Analisis Tegangan Sags Akibat Pengasutan Motor Induksi Menggunakan Dynamic Voltage Restorer (DVR) Lauhil M. Hayusman 1, Hadi Suyono 2, Taufik Hidayat 3 1,3 Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang 2 Program Pascasarjana Teknik Elektro, Universitas Brawijaya Malang e-mail: lauhil_mhy@elektro.itn.ac.id Abstract The modeling and analysis of Dynamic Voltage Restorer (DVR) for improving the voltage sag due to the motor starting is discussed in this paper. DVR is installed through a transformer in series between the feeder and the sensitive load to compensate the voltage sag during the disturbance. To determine the optimum location of DVR, the load flow analysis is performed. Based on the load flow analysis, the worst voltage bus profile will be determined and as a candidate for the optimum location of DVR. To show the impact of DVR, then dynamic analysis is performed during the ing. The three conditions for ing are: one unit motor of 55 kw, half block system load of 28 unit motor (340 kw); and full blok system of 39 unit motors (544.3 kw). The simulation results show that the voltage sag can be compensated up to 99%, 97% and 94% for the cases one unit, half block and full block unit motors. Keywords Starting motor, voltage sags, dynamic voltage restorer (DVR) I. PENDAHULUAN Tegangan sag adalah penurunan tegangan dengan durasi singkat yang disebabkan oleh gangguan pada sistem dan starting motor kapasitas besar yang sangat berpengaruh terhadap kontinuitas operasioanal industri karena dapat merusak dan menganggu kinerja dari peralatan-peralatan yang sensitif (relay, kontaktor, PLC) terhadap perubahan tegangan [1]. IEEE std 1159-1995 menyatakan bahwa durasi voltage sag berlangsung selama 0,5 cycle sampai 1 menit dengan penurunan frekuensi daya 0,1 sampai 0,9 pu [2]. Pada dunia industri penggunaan motor listrik kapasitas besar sangat diperlukan untuk mendukung proses produksi, tetapi tidak dapat dipungkiri bahwa penggunaan motor listrik berdaya besar tersebut memiliki dampak yang merugikan yaitu pada saat starting akan menarik arus start tegangan penuh sebesar 6 sampai 10 kali arus nominal beban penuh agar dapat memperoleh torsi starting yang cukup untuk mulai berputar [3]. Adanya arus start besar yang secara tiba-tiba ditarik dari sistem tenaga listrik dapat menyebabkan terjadinya voltage sag. Akibat yang merugikan karena terjadinