak setelah terjadinya pembebanan lebih. 4. Pendorong kontak fungsinya untuk menghubungkan kontak-kontak akibat dari pelengkungan bimetal setelah terjadi pembebanan lebih. 5. Kontak fungsinya untuk mengalirkan arus yang masuk dan arus yang keluar. 2.2.4.4 Rele Arus Lebih Rele arus lebih adalah rele proteksi yang memberikan respon dengan adanya arus tertentu dan car kerjanya simpel dan harganya lebih murah. Proteksi arus lebih berebda dengan proteksi beban lebih. Dimana proteksi arus lebih adalah untuk mengamankan arus gangguan dan proteksi beban lebih untuk pemakain bebn. Rele arus lebih induksi piringan (disk) memberikan waktu operasi inverse dengan suatu karakteristik waktu minimum tertentu (definite minimum time). Rele mempunyai dua elektromagnit. Elektromaknit bagian atas mempunyai dua lilitan yang terdiri primer dan sekunder yang dihubungkan ke transformator arus (CT) dari saluran untuk daerah pengamanan dan membuka dengan waktu yang dapat ditentukan. Seperti gambar 2.3 dibawah. Gambar 2.4 Rele tipe induksi piringan (disk)
Tipe rele ini terdiri dari imlementasinya terdiri dari tiga kutub elektromaknit. Tenaga operasi untuk rele adalah menggunakan lilitan pada pusat kutub inti. Salah satu kutub bagian luar dilengkapi dengan lilitan dengan suatu kelambatan dan kutub yang satu lagi tanpa lilitan. Arus (I) pada lilitan utama menghasilkan flux (Φ), yang dihasilkan melalui piringan sampai ke penjaga (keeper). Φ ini mengarah ke ΦL sebelah kiri dan ΦR sebelah kanan, maka Φ= ΦL+ ΦR. Dihubung singkatnya lilitan ketinggalan pada kaki kiri menyebabkan ΦL ketinggalan dari ΦR dan Φ. Dengan fundamental arus fick-up dimasuki, maka torsi dari maknit yang cukup untuk menjadi sumber pengendalian dan menyebabkan piringan mulai bergerak. Torsi ini mengakibatkan interaksi antara piringan dengan arus yang dihasilkan dari masing-masing kutub dan dua kutub flux yang lain. (Horowitz, 1992). Standard kurva karakteristik arus-waktu dari invers times over current rele diperlihatkan pada gambar dibawah (IEEE standard inverse-time, vol.14 1996) Gambar 2.5 Kurva dari karakteristik inverse time over current rele 14
2.2.5 Prinsip kerja rele arus lebih elektromekanik tipe induksi Secara umum pemakaian rele arus lebih sebagai proteksi hubungan singkat dan keadaan-keadaan tidak normal pada operasi system distribusi tenaga listrik, lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar dibawah: Gambar 2.6 Perangkat proteksi Dengan piranti proteksi adalah sebagai berikut: 1. Transformatur arus (CT) 2. Transformator tegangan (PT) 3. Circuit Breaker (CB) 4. Batere 5. Tripping Coil (TC) 6. Rele - B Elektromaknit untuk meutup kontak A - A Kontak penutup rankaian kumparan imbas - C Kontak-kontak yang ditutup oleh pal D - D Pal penutup kontak yang terletak pada keping imbas, yang berputar bersama piringan.
