Analisis Perbandingan Besarnya Arus Start Motor Induksi Berkapasitas Besar Terhadap Jatuh Tegangan Bus Aztrid Nurmalitawati 1 dan Amien Rahardjo 2 1,2 Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI, Depok, 16424, Indonesia Email: aztridchaidir@gmail.com Abstrak Motor listrik adalah motor yang mengkonversikan energi listrik menjadi energi mekanik. Motor listrik yang banyak digunakan pada dunia industri adalah motor induksi. Hal ini disebabkan karena motor induksi memiliki berbagai keunggulan dibandingkan motor listrik lainnya, yaitu karena harganya relatif murah, kontruksinya sederhana dan kuat. Namun yang menjadi permasalahan pada motor induksi adalah ketika starting, motor induksi ini menarik arus yang cukup besar. Penyebab arus starting yang besar ini adalah nilai total impedansi yang kecil dan Locked Rotor Current nya (LRC%) yang besar. Metode starting motor induksi yang sering digunakan adalah DOL (Direct On Line). Namun metode DOL akan mengakibatkan arus starting naik 4 kali dari arus running. Oleh karena itu dibutuhkan metode start untuk mengatasi masalah tersebut. Metode start digunakan sesuai dengan kebutuhan yang akan digunakan saat operasi. Metode start selain DOL yaitu VFD dan Soft Starter. Kata kunci: motor listrik, motor induksi, arus starting, metode starting Comparative Analysis of Starting Current Quantity of Large Induction Motor Capacity against Bus Drop Voltage Abstract Electric motor is a motor that convert electrical energy into mechanical energy. The type of electric motor that commonly used in industrial plant is induction motor type. This is because of induction motor has various advantages over the other electric motors, which are relatively inexpensive, simple construction and powerful. However, the problem is laid in the high starting current. This high starting current exist due to the small value of total impedance and the large value of Locked Rotor Current (LRC %). Commonly, Induction motor used DOL (Direct On Line) method to energized them. In other hand, this DOL method result the increasing of starting current, it is possibly reach 4 times of their running current. Therefore, we need another starting method to overcome these problems, which are VFD and Soft Starter method. These method are used depend on the condition during motor operation. Keywords: Electric Motor, Induction Motor, Starting Currents, Methods of starting 1
1. Pendahuluan Motor induksi merupakan motor yang paling banyak digunakan dalam berbagai aplikasi Aplikasi penggunaan motor induksi dapat kita lihat pada fasilitas pengembangan gas di Sulawesi. Pada fasilitas pengembangan gas ini banyak terdapat beban motor induksi. Motor induksi yang dimiliki besar kapasitasnya berbeda-beda. Nilai kapasitas yang berbeda-beda ini dikarenakan jumlah kebutuhan yang dibutuhkan untuk beroperasinya pembangkit tersebut. Oleh karena itu, berdasarkan nilai kapasitas motor yang dimiliki maka akan mempunyai nilai arus starting yang berbeda-beda juga. Semakin besar nilai kapasitas motor induksi, maka akan semakin besar juga nilai arus starting. Nilai arus starting motor selain dipengaruhi oleh besar kapasitas daya motor, juga dipengaruhi oleh FLA. FLA adalah Full Load Ampere. Ketika motor induksi dilakukan starting saat melakukan operasi penyalaannya, maka nilai arus starting akan melebihi nilai Full Load Ampere yang dimiliki oleh motor tersebut. Permasalahan start sebuah motor pada umumnya berkisar arus awal yang besar. Pada saat starting, motor induksi akan mengalami lonjakan arus yang cukup tinggi. Arus awal yang tinggi ini adalah empat sampai tujuh kali arus