PENGARUH DISTORSI TEGANGAN CATU PADA EFISIENSI MOTOR INDUKSI 1,5 KW Lukman Subekti 1, Ma un Budiyanto 1 Dosen, Program Diploma Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia lukmansubekti@yahoo.com Dosen, Program Diploma Sekolah Vokasi, Universitas Gadjah Mada, Yogyakarta, Indonesia m.budiyanto@ugm.ac.id Abstrak Pengoperasian motor induksi saat ini banyak menggunakan tegangan catu dengan bentuk gelombang sinusoidal terdistorsi. Pengoperasian dalam kondisi tersebut mengakibatkan unjuk kerja motor induksi dapat berubah dari aslinya. Sumber tegangan terdistorsi yang mengandung harmonik dapat menyebabkan rugi-rugi tambahan pada motor. Penelitian ini dilaksanakan untuk menyelidiki pengaruh bentuk gelombang tegangan terdistorsi catu daya pada efisiensi motor induksi. Penelitian ini dilakukan dengan cara mengubah bentuk gelombang terdistorsi pada frekuensi 5 Hz pada catu daya, sementara torsi mekanik motor dipertahankan konstan. Hasil penelitian pada motor induksi 1.5 kw berbeban.5 N-m, memperlihatkan bahwa kenaikan distorsi harmonik total tegangan dari 7,89 % sampai dengan 55,56 % menyebabkan efisiensinya menurun dari 6 % hingga 48 %. Kata kunci : pengaruh, distorsi harmonik total, efisiensi, motor induksi 1. PENDAHULUAN Kecepatan putar motor induksi sangat dipengaruhi oleh frekuensi tegangan sumber. Jika tegangan sumber terdapat harmonik dengan frekuensi yang bermacam-macam tentu saja unjuk kerja motor induksi tidak sesuai dengan yang diharapkan oleh pengguna seperti yang tertulis pada papan nama (name plate). Akibatnya efisiensi motor juga akan berubah tidak sesuai dengan rancangan aslinya. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui efisiensi motor induksi 1,5 kw yang dicatu oleh sumber tegangan dengan berbagai bentuk gelombang sinusoidal terdistorsi. Tinjauan Pustaka Banyak pengoperasian motor induksi yang melibatkan catu tegangan bentuk gelombang sinusoidal terdistorsi [1]. Tegangan sinusoidal tidak murni yang diberikan pada mesin-mesin listrik dapat menyebabkan panas yang berlebihan, dan kebisingan. Rugi daya dalam motor listrik bergantung pada spektrum frekuensi tegangan terpasang []. Arus harmonik dalam motor induksi akan menimbulkan panas tambahan yang akhirnya dalam rangkaian motor tersebut tidak dapat bekerja mencapai beban penuh [3]. Komponen harmonik baik tegangan maupun arus dalam motor induksi menyebabkan kenaikan panas dan timbulnya torsi harmonik pada rotor. Torsi harmonik akan menghasilkan osilasi pada putaran rotor, sehingga menaikkan kebisingan [4]. Pengaruh bentuk gelombang tegangan yang terdistorsi terhadap rugi daya, diamati oleh Klinghsirn dan Jordan (1968) pada motor induksi 16 kw yang dioperasikan pada beban penuh dengan frekuensi 6 Hz. Bila sumber tegangannya berupa gelombang sinusoidal, rugi totalnya adalah 133 W dan bila sumber tegangannya berupa gelombang kotak, maka rugi totalnya menjadi 16 W [5]. Motor induksi berkapasitas kecil (kurang dari 5 HP) lebih banyak dipengaruhi oleh harmonik dari pada motor induksi yang berkapasitas lebih besar [6].
