POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 PENGHEMATAN ENERGI PADA MOTOR INDUKSI 3 FASA NEMA-D MELALUI PERUBAHAN FREKUENSI Yaya Finayani, Muhammad Alhan. Teknik Elektro, Politeknik Pratama Mulia, Surakarta 5749, Indonesia. Teknik Elektro, Politeknik Pratama Mulia, Surakarta 5749, Indonesia ABSTRACT NEMA-D induction motor is an induction motor wi high slip at has a high starting torque and low starting currents, is study simulates e characteristics of model induction motor NEMA-D by changing e operating frequency and calculate e input power wi e change in operating frequency at rated load 0% and % for energy savings. The results show e smaller increase in e frequency of work resulted in a maximum torque while e motor speed is decreased to a decrease in e frequency of 80, 70, 60, Hz ere is an increase of 6 Nm of torque, 86, 7, 60 Nm. Expenses 0% by changing e frequency of 80, 70, 60, Hz at 460V input voltage decrease of input power are 684, 99684, 86684, 73684 W, and load of % decline in e power of 670 W, 05790 W, 840 and 60 W, by changing e working frequency will be obtained on e induction motor to load energy savings of 0% and % gained energy savings and reduction in velocity, respectively 34.6% and 33.4%. Keyword: frequency variable, ree-phase induction motors, NEMA D, energy saving, characteristics. PENDAHULUAN Motor listrik tiga fasa, yang dikenal dengan motor induksi, banyak digunakan di industri untuk mengendalikan kecepatan putaran pada mesin-mesin produksi. Motor induksi ini lebih banyak dipakai dibandingkan motor listrik arus searah, karena motor induksi lebih ekonomis dan handal dalam pengoperasiannya meskipun ditinjau dari aspek pengendaliannya relative kompleks. Motor induksi telah distandardisasi menurut karakteristik torsinya yaitu disain A, B,C, D atau F dari Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 9
POLITEKNOSAINSEDISI KHUSUSS DIES NATALIS Juni 0 NEMA (National Electrical Manufactures Association) (Yaya dkk, 0). Motor induksi merupakan salah satu peralatan listrik yang sangat dibutuhkan dan selalu dijaga agar efisiensi motor induksi selalu baik. Dengan efisiensi yang baik pada motor induksi merupakan salah satu parameter terjadinya penghematan energi (Antonius,..). Penghematan energi pada motor induksi 3 fasa NEMA-D dapat dilakukan dengan melakukan perubahan tegangan kerja (Yaya dkk, 0) semakin rendah tegangan kerja maka diperoleh penghematan energinya semakin besar, terjadi penurunan daya paling besar pada kondisi torsi maksimal pada nilai slip = 70%. Pada percobaan tegangan kerja 380V dengan beban 0%-60% terjadi penurunan kecepatan sebesar 83 ppd sampai 54 ppd, serta mengakibatkan kenaikan efisiensi sebesar 3% sampai 8% dan mendapatkan kenaikan daya keluaran naik mencapai,5kw. Penelitian ini bertujuan untuk melakukan pengamatan terhadap karakteristik motor induksi 3 fasa NEMA-D dengan mengubah frekuensi kerja dengan menggunakan program Matlab, serta melakukan perhitungan daya input akibat perubahan frekuensi kerja pada beberapa kondisi beban untuk melakukan penghematan energi.. BAHAN DAN METODE Bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah Software Matlab 7.04 dan model matematis rangkaian motor induksi 3 fase (Yaya dkk, 0) Metode penelitian meliputi: a. Pemodelan matematis motor induksi 3 fase (Yaya dkk, 0) b. Simulasi model karakteristik motor induksi 3 fase dengan mengubah frekuensi kerja c. Perhitungan daya masukan dengan adanya perubahan frekuensi kerja pada kondisi beban 0% dan %. Model Matematis Motor Induksi 3 fase Rangkaian Motor induksi 3 fasa: Gambar. Rangkaian Motor Induksi 3 Fase Untuk memperoleh model matematis dari motor induksi 3 fase rangkaian Gambar. diubah ke rangkaian pengganti Thevenin adalah: Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 0