nominal, dan untuk motor yang berkapasitas besar, hal ini tidak dapat diizinkan, karena mengganggu jaringan dan dapat merusak motor tersebut. Oleh karena itu fenomena starting motor merupakan salah satu yang harus kita perhatikan dalam pengoperasian peralatan listrik, karena dapat menimbulkan beberapa kerugian yang fatal dalam sistem tenaga listrik. Sistem tenaga listrik pada FPG ini memiliki empat buah GTG (Gas Turbine Genergator) dengan kapasitas masing-masing GTG yaitu 4600 kw, 3 fase dan frekuensi 50 Hz dengan tegangan nominal yang dimiliki yaitu 6.6 kv. Gas Turbine Generator ini langsung terhubung ke busbar generator 6.6 kv (di substation) tanpa menggunakan transformator stepup. Oleh karena itu, daya listrik yang digunakan untuk pengoperasian plant di suplai dari unit generator turbin gas dan di distribusikan melalui bus generator 6.6 kv yang pertama/ main bus. Pada bus 6.6 kv switchgear B1 terdapat 2 motor besar yaitu gas booster compressor dan motor air compressor. Motor gas booster compressor ini memiliki kapasitas daya 2567 kw dan motor air compressor memiliki kapasitas daya 750 kw. Oleh karena itu yang akan dilakukan studi motor starting adalah 2 motor tersebut dengan menggunakan perangkat lunak ETAP. 2
Tujuan penulisan ini yaitu: 1. Melakukan simulasi menggunakan perangkat lunak ETAP dengan analysis Motor Starting. 2. Melakukkan perbandingan metode start DOL, Soft Start dan VFD 3. Menganalisis motor starting hasil simulasi ETAP. Dalam simulasi analisa motor starting ini dengan 4 studi kasus yang dilakukan yaitu: 1. Metode start DOL pada motor air compressor 2. Metode start dengan Soft Start pada motor air compressor 3. Metode start DOL pada motor gas booster compressor 4. Metode start VFD pada motor gas booster Compressor 2. Teori Motor Starting Starting Motor Induksi Ketika motor induksi dilakukan start akan mearik arus yang tinggi yang disebut Loked Rotor Current (LRC) dan motor induksi akan menghasilkan torsi yang biasa disebut Loked Rotor Torque. Arus start yang tinggi juga diakibatkan dari nilai impedansi yang kecil saat di start. Oleh karena itu ketika di start arusnya akan naik 4 kali sampai 7 kali arus nominalnya. Hal ini dapat berdampak buruk bagi sistem kelistrikannya, karena dapat mengakibatkan gangguan penurunan nilai tegangan pada bus-bus disekitar motor yang dilakukan start. Gangguan penurunan pada kualitas daya ini disebut sag. Jika penurunan tegangan yang terjadi cukup besar makan akan berakibat buruk pada sistem tersebut yaitu motor akan berhenti berputar karena kekurangan suplai tegangan, penurunan usia peralatan listrik sehingga merusak peralatan tersebut. Untuk penyalaan motor induksi khususnya yang berkapasitas besar perlu dilakukan studi terlebih dahulu, agar dapat melihat dampak yang akan terjadi saat motor tersebut di start. Start motor induksi berdasarkan standar IEEE 399-1997 yaitu: 1. Masalah yang terlihat Studi motor starting harus dilakukan jika power motor melebihi 30% dari sulpai transformator akan tetapi jika suplai tidak ada pembangkitan lain yang terlibat, suplai dipertimbangkan apabila power motor melebihi 10-15% dari rating generator. 2. Penurunan Tegangan Ketika starting motor dilakukan, tingkat tegangan pada terminal motor harus dipertahankan sekitar 80% dari tegangannya atau sesuai dengan National Manufacturers Assosoation (NEMA) design B 3