Rele elektromaknetik terdiri dari rangkaian listrik yang menggerakkan suatu mekanisme yang pada akhirnya harus mentripkan CB. dengan jalan menutup kontak pemberi arus trip coil (TC) dari CB. Apabila arus beban melebihi nilai tertentu maka kontak A menutup dan arus akan mengalir melalui elektromaknit kumparan imbas yang akan memutar piringan. Berputarnya piringan akan membawa pal D yang akhirnya menutup kontak C dan menyebabkan TC bekerja menjatuhkan CB. Dari uraian diatas tampak bahwa lamanya waktu, yang menentukan lamanya rele bekerja ditentukan oleh penyetelan jarak pal D dengan kontak E. Sedangkan besarnya arus yang menyebabkan rele bekerja ditentukan dengan penyetelan pegas yang menahan penutupan kontak A. Tripping Coil Instantenous (TCI) adalah untuk instantenous trip yaitu rele akan bekerja tampa time delay untuk nilai arus diatas harga tertentu yang bias menyebabkan kumparan TCI bekerja dan lansung mengerjakan trip coil (TC) yang menjatuhkan CB. Karena pada rele ini bekerjanya yang melebihi arus nominalnya yang sebanding dengan arus beban, maka rele ini disebut rele arus lebih. 2.3 Pemutus Rangkaian Pemutus rangkaian adalah peralatan yang berfungsi untuk memutus rangkaian dari sumber listrik baik secara manual maupun elektronis. 2.3.1 Mini Circuit Breaker (MCB) MCB adalah suatu rangkaian pengaman yang dilengkapi dengan komponen thermis (bimetal) untuk pengaman beban lebih dan juga dilengkapi relay elektromagnetik untuk pengaman hubung singkat. MCB banyak digunakan untuk pengaman rangkaian listrik satu fasa dan tiga fasa. Keuntungan menggunakan MCB, yaitu : 1. Dapat memutuskan rangkaian tiga fasa walaupun terjadi hubung singkat pada salah satu fasanya. 2. Dapat digunakan kembali setelah rangkaian diperbaiki akibat hubung singkat atau beban lebih. 16
3. Mempunyai respon yang baik apabila terjadi hubung singkat atau beban lebih. Pada MCB terdapat dua jenis pengaman yaitu secara thermis dan elektromagnetis, pengaman termis berfungsi untuk mengamankan arus beban lebih sedangkan pengaman elektromagnetis berfungsi untuk mengamankan jika terjadi hubung singkat. Pengaman thermis pada MCB memiliki prinsip yang sama dengan thermal overload yaitu menggunakan dua buah logam yang digabungkan (bimetal), pengamanan secara thermis memiliki kelambatan, ini bergantung pada besarnya arus yang harus diamankan, sedangkan pengaman elektromagnetik menggunakan sebuah kumparan yang dapat menarik sebuah angker dari besi lunak. MCB dibuat hanya memiliki satu kutub untuk pengaman satu fasa, sedangkan un- tuk pengaman tiga fasa biasanya memiliki tiga kutub dengan tuas yang disatukan, sehingga apabila terjadi gangguan pada salah satu kutub maka kutub yang lainnya juga akan ikut terputus. Berdasarkan penggunaan dan daerah kerjanya, MCB dapat digolongkan menjadi 5 jenis ciri yaitu : Tipe Z (rating dan breaking capacity kecil) Digunakan untuk pengaman rangkaian semikonduktor dan trafo-trafo yang sen- sitif terhadap tegangan. Tipe K (rating dan breaking capacity kecil) Digunakan untuk mengamankan alat-alat rumah tangga. Tipe G (rating besar) untuk pengaman motor. Tipe L (rating besar) untuk pengaman kabel atau jaringan. Tipe H untuk pengaman instalasi penerangan bangunan
Gambar 2.7 MCB satu dan tiga fasa 2.3.2 Moulded Case Circuit Braker (MCCB) MCCB adalah rangkaian pengaman yang berfungsi sebagai pemutus rangkaian listrik pada tegangan menengah. Pada dasarnya cara kerja dan fungsi MCCB dan MCB adalah sama, perbedaannya hanya pada besar tegangan dan arus yang akan diproteksi lebih besar pada MCCB. Jika pada MCB digunakan sebagai pengaman pada tegangan rendah, maka MCCB digunakan sebagai pengaman tegangan menengah. Gambar 2.8 MCCB 2.3.3 Vacuum Circuit Breaker (VCB) Vacuum circuit breaker merupakan peralatan pengaman rangkaian listrik yang digunakan pada tegangan sampai 35 K. VCB memiliki ruang hampa udara untuk memadamkan busur api pada saat circuit breaker terbuka (open), sehingga 18