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUSS DIES NATALIS Juni 0 gagmbar Gambar. Rangkaian Thevenin Motor Induksi Perhitungan untuk memperoleh model matematis dari motor induksi 3 fase adalah sebagai berikut: j.xm V = x Vphase (R + j(xm X ) T s max max T = ω = = ω sync 3 _sync (R ) R + (X + X 3. V [ R + (R ) + (X + X Persamaan untuk torsi motor: ( R ) s (R Persamaan daya (P): P = T.ω, + (V ) R + ) + (X s dengan T = torsi, ω =( w_sync s. w_sync) ( R + jx ) jxm Z = (R ) + j(xm + X.Rc) ) ) + X ) ] Karakteristik Motor Induksi 3 Fase Pembuatan program dengan Matlab untuk memperoleh model karakteristik motor induksi 3 fase (Yaya dkk, 0) digunakan besaran-besaran pada motor induksi sebagai berikut: r = 0.5; x = 0.75; r =.; x =.; xm=6.8; n_sync= 800; w_sync = 88.4; dengan, r, r = resistansi stator, x, x = reaktasi stator n_sync = kecepatan sikron ( πf / p, p = jumlah kutub ), jumlah kutub diasumsikan 4. w_sync = kecepatan sikron ( πn_sync / 60 ) Model karakteristik motor induksi 3 fase yang akan disimulasikan menggunakan program Matlab pada perubahan frekuensi kerja, 60, 70, 80 Hz. 3. HASIL DAN PEMBAHASAN Untuk membuat simulasi model karakteristik motor induksi 3 fase NEMA D digunakan program Matlab 7.04 dengan list program sebagai berikut: % PROGRAM KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI 3 PHASA NEMA D % DENGAN MENGUBAH FREKUENSI PADA KEADAAN HZ, 60 HZ, 70 HZ DAN 80 HZ % Memplot kurva torsi - slip dari motor induksi NEMA D Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D...
POLITEKNOSAINSEDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 % Memplot kurva torsi - speed dari sebuah motor induksi % Melakukan perubahan frekuensi 60 hz, 70 hz dan 80 hz clc; r = 0.5; % nilai hambatan stator ( ohm) x = 0.75; % nilai reaktansi stator(ohm) r =.; % nilai hambatan rotor dalam ohm( dibuat lebih besar karena type D) x =.; % nilai reaktansi rotor( ohm) xm=6.8;% reaktansi rangkaian pe3nguat v = 460/ sqrt(3);% Tegangan Phase Netral V n_sync = 0; % Kecepatan sinkron (0.f/4)Hz n_sync = 800; % kecepatan sinkron (f= 60 Hz) n_sync = 00; % kecepatan sinkron (f= 70 Hz) n_sync3 = 400; % kecepatan sinkron (f = 80 Hz) w_sync = 57; % Kecepatan sikron (rad/s)(f=hz) w_sync = 88.4 ; % Kecepatan sinkron (f = 60Hz) w_sync = 9.8 ; % Kecepatan sinkron (f = 70Hz) w_sync3 = 5. ; % Kecepatan sinkron (f = 80Hz) %menghitung tegangan Thevenin dan impedansinya v_ = v * ( xm /sqrt( r* + (x + xm)^) ); z_ = ((j*xm)*(r+j*x))/(r+j*(x+xm)); r_ = real (z_); x_ = imag (z_); %menghitung torsi maksimal untuk frekuensi 60hz, 70 hz, 80 hz Tmax= (3*v_^)/(*w_sync*(r_+sqrt(r_^ +(x_+x)^)));% Tmax untuk f = hz Tmax= (3*v_^)/(*w_sync*(r_+sqrt(r_^ +(x_+x)^)));% Tmax untuk f = 60hz Tmax= (3*v_^)/(*w_sync*(r_+sqrt(r_^ +(x_+x)^)));% Tmax untuk f = 70hz Tmax3= (3*v_^)/(*w_sync3*(r_+sqrt(r_^ +(x_+x)^)));% Tmax untuk f = 80hz %Menghitung TORQUE dengan slip bervariasi antara %0 dan dengan nilai slip pertama diatur pada 0.00 %untuk menghindari pembagian dengan nol s = (0::)/; % slip s()= 0.00; % menghindari pembagian dengan nol nm = (-s)*n_sync; % Kecepatan mekanik nm = (-s)*n_sync; nm = (-s)*n_sync; nm3 = (-s)*n_sync3; %menghitung torsi for ii= :5 t_ind(ii)=(3*v_^*(r+0.)/s(ii))/(w_s ync*((r_+(r+0.)/s(ii))^+(x_+x) ^)); t_ind(ii)=(3*v_^*(r+0.)/s(ii))/(w_ sync*((r_+(r+0.)/s(ii))^+(x_+x )^)); t_ind3(ii)=(3*v_^*(r+0.)/s(ii))/(w_ sync*((r_+(r+0.)/s(ii))^+(x_+x )^)); t_ind4(ii)=(3*v_^*(r+0.)/s(ii))/(w_ sync3*((r_+(r+0.)/s(ii))^+(x_+x )^)); end figure;hold on plot (nm,t_ind,'color','r','linewid',.0); plot (nm,t_ind,'color','k','linewid',.0); plot (nm,t_ind3,'color','m','linewid',.0); Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D...
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 KARAKTERISTIK TORQUE-SPEECH DENGAN PERUBAHAN FREKUENSI 300 00 plot Hz 60Hz 70 Hz (nm3,t_ind4,'color','g','linewid',.0); xlabel ('Speech','fontweight','Bold'); ylabel ('Torque','fontweight','Bold'); title ('KARAKTERISTIK TORQUE- SPEECH DENGAN PERUBAHAN FREKUENSI','fontweight','Bold'); grid on; hold off; Hasil program Matlab: Gambar 4. Torsi Maksimal Kenaikan torsi maksimal dari perubahan frekuensi 80, 70, 60, Hz sebesar 6, 86, 7, 60 Nm, semakin kecil frekuensi kerja torsi yang dihasilkan semakin besar. Sedangkan perhitungan daya input pada kondisi beban 0% dan % dengan perubahan frekuensi sebagai berikut: BEBAN = 0% Torque Torque 00 80 Hz 0 0 0 000 0 000 0 Speech 300 00 00 Gambar 3. Karakteristik Torque-Speech Gambar 3 memperlihatkan dengan frekuensi kerja 80, 70, 60, Hz terjadi kenaikan torsi maksimal pada nilai yang diperlihatkan Gambar 4 di bawah ini: NILAI TORSI MAKSIMAL DENGAN PERUBAHAN FREKUENSI Tmax = 7 Nm (60 Hz) Tmax = 86 Nm (70 Hz) Tmax = 6 Nm (80 Hz) Tmax = 60 Nm ( Hz) 0 0 0 000 0 000 0 Speech Torque PERHITUNGAN DAYA INPUT BEBAN = 0% PERUBAHAN FREKUENSI (NEMA D) 300 0 w4 w 3 w w 0 0 7 000 0 7 000 0 Speech Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 3 75 5 00 75 5 00 75 5 T = 5 Nm Tmax = 60 Nm Hz Pin4 60 Hz 70 Hz Pin3 Pin beban 00% 80 Hz beban 0% Pin Gambar 5. Perhitungan Daya Input Beban 0% Dari Gambar 5 perhitungan daya input pada beban 0% sebagai berikut: Tabel. Perhitungan Daya Input Frekuensi Kecepatan Torsi Daya Input 80 Hz 67 ppd 5 Nm 684 W 70 Hz 97 ppd 5 Nm 99684 W 60 Hz 667 ppd 5 Nm 86684 W Hz 477 pp 5 Nm 73684 W
POLITEKNOSAINSEDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 Tabel. Menunjukan perhitungan daya masukan terhadap perubahan frekuensi pada nilai torsi konstan 5 Nm dan tegangan masukan konstan 460 V, diperoleh penurunan daya input sebesar 684, 99684, 86684, 73684 W sedangkan terjadi penurunan kecepatan. Selanjutnya akan dianalisis pengamatan saat beban 55 %, dilakukan pengamatan pada beban ini salah satu kurva berada pada titik torsi maksimalnya sehingga dapat diamati penghematan energi pada saat torsi maksimal. Beban = %, diperoleh perhitungan daya masukan diperlihatkan Tabel dan Gambar 6 di bawah ini: Tabel. Perhitungan Daya Input Beban = %. Frekuensi Kecepatan Torsi Daya Input 80 Hz 667 ppd 30 Nm 670 W 70 Hz 583 ppd 30 Nm 05790 W 60 Hz 47 ppd 30 Nm 840 W Hz ppd 30 Nm 60 W Torque PERHITUNGAN DAYA INPUT BEBAN =% PERUBAHAN FREKUENSI (NEMA D) 300 75 5 00 75 5 00 75 5 Tmax = 60 Nm T = 30 Nm Hz Pin4 60 Hz 70 Hz Pin3 Pin Pin beban 00% beban % 80 Hz 0 w4 w 3 w w 0 0 7 000 0 7 000 0 Speech Gambar 6. Perhitungan Daya Input Beban % Dari Tabel dan Tabel dibuat grafik hubungan perubahan frekuensi dengan daya input: Program Matlab %PROGRAM PEMBUATAN GRAFIK HUBUNGAN DAYA INPUT DENGAN PERUBAHAN FREKUENSI % PADA KONDISI BEBERAPA NILAI BEBAN 0% DAN % f = [80 70 60 ]; % perubahan frekuensi pin = [684 99684 86684 73684 ];% daya input akibat perubahan frekuensi, beban 0% f = [80 70 60 ]; % perubahan frekuensi pin = [670 05790 840 60];% daya input akibat perubahan frekuensi, beban % figure;hold on plot (f,pin,'m-o'); plot (f,pin,'g-o'); set(gca,'xdir','reverse'); title ('Grafik Daya Input - Frekuensi'); xlabel('frekuensi (Hz)');ylabel('Daya Input (Watt) '); legend('beban 0%', 'Beban %'); grid on hold off Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 4
POLITEKNOSAINS EDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 Daya Input (Watt). x 05 Grafik Daya Input - Frekuensi.8.6.4. 0.8 Hasil program: 0.6 80 75 70 Beban % Beban 0% 65 Frekuensi (Hz) Gambar 7. Grafik Daya Input - Frekuensi Gambar 7 memperlihatkan pada beban 0% dan % terjadi penurun daya input akibat penurunan frekuensi kerja pada tegangan input konstan sebesar 460 V. 4. KESIMPULAN Hasil penelitian diperoleh kesimpulan sebagai berikut;. Semakin kecil frekuensi kerja mengakibatkan kenaikan torsi maksimal sedangkan kecepatan motor menurun yaitu pada penurunan frekuensi 80, 70, 60, Hz terjadi kenaikan torsi sebesar 6, 86, 7, 60 Nm. Beban 0% dengan perubahan frekuensi 80, 70, 60, Hz pada tegangan input 460V terjadi penurunan daya input sebesar 684 W, 99684 W, 86684 W, 73684 W sedangkan 60 55 kecepatan turun sebesar 67, 97, 667, 45 ppd. 3. Beban % terjadi penurunan daya sebesar 670 W, 05790 W, 840 W dan 60 W, sedangkan kecepatan menurun sebesar 667, 583, 47, ppd. 4. Penghematan energy sebesar 34,6% terjadi pada beban 0%, sedangkan untuk beban % terjadi penghematan energy sebesar 33,4%. 5. Penurunan kecepatan sebesar 34,6% pada beban 0%, untuk beban % terjadi penurunan kecepatan 33,4%. 6. Penghematan energy berbanding lurus dengan penurunan kecepatan. DAFTAR PUSTAKA Finayani Y., Alhan M., Analisis Karakteristik Motor Induksi 3 Fase NEMA D Untuk melakukan Penghematan Energi, 0, Politeknosains, ISSN:89-68, Volume X Nomor Maret 0, Hal 08-0. Sutopo,B.,99, Enery Saving Algorim on Thyristor Controlled Induction Motor,M.Phill Thesis, University of Sussex, Brighton. Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 5
POLITEKNOSAINSEDISI KHUSUS DIES NATALIS Juni 0 Sutopo,B.,Wijaya.D.,Supari.,:00 0, Algoritma Penghematan Energi pada Motor Induksi yang dikendalikan oleh Sistem Mikrokontroler 68HC dengan Menggunakan Pendekatan linier, Teknik Elektro UGM Yogyakarta. Sutopo,B.,Wijaya.D.,Supari.,:00 0, Perbaikan Faktor Daya Motor Induksi 3 Fase menggunakan Mikrokontroler 68HC, Teknik Elektro UGM Yogyakarta. Unswork,P.J, 988, Controller for Induction Motors, United States Patent, Patent No.4,767,975. Vicent del Toro, 97, Principles of Electrical Engineering (Hal: 9) Penghematan Energi Pada Motor Induksi 3 Fasa NEMA-D... 6