Arus starting yang besar akan menimbulkan jatuh tegangan pada sistem kelistrikan dan peralatan listrik yang ada disekitarnya. Sehingga akan menurunkan nilai tegangan pada bus sistem tersebut. Oleh karena itu, pihak divisi elektrikal atau para engineer electrical harus melakukan pendataan terhadap motor induksi tiga fasa dengan kapasitas besar yang akan dioperasikan. Hal-hal yang perlu diperhatikan atau dilakukan pendataan dari motor induksi dengan kapasitas besar sebelum dioperasikan yaitu: 1. Besar Locked Rotor Current yang dimiliki motor tersebut. Semakin besar LRC maka arus pengasutan akan semakin besar. 2. Letak motor tersebut berada pada bus dengan nilai tegangan yang sesuai. 3. Jika arus pengasutan bernilai tinggi dan menyebabkan nilai jatuh tegangan yang tidak diizinkan, maka motor tersebut tidak boleh menggunakan metode DOL. Motor tersebut harus menggunakan metode start yang lain yaitu soft start, VFD dan lain-lain. A. Metode Start Dengan DOL Parameter ketika motor induksi dalam keadaan normal operasi dan starting dapat diperhitungkan dari rangkaian equivalent circuit. Secara umum dapat memperhitungkan Z motor, arus stator I 1, arus rotor I 2 dan electromagnetic torque T em. Gambar 2.1 Equivalent circuit of Induction motors 4
Dimana, R 1 dan X 1 = Resistan dan reaktansi dari stator R 2 dan X 2 = Resistan dan reaktansi dari rotor yang mengarah ke stator X m Z motor V 1 I 1 I 2 T em f 1 S 1 = Reaktansi magnet = Impedansi motor = Tegangan terminal motor per fasa = Arus stator = Arus rotor yang mengarah ke sisi stator = Electromagnetic torque = Frekuensi starting = Slip p = Jumlah kutub pada motor 5
B. Metode Start Dengan Soft Starter Penggunaan komponen elektronika daya dalam dunia teknik listrik semakin banyak digunakan, karena memberi banyak keuntungan. Komponen elektronika daya yang digunakan dapat berupa diode, thyristor dan lain-lain. Oleh karena itu penggunaan soft start dengan menggunakan aplikasi thyristor. Soft starter dipergunakan dengan cara mengatur dan memperhalus start dari elektrik motor. Soft start dapat mengatur tegangan,arus, dan torsi. Prisip kerja soft start pada umumnya adalah dengan mengatur tegangan yang masuk ke motor. Pertama-tama motor diberikan tegangan yang rendah sehingga arus dan torsipun juga rendah. Pada level ini motor hanya bergerak secara bertahap dan tidak menimbulkan lonjakan arus. Kemudian tegangan akan dinaikan secara bertahap sampai ke nominal tegangannya dan motor akan berputar dengan dengan kondisi kecepatan yang normal. Setelah digunakaan saat start maka soft start tidak digunakan lagi. Oleh karena itu soft start hanya berfungsi pada saat motor di start. C. Metode Start Dengan VFD Variable frequency drives mengatur ketika motor start dan saat beroperasi dengan tegangan yang konstan per frekuensinya Oleh karena itu tegangan dan frekuensi yang digunakan pada terminal motor bervariasi dengan ratio yang konstan. Pada equivalent circuit dari motor induksi, resistansi R 1 dan R 2 dianggap konstan akan tetapi untuk X 1, X 2, dan X m adalah fungsi dari frekuensi yaitu, 6
Dimana, F sys = Frekuensi sistem (50Hz/60Hz) f 1 = Frekuensi starting VFD V 1 = Tegangan per fasa pada terminal motor L 1 = Induktansi stator L 2 = Induktansi rotor L m = Induktansi magnet f 1 = Frekuensi pada terminal motor 3. Metode Penelitian Pada pembuatan tugas akhir ini penulis melakukan simulasi dan penelitian tentang arus starting tinggi pada motor berkapasitas besar di fasilitas pengembangan gas dan perencanaan metode start yang akan digunakan berdasarkan fungsi dari motor besar tersebut. Metode starting yang akan disimulasikan yaitu metode Direct On Line. Namun apabila penggunaan metode Direct On Line tidak bisa mengatasi masalah lonjakan arus yang tinggi saat starting maka perlu dilakukan dengan metode start yang lain yaitu VFD dan Soft start. Tahapan tahapan yang akan dilakukan dalam simulasi untuk motor starting yaitu, 1. Membuat one line diagram sistem kelistrikan fasilitas pengembangan gas dengan menggunakan perangkat lunak ETAP. 2. Memasukkan parameter-parameter data yang akan di masukkan ke dalam one line diagram fasilitas pengembangan gas. Parameter-parameter yang dibutuhkan yaitu besar kapasitas motor, arus nominal, tegangan, LRC, torsi, inertia, kurva motor, kurva beban. 7