1 Landasan Teori Distorsi bentuk gelombang sinusoidal diukur dengan nilai Total Harmonic Distortion (THD). THD bentuk gelombang tegangan sinusoidal tidak murni (Vthd) adalah perbandingan semua nilai tegangan efektif frekuensi bukan fundamental terhadap nilai efektif tegangan frekuensi fundamental [7]. Rumus (1) berikut adalah dengan anggapan tidak ada komponen arus searah. Vk V thd = k (1) V1 dengan k =, 3, 4, 5, V 1 = nilai efektif gelombang fundamental V k = nilai efektif gelombang harmonik ke-k. Pada penelitian ini, nilai V 1, V, V 3,, V k diperoleh dari hasil pengukuran. Berdasarkan deret Fourier, bentuk tegangan sinusoidal tidak murni diekspresikan dengan persamaan : n V(t) = V 1Sinωt + VkSin( kωt + θk) () k= dengan V(t) = sinusoidal tidak murni V 1 = tegangan fundamental V k = tegangan harmonik orde-k θ k = sudut fase harmonik ω = kecepatan sudut f = frekuensi Tegangan fundamental dan tegangan harmonik orde ke-4, 7, 1, 13,... [3n + 1], untuk n =,1,,, menghasilkan gaya gerak putar (magneto motive force, mmf) dengan arah yang sama dengan putaran rotor, sehingga komponen harmonik tersebut kontribusinya adalah torsi positif. Tegangan harmonik orde ke-, 5, 8, 11,, [3n + ], untuk n =,1,,, menghasilkan mmf yang berputar dengan arah berlawanan dari putaran rotor, sehingga komponen harmonik tersebut kontribusinya adalah torsi negatif. Pada sistem 3 fase, 3 kawat, tegangan harmonik orde ke-3, 6, 9, 1, 15,..., [3n + 3], untuk n =,1,,.., tidak menghasilkan mmf karena bentuk gelombangnya identik bernilai sama dan sudut fasenya juga sama, sehingga komponen harmonik tersebut tidak menimbulkan torsi. Demikian pula untuk komponen harmonik genap arusnya tidak mengalir, sehingga tidak menimbulkan torsi. Motor induksi yang dicatu oleh sumber gelombang tegangan sinusoidal tidak murni dapat dihitung dengan superposisi sebagaimana motor induksi yang disuplai dengan generator AC yang diseri. Hal ini dapat diilustrasikan seperti Gambar 1 untuk contoh salah satu fasenya [8]. Setiap generator AC mewakili sebuah sumber tegangan sebagaimana dirumuskan pada persamaan (). Setiap tegangan tersebut akan menghasilkan arus pada stator dan rotor. V 1 sin ωt V 5 sin5ωt V 7 sin7ωt V w V fase Netral MOTOR INDUKSI V k sinkωt Gambar 1. Ilustrasi motor induksi disuplai tegangan terdistorsi dengan superposisi (tiap fase)
Frekuensi aktual dari arus dalam stator adalah [k. f 1 ], sedangkan di dalam rotor adalah [ k.f1.s k ] dengan f 1 adalah frekuensi fundamental dan sk adalah slip untuk harmonik ke-k. Kecepatan sinkron sebanding dengan frekuensi yang ada [ k.f 1 ], yakni [ k.ns ], Ns adalah kecepatan sinkron medan putaran di stator per menit untuk frekuensi fundamental. Frekuensi f 1 adalah frekuensi fundamental dan s k adalah slip untuk harmonik ke-k. Kecepatan sinkron N s adalah 1.f 1 /p, p adalah jumlah kutub. Sehingga slip untuk harmonik ke-k dapat diperoleh dengan : + Nr sk = (3) Tanda plus digunakan jika pada kenyataannya beberapa harmonik menghasilkan arah yang sama dengan putaran rotor, sementara tanda yang lain menghasilkan arah yang berlawanan dengan arah putaran rotor. Dalam hal ini slip berhubungan dengan nilai fundamental, sehingga putaran rotor Nr dapat diperoleh dengan : Nr = (1 s) Ns (4) Slip pada harmonik ke-k dapat ditulis : + (1 s) Ns k + (1 s) sk = = (5) k Daya keluaran (P output ) motor induksi adalah berupa putaran rotor (N r ) dan torsi (σ) yang merupakan komponen daya mekanik. Putaran pada poros motor umumnya dinyatakan dengan rotasi per menit (rpm), sedangkan torsi dinyatakan dengan Newton-meter (Nm). πn P rσ output = (watt) (6) 6 Daya masukan (P input ) adalah berupa tegangan (V) dan arus (A) serta faktor daya (cos ϕ) yang merupakan komponen daya elektris. Efisiensi (η) dari motor induksi dinyatakan sebagai perbandingan daya keluaran mekanik pada poros rotor terhadap daya masukan elektris pada stator. Poutput η = 1 % (7) P input Bahan atau Materi Penelitian a. Motor induksi 3 fase, 1.5 kw, /38 V, 6.1/3.5 A14 rpm. b. Sumber tegangan dari inverter. c. Universal Power Analyzer PM3A Gambar. Rangkaian Alat dan Bahan Penelitian 3