dapat mengisolir hubungan setelah bunga api yang terjadi akibat gangguan atau sengaja dilepas. Salah satu tipe dari circuit breaker adalah recloser. Recloser hampa udara dibuat untuk memutuskan dan menyambung kembali arus bolakbalik pada rangkaian secara otomatis. Pada saat melakukan pengesetan besaran waktu sebelumnya atau pada saat recloser dalam keadaan terputus yang kesekian kalinya, maka recloser akan terkunci (lock out), sehingga recloser harus dikembalikan pada posisi semula secara manual. Gambar 2.9 Vacuum Circuit Breaker 2.3.4 Fuse Fuse atau Sekring adalah alat yang dapat memutuskan arus listrik pada saat terjadi hubung singkat atau arus berlebih pada rangkaian listrik atau beban lainnya. Fuse pada dasarnya terdiri dari sebuah kawat halus pendek yang akan meleleh dan terputus jika dialiri oleh arus listrik yang berlebihan ataupun terjadinya hubungan arus pendek dalam sebuah peralatan listrik. Gambar 2.10 Fuse
2.3.5 Thermal Overload Relay (TOR) Thermal Overload Relay adalah peralatan pengaman rangkaian beban listrik dari gangguan beban lebih, umumnya digunakan sebagai pengaman motor listrik. Prinsip kerja dari suatu TOR adalah berdasarkan panas yang timbul karena adanya arus listrik yang mengalir melewati arus nominal motor. Energi panas tersebut akan diubah menjadi energi mekanik oleh logam bi metal. Akibatnya kontak NC akan terbuka sehingga operasi motor diamankan oleh pengaman TOR berhenti bekerja. Adapun kerja TOR ini tergantung kepada gangguan arus beban lebih yang terjadi dan lamanya gangguan berlangsung Pada TOR terdapat selektor untuk memilih batasan nilai arus yang diinginkan yang biasanya disesuaikan dengan besar arus nominal beban yang akan dihubungkan. Gambar 2.11 Prinsip Kerja Thermal Over load 2.4 Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah motor listrik arus bolak balik yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan statornya, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran medan pada stator terdapat selisih putaran yang disebut slip. Motor induksi merupakan motor yang memiliki konstruksi yang baik, harganya lebih murah dan mudah dalam pengaturan kecepatannya, disamping itu motor induksi juga memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak memerlukan perawatan yang rumit. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki kelemahan dalam pengaturan kecepatan. 20
Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC pengaturan kecepatan lebih mudah dilakukan. Berdasarkan suplai tegangan yang digunakan, motor induksi terdiri dari dua jenis, yaitu; 1. Motor listrik AC/arus bolak-balik 1 fasa 2. Motor listrik AC/arus bolak-balik 3 fasa Pembahasan pada tugas akhir ini menitikberatkan pada motor listrik AC 3 fasa. Sesuai dengan namanya motor induksi tiga fasa dirancang untuk beroperasi menggunakan suplai tegangan tiga fasa. Motor induksi tiga fasa sering digunakan sebagai penggerak pada peralatan yang memerlukan daya yang besar dan kecepatan yang relatif konstan. Hal ini disebabkan karena motor induksi tiga fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu konstruksi yang cukup sederhana, kecepatan putar yang hampir konstan terhadap perubahan beban. Walaupun demikian motor induksi tiga fasa ini memiliki beberapa kekurangan seperti, kecepatan tidak mudah dikontrol dan arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal. 2.4.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah motor ac yang paling banyak digunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristiknya yang baik. Secara umum motor induksi terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Stator merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang dapat menginduksikan medan elektromagnetik kepada rotornya, sedangkan rotor merupakan bagian yang bergerak. Diantara stator dan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.12 Konstruksi Motor 3 Fasa 2.4.2 Prinsip Kerja Motor Induksi Motor Induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada rotornya. Bila kumparan stator motor induksi tiga fasa dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan seperti rumus dibawah ini: NNNN = 120ff PP Dimana: Ns = Kecepatan Putar f = Frekuensi Sumber tegangan p = Jumlah Kutub Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul gaya gerak listrik (GGL) induksi. Karena batang konduktor merupakan rangkain yang tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I). Adanya arus (I) didalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila tenaga yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Artinya agar GGL induksi tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr). 22
dengan Perbedaan kecepatan antara ns dan ns disebut slip (s), yang dinyatakan SS = nnnn nnnn nnnn Apabila ns = nr, maka GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga dengan motor induksi tak serempak atau asinkron. 2.4.3 Jenis-jenis Motor Induksi Tiga Fasa Berdasarkan rotornya jenis motor induksi tiga fasa ada dua, yaitu: a. Motor induksi tiga fasa sangkar tupai (squirrel-cage motor) Motor induksi jenis ini mempunyai rotor dengan kumparan yang terdiri atas bebarapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor terdiri dari sederet batang-batang penghantar yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor. Ujung-ujung batang penghantar dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat. b. Motor induksi tiga fasa rotor belitan (wound-rotor motor) Motor induksi rotor belitan mempunyai rotor dengan belitan kumparan tiga fasa yang sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor juga mempunyai jumlah kutub yang sama. Rotor belitan mempunyai tiga belitan yang mirip dengan belitan stator yang ketiga belitan tersebut biasanya terhubung bintang. Ujung-ujung belitan tersebut dihubungkan dengan slipring yang terdapat pada poros rotor. Belitan-belitan tersebut dihubung singkat melalui sikat (brush) pada slipring. 2.4.4 Rangkaian EkivalenMotor Induksi Tiga Fasa Pada prinsipnya proses induksi yang terjadi pada motor induksi hampir sama seperti pada transformator yang berbeban resistif, sehingga penggambaran rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa berdasarkan rangkaian ekivalen
transformator, dimana stator identik dengan sisi primer transformator dan rotor identik dengan sisi sekunder transformator. Perbedaan mendasar antara keduanya adalah transformator merupakan mesinr listrik statis, dan motor induksi adalah mesin listrik dinamis. Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 2.4.5 Slip Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya hal ini terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar. Maka tidak akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang mengalir pada rotor, dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan rotor sekalipun tanpa beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron disebut slip (S). Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tatapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari kecepatan sinkron. 2.5 Current Transformer (Trafo Arus) Current transformer (CT) atau Trafo Arus adalah peralatan pada sistem tenaga listrik yang berupa trafo yang digunakan untuk pengukuran arus yang besarnya hingga ratusan ampere dan arus yang mengalir pada jaringan tegangan tinggi. Di samping untuk pengukuran arus, trafo arus juga digunakan untuk pengukuran daya dan energi, pengukuran jarak jauh, dan rele proteksi. Kumparan primer trafo dihubungkan seri dengan rangkaian atau jaringan yang akan dikur arusnya sedangkan kumparan sekunder dihubungkan dengan meter atau dengan rele proteksi. 24
Prinsip kerja trafo arus sama dengan trafo daya satu fasa. Bila pada kumparan primer mengalir arus I 1, maka pada kumparan timbul gaya gerak magnet sebesar N 1 I 1. Gaya gerak ini memproduksi fluks pada inti, dan fluks ini membangkitkan gaya gerak listrik pada kumparan sekunder. Bila terminal kumparan sekunder tertutup, maka pada kumparan sekunder mengalir arus I 1. Arus ini menimbulkan gaya gerak magnet N 2 I 2 pada kumparan sekunder. Pada trafo arus biasa dipasang burden pada bagian sekunder yang berfungsi sebagai impedansi beban, sehingga trafo tidak benar-benar short circuit. Apabila trafo adalah trafo ideal, maka berlaku persamaan : N 1 I 1 = N 2 I 2 I 1 /I 2 = N 2 /N 1 di mana, N 1 : Jumlah belitan kumparan primer N 2 : Jumlah belitan kumparan sekunder I 1 : Arus kumparan primer I 2 : Arus kumparan sekunder Dalam pemakaian sehari-hari, trafo arus dibagi menjadi jenis-jenis tertentu berdasarkan syarat-syarat tertentu pula, adapun pembagian jenis trafo arus adalah sebagai berikut : 2.5.1 Jenis Trafo Arus Menurut Jumlah Kumparan Primer a. Jenis Kumparan (Wound) Biasa digunakan untuk pengukuran pada arus rendah, burden yang besar, atau pengukuran yang membutuhkan ketelitian tinggi. Belitan primer tergantung pada arus primer yang akan diukur, biasanya tidak lebih dari 5 belitan. Penambahan belitan primer akan mengurangi faktor thermal dan dinamis arus hubung singkat. b. Jenis Bar (Bar) Konstruksinya mampu menahan arus hubung singkat yang cukup tinggi sehingga memiliki faktor thermis dan dinamis arus hubung singkat yang tinggi.