3. Mengatur perangkat motor yang akan di starting pada simulasi ETAP dan mengatur waktu lamanya durasi starting. Start awal menggunakan metode hubung langsung yaitu direct on line, dengan langsung dihubungkan pada jala-jala. 4. Melakukan perhitungan arus starting yang terjadi pada motor yang di start dengan ETAP. Hal ini bertujuan untuk melihat besar arus starting yang terjadi saat dilakukan start. 5. Melakukan perhitungan besar nilai jatuh tegangan yang terjadi, untuk menganalisa motor tersebut gagal untuk start atau tidak, serta untuk melihat seberapa besar nilai jatuh tegangan pada bus lainnya. 6. Jika besar jatuh tegangan pada terminal motor melebihi 20 % pada terminal motor yang di start, maka perlu di studi lebih lanjut dengan metode starting yang lain yaitu soft start dan VFD. 7. Melakukan analisa dari hasil simulasi yang telah dilakukan dengan memperhatikan besar nilai jatuh tegangannya. Tahapan tersebut dapat digambarkan dalam algoritma sebagai berikut, Gambar 3.1 Algoritma metodologi penelitian dalam tugas akhir 8
4. Hasil Penelitian Pada simulasi studi motor starting air compressor dan motor gas booster compressor diperoleh data berupa tabel alarm. Berikut ini adalah hasil simulasi tersebut, A. Studi Motor Starting Air Compressor Studi motor air compressor ada dua yaitu, 1. Hasil Simulasi Dengan DOL 2. Hasil Simulasi Dengan Soft Start 9
B. Studi Motor Starting Gas Booster Compressor Studi motor gas booster compressor ada dua yaitu, 1. Hasil Simulai Dengan DOL 10
2. Hasil Simulasi Dengan VFD 11
5. Pembahasan A. Analisis Studi Motor Starting Air Compressor 1. Hasil Simulasi Dengan DOL Pada gambar kurva arus terhadap waktu diatas dapat kita lihat saat dicatu statornya, arusnya melonjak 4x dari arus normalnya yaitu 320.6 A. Kemudian secara bertahap mulai turun dan mulai stabil pada detik ke 0.3 dengan arusnya menjadi 76.1 A. Hal ini terjadi karena, sesuai dengan teori pada kurva karakteristik starting dengan metode Direct On Line (DOL). Ketika statornya dicatu maka arus startnya akan tinggi. Hal ini disebabkan karena saat starting impedansi totalnya kecil. Sementara arus berbanding terbalik terhadap impedansi. Maka pada motor air compressor tersebut arus starting akan naik 4x dari arus normalnya. Pada gambar kurva tegangan motor terhadap waktu diatas dapat kita lihat saat starting tegangannyaa mengalami penurunan sebesar 8.32 %. Hal ini masih bisa ditoleransi, karena batasan maksimum nilai jatuh tegangan pada motor yang di start yaitu 20 %. Oleh karena itu motor air compressor dengan metode hubung langsung atau direct on line masih bisa 12
dilakukan starting, akan tetapi mempengaruhi besar penurunan tegangan pada switchgear E dan H. Sehingga perlu digunakan metode start yang lain yang dapat memperbaiki jatuh tegangan yang terjadi. 2. Hasil Simulasi Dengan Soft Sart Pada gambar kurva diatas dapat dilihat arus starting nya berbeda dengan DOL. Arus starting menggunakan Soft Start menjadi lebih kecil. Ketika starting arus startingnya menjadi 272.9 A sehingga dapat kita lihat penurunan lonjakan arus jika dibandingkan dengan DOL. Kemudian arus starting yang tinggi ini secara bertahap turun menjadi 76.8 A pada waktu 0.44 detik. Sehingga nilai jatuh tegangan pada bus yang lain juga semakin berkurang, hal ini terlihat pada alarm critical sudah tidak ada. Walaupun masih terdapat penurunan nilai tegangan pada LV bus kurang dari 10 % hal ini masih ditoleransikan. Pada gambar kurva tegangan terhadap waktu diatas, kita dapat melihat saat starting tegangan motor turun 20%. Hal ini masih bisa ditoleransi karena masih dalam batasannya. Kemudian setelah turun secara bertahap kembali stabil pada detik ke 0.29. Sehingga setelah melakukan 2 studi tersebut dapat kita simpulkan bahwa metode soft start terbukti mengurangi arus pada saat starting dan mengurangi besar tegangan yang jatuh pada bus lainnya. 13
B. Analisis Studi Motor Starting Gas Booster Compressor 1. Hasil Simulasi Dengan DOL Pada gambar diatas adalah hasil simulasi arus startnya yaitu naik 4x dari arus nominalnya dengan nilai arus ketika start yaitu 1100.7 A sedangkan FLA normalnya 243.7 A. Arus ketika start mengakibatkan dampak yang buruk bagi sistem kelistrikan fasilitas pengembangan gas sehingga mengakibatkan nilai jatuh tegangan yang melebihi batasannya. Hal ini jika dilakukan akan berdampak buruk juga terhadap kondisi peralatan listrik pada fasilitas pengembangan gas yang mengakibatkan peralatan akan rusak selain itu mengakibatkan usia peralatan menjadi menurun. Pada gambar diatas adalah hasil simulasi DOL pada tegangan motor yang turun 27,29 %. Sehingga dari penurunan tegangan yang kita lihat pada motor gas booster compressor dapat kita simpulkan bahwa motor ini dapat di start akan tetapi akan menyebabkan kerugian yang fatal pada sistem kelistrikan FPG. Kerugian yang fatal ini dapat dilihat pada generatornya mengalami over rating, nilai jatuh tegangan pada motor dan bus disekitarnya sangat besar. Oleh karena itu starting menggunakan DOL pada motor gas booster compressor tidak diperbolehkan karena akan berdampak buruk pada peralatan disekitarnya. Tidak dijinkan starting dengan DOL ini dikarenakan besar tegangan jatuh pada sistem bus disekitarnya sebesar 20% hingga 29 %. Hal ini bisa menyebabkan motor yang lain berhenti berputar karena kekurangan suplai tegangannya. 14
2. Hasil Simulasi Dengan VFD Pada gambar kurva 4.11 tegangan motor yang di start dijaga agar tetap konstan, begitu juga dengan frekuensi motor dijaga agar konstan selalu sehingga hasil percobaan simulasi ini sudah menggambarkan pada teori VFD yaitu, Oleh karena itu VFD sangat bermanfaat untuk motor yang membutuhkan pengaturan kecepatan, tegangan dan frekuensi saat beroperasi. 15
6. Kesimpulan 1. Motor induksi tiga fasa, arus startingnya sangat dipengaruhi oleh besar kapasitas daya yang dimiliki motor tersebut. Semakin besar kapasitasnya maka arus startingnya juga semakin besar. 2. Menggunakan metode DOL akan terjadi arus starting yang tinggi. Arus starting menggunakan DOL akan naik 4x dari arus normalnya. 3. Batasan jatuh tegangan pada tegangan motor yaitu maksimal 20 % sedangkan batasan jatuh tegangan pada bus lainnya yaitu maksimal 10 % 4. Penggunaan VFD dan Soft Start digunakan berdasarkan aplikasi motor tersebut dalam keadaan dilapangannya. VFD digunakan apabila motor tersebut membutuhkan kecepatan yang stabil dan dioperasikan secara continuous. Sedangkan soft start digunakan apabila motor tersebut hanya membutuhkan pengurangan arus saat start. 7. Daftar Pustaka 1. Chapman, Stephen J. 1999. Electric Machinery Fundamentals, 3rd ed., McGraw- Hill, Burr Ridge, III. 2. Liang, Xiaodong. Laughy, Ryan and Liu, Joe. 2007. Investigation of Induction Motors Starting and Operation with Variable Frequency. IEEE. 3. IEEE Std 399-1997 4. Kadir, Abdul. 1986. Mesin Takserempak. Djambatan : Jakarta 16