Langkah Penelitian Universal Power Analyzer disetel sesuai dengan sumber inverter dan dirangkaikan dengan komputer pribadi, kemudian dilanjutkan langkah-langkah sebagai berikut: a) peralatan ukur dikalibrasi terlebih dahulu, b) motor induksi 3 fase dihubungkan dengan inverter, c) potensio PWM diputar, frekuensi dan tegangan inverter dapat diatur, d) voltage boost diatur, distorsi gelombang sinus modulasi dapat divariasikan, tetapi frekuensi modulasi dan torsi keluaran dipertahankan pada nilai konstan.. PEMBAHASAN Hasil penelitian dan pembahasan menjadi valid dengan beberapa asumsi: a) alat ukur terkalibrasi standar, b) torsi keluaran motor dapat dipertahankan konstan, c) distorsi tegangan catu didasarkan pada bentuk gelombang tegangan masukan motor dari fase 1 (channel 1), d) analisis data dilakukan secara linear. 1.5 Distorsi Tegangan (Vthd) 1,57 % Tegangan x 1 Volt 1.5 5 1 15 5 3 35 -.5-1 -1.5 Sudut (derajat) Gambar 3. Distorsi Tegangan 1,57 % dengan Frekuensi 15 Hz. Tampak pada Gambar 3. dengan frekuensi 15 Hz yang berasal dari inverter menghasilkan bentuk gelombang tegangan yang tidak sinusoidal murni, tetapi terdistorsi dengan nilai Total Harmonic Distortion (THD) 1,57 %. Distorsi Tegangan (Vthd) 36,45 % 15 Tegangan (Volt) 1 5 5 1 15 5 3 35-5 -1-15 Sudut (derajat) Gambar 4. Distorsi Tegangan 36,45 % dengan frekuensi 5 Hz Pada Gambar 4 dengan frekuensi 5 Hz terlihat distorsi tegangan meningkat menjadi 36,45 % sehingga makin jauh dari sinusoidal. Pada bentuk gelombang tersebut sebenarnya tersusun atas gelombang fundamental dengan frekuensi 5 Hz dan gelombang-gelombang harmonik ke-, harmonik ke-3 dan seterusnya. Gelombang harmonik- memiliki frekuensi dua kali lipat frekuensi fundamentalnya, demikian pula harmonik-3 memiliki frekuensi tiga kali lipatnya dan seterusnya. 4
4 35 3 5 15 1 5 1 15 5 3 35 4 45 5 Frekuensi (Hz) Gambar 5. Distorsi Tegangan akibat kenaikan frekuensi Ada hubungan antara kenaikan frekuensi dengan tingkat kecacatan tegangan dalam catu daya. Bila hubungan tersebut diasumsikan linear, maka distorsi tegangan memiliki koefisien korelasi positif sebesar,. Karena itu dalam penelitian ini tidak dilakukan dengan cara mengubah-ubah frekuensi untuk mendapatkan perubahan distorsi tegangan. Sebab perubahan frekuensi berbanding lurus dengan putaran motor induksi yang pada akhirnya akan mempengaruhi karakteristik kerja motor. 74 735 73 Putaran (RPM) 75 7 715 71 75 7 4 6 8 1 1 14 16 18 Vboost (%) Gambar 6. Pengaruh Tegangan Penguat (Vboost) terhadap Putaran Motor Pengaruh tegangan penguatan nampaknya tidak signifikan terhadap putaran motor, tetapi dengan pengaturan Vboost diharapkan dapat mempengaruhi distorsi tegangan catu. Hal ini dapat dibuktikan dengan hasil pengamatan seperti pada Gambar 7. 6 5 4 3 1 4 6 8 1 1 14 16 18 Vboost (%) Gambar 7. Pengaruh Tegangan Penguat (Vboost) terhadap Distorsi Tegangan Catu Dari Gambar 7 menunjukkan ada korelasi positif antara tegangan penguat terhadap distorsi tegangan catu, hal ini dapat digunakan sebagai cara untuk mengubah distorsi tegangan catu tanpa mengubah frekuensi. Kelemahan dari cara ini adalah bahwa pengubahan distorsinya hanya dapat diperoleh dengan rentang yang sempit. Demikian pula cara tersebut tidak dapat digunakan untuk menentukan nilai distorsi dengan pasti. 5
.15.1.5 Faktor Daya..195.19.185.18.175 5 15 5 35 45 55 65 Gambar 8. Pengubahan Distorsi Tegangan sebagai Fungsi Faktor Daya Dari kurva Gambar 8 tampak bahwa pengubahan distorsi tegangan dengan frekuensi 5 Hz dan torsi beban,5 Nm, hampir tidak mempengaruhi faktor daya, karena koefisien korelasinya hanya.1. Dengan kata lain dari data tersebut menyatakan bahwa: bila distorsi tegangan catu daya ke motor dinaikkan, maka faktor dayanya akan sedikit menurun. 74 735 73 Putaran (RPM) 75 7 715 71 75 7 5 15 5 35 45 55 Gambar 9. Pengaruh Distorsi Tegangan Catu terhadap Putaran Motor pada Frekuensi 5 Hz dan Torsi Beban,5 Nm. Dengan frekuensi tegangan catu dan torsi beban dipertahankan konstan, maka tampak ada korelasi negatif terhadap putaran motor induksi. Koefisien korelasinya adalah -.186. Artinya bila motor disuplai dari sumber tegangan yang makin terdistorsi, maka putarannya akan menurun. Hal inilah yang kelak akan mempengaruhi daya keluaran (P out put ) motor, karena daya keluaran motor berbanding lurus dengan putarannya. Pada akhirnya bila putaran motor menurun dengan torsi beban tetap, maka berakibat efisiensi motor juga akan menurun. 65 6 Efisiensi (%) 55 5 45 4 5 15 5 35 45 55 Gambar 1. Pengaruh Distorsi Tegangan Catu terhadap Efisiensi Motor pada Frekuensi 5 Hz dan Torsi Beban,5 Nm. 6
Dengan mempertahankan frekuensi tegangan catu dan torsi beban tetap konstan, maka tampak ada korelasi negatif terhadap efisiensi motor induksi. Koefisien korelasinya adalah.171. Maksudnya dengan meningkatnya distorsi tegangan, mengakibatkan efisiensi motor menurun. Pada pengoperasian motor induksi dengan frekuensi 5 Hz dan torsi,5 Nm, kenaikan distorsi tegangan catu dari 7,89 % sampai dengan 55,56 % mengakibatkan efisiensi motor turun dari 6 % sampai dengan 48 %. 3. PENUTUP Kesimpulan 1. Distorsi tegangan tidak signifikan mempengaruhi faktor daya, koefisien korelasinya hanya -,1.. Pada pengoperasian motor induksi dengan frekuensi 5 Hz dan torsi,5 Nm, putaran motor dipengaruhi oleh distorsi tegangan catu dengan koefisien korelasi.186. 3. Bertambahnya distorsi tegangan catu akan mengakibatkan efisiensi motor induksi menurun, koefisien korelasinya adalah -,171. 4. Pada pengoperasian motor induksi dengan frekuensi 5 Hz dan torsi,5 Nm, kenaikan distorsi tegangan catu dari 7,89 % sampai dengan 55,56 % mengakibatkan efisiensi motor turun dari 6 % sampai dengan 48 %. Saran 1. Perlu pemasangan stabilisator tegangan sumber sebelum masuk rangkaian penelitian.. Perlu torsi-meter dan tacho-meter yang dapat terekam langsung, sehingga pengukuran dapat diperoleh secara real time. 4. DAFTAR PUSTAKA [1] Vamvakari, Kandianis, Klades, Manias, and J.Tegopoulus, 1, Analysis of supply Voltage Distortion Effect on Induction Motor Operation, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 16, No. 3, Sept., 9-13. [] Wagner, VE., Balda, J.C., Barnes, T.M., Emanuel, A.E., Ferraro, R.J., Griffith, D.C., Hartman, D.P., Horton, W.F., Jewell, W.T., Mc. Eachern, A., Philleggi, D.J., Reid, W.E., 1993, Effects of Harmonics on Equipment, IEEE Tranactions on Power Delivery, Vol.8, April,. 67-68, New York. [3] Wildi, T., 1997, Electrical Machines, Drives, and Power System, 3 ed., 3-5, Prentice Hall International Editions, New Jersey. [4] Lipo, T. A., Krause, P. C., Jordan, H. E., 1969, Harmonic Torque and Speed Pulsations in a Rectifier-Inverter Induction Motor Drive, IEEE Trans. Power App. and Syst, vol. PAS-88 (5),. 579-587. [5] Arrillaga, 1985, Power System Harmonics, John Wiley & Son Ltd. New Delhi. [6] Sen, P.K., Landa, H. A., 199, Derating of Induction Motor Due to Waveform Distortion, IEEE Trans. on Industry Applications, 6(6). Nov-Dec., 11-117. [7] Hart, D. W., 1997, Introduction To Power Electronics, 1 ed, 38-43, Prentice-Hall International, London. [8] Klingshirn, E.A. and Jordan, 1968, Polyphase Induction Motor Performance and Losses on Non Sinusoidal Voltage Source, IEEE, Trans. Power App. and Syst. PAS-87(3), 64-631. 7