Keburukannya, ukuran inti yang paling ekonomis diperoleh pada arus pengenal yang cukup tinggi yaitu 1000A. 2.5.2 Jenis Trafo Arus Menurut Jumlah Rasio a. Jenis Rasio Tunggal Rasio tunggal adalah trafo arus dengan satu kumparan primer dan satu kumparan sekunder. b. Jenis Rasio Ganda Rasio ganda diperoleh dengan membagi kumparan primer menjadi beberapa kelompok yang dihubungkan seri atau paralel. 2.5.3 Jenis Trafo Arus Menurut Jumlah Inti a. Inti Tunggal Digunakan apabila sistem membutuhkan salah satu fungsi saja, yaitu untuk pengukuran atau proteksi. b. Inti Ganda Digunakan apabila sistem membutuhkan arus untuk pengukuran dan proteksi sekaligus. 2.5.4 Jenis Trafo Arus Menurut Konstruksi Isolasi a. Isolasi Epoksi-Resin Biasa dipakai hingga tegangan 110KV. Memiliki kekuatan hubung singkat yang cukup tinggi karena semua belitan tertanam pada bahan isolasi. Terdapat 2 jenis, yaitu jenis bushing dan pendukung. b. Isolasi Minyak-Kertas Isolasi minyak kertas ditempatkan pada kerangka porselen. Merupakan trafo arus untuk tegangan tinggi yang digunakan pada gardu induk dengan pemasangan luar. Dibedakan menjadi jenis tangki logam, kerangka isolasi, dan jenis gardu. 26
Kelebihannya, penyulang pada sisi primer lebih pendek, digunakan untuk arus pengenal dan arus hubung singkat yang besar. c. Isolasi Koaksial Jenis trafo arus dengan isolasi koaksial biasa ditemui pada kabel, bushing trafo, atau pada rel daya berisolasi gas SF6. Sering digunakan inti berbentuk cincin dengan belitan sekunder yang dibelit secara seragam pada cincin dan dimasukkan pada isolasi, dengan demikian terbuka jalan untuk membawa lapisan terluar bagian yang di-ground keluar dari trafo arus 2.6 Gangguan - Gangguan Yang Terjadi Terhadap Sistem Proteksi Pada Motor Induksi Tiga Fasa Pada prinsipnya setiap peralatan, baik peralatan mekanis, elektris dan lain sebagainya tidak akan luput dari gangguan. Khusunya pada peralatan eletris, seperti motor-notor listrik, generator, jaringan transmisi distribusi, manusia selalu berusaha mengamankan peralatan tersebut dari gangguan. Ini disebabkan karena peralatan itu sendiri mempunyai harga yang mahal. Makin mahal suatu peralatan, maka pengaman yang dilakukan juga semakin banyak, demi menjaga peralatan tersebut dari kerusakan terutama pada peralatan-peralatan fital penggunaannya. Oleh karena itu selalu dibutuhkan suatu peralatan pengaman yang jauh lebih baik dari yang telah ada. Jalan pemikiran ini juga berhubungan dengan teloah semakin berkembangnya peralatan elektronik yang digunakan pada perelatan elektrik, sehingga pada perbedaan yang timbul antara bidang elektronik dengan bidang listrik yang semakin sempit, bahkan telah berbaur sama sekali. Dibawah ini akan diuraikan beberapa gangguan yang terdapat khusus pada motor induksi tiga phasa, serta dapatlah ditentukan jenis proteksi apa yang digunakan pada motor tersebut sebagai pengaman. Dengan demikian diharapkan motor tidak akan mengalami kerusakan. 2.6.1 Gangguan Beban Lebih Gangguan ini dapat terjadi, disebabkan oleh pembebanan yang berlebihan pda poros motor. Pembebanan yang berlebihan disini, dimaksudkan
adalah pembebanan yang dilakukan pada motor melebihi kemampuannya. Seperti kita ketahui, suatu motor listrk, dalam pembuatannya telah direncanakan sedemikian rupa untuk bekerja pada batas-batas yang telah ditentukan seperti tegangan arus dan dayanya. Besaran-besaran ini dikenal dengan teraan (rating) dari motor. Dengan bekerjanya motor pada beban lebih, berarti motor harus memberikan daya pada beban melebihi dari daya mempunya sendiri. Dan keadaan ini sama dengan semakin besarnya motor menarik arus dari jala-jala / sumber daya listrik, melebihi dari rating arusnya. Rating arus ini sebanding dengan penampang konduktor yang digunakan pada kumparannya. Jadi, bila kapasitas arus yang telah ditentukan pada konduktor dilampaui, maka akan dapat mengakibatkan kerusakan pada kumparan motor. Pada motor-motor kenaikan dari arus ratingnya ini juga dapat menimbulkan panas yang berlebihan pada kumparannya. Ini berhubungan erat dengan daya tahan panas isolasi kumparan. Oleh sebab itu, pada motor-motor besar, disamping pengaman yang dilakukan pada arus lebih, juga dilakukan pada panas yang ditimbulkan. 2.6.2 Gangguan Salah Satu Fasanya Terputus Gangguan seperti ini biasanya jarang terjadi bila perawatan suplaynya dilakkan dengan baik. Namun dalam keadaan cuaca buruk seperti badai, hujan, salju, angin kencang dan sebagainya, kemungkinan timbulnya gangguan akan semakin besar. Sebab keadan cuaca seperti di atas dapat menimbulkan terputusnya salah satu phasa. Akibat salah satu phasanya terputus, arus pada phasa lainnya akan naik menjadi 3 kali. Kenaikan arus ini dapat merusak isolasi kumparan, karena suatu isolasi mempunyai batas arus tertentu. Lewat batas yang ditentukan maka kemungkinan isolasi akan menjadi kontak satu sama lainnya. Bila ini terjadi akan menyebabkan hubungan singkat pada kumparan. 2.6.3 Gangguan Hubungan Singkat Gangguan hubungan singkat disini dimaksudkan adalah terjadi hubungan singkat antara kumparan. Gangguan ini dapat terjadi karena kerusakan isolasi 28
pada kumparan. Seperti yang telah diuraikan diatas akibat salah satu phasanya terputus maka pada phasa yang sehat, terjadi kenaikan arus sebesar 3 kali. Dan ini dapat mengakibatkan tembusnya isolasi sehingga fungsi sebagai konduktor yang akan menghubungkan satu kumparan dengan kumparan lainnya. Hal ini karena isolasi menerima panas yang berlebihan, akibat beban lebih panas ini akan merubah sifat kimia dari isolasi, yang tadi padat berubah menjadi cair. Panas ini juga dapat menimbulkan hubungan singkat pda kumparan. Gangguan hubungan singkat akan menimbulkan arus yang besar pada konduktor kumparan yang dapat merusak kumparan tersebut. Oleh sebab itu pada motor-motor listrik umumnya dan pada motor induksi khususnya, gangguan ini harus dicegah sedemikian rupa sehingga tidak membahayakan atau menimbulkan kerusakan pada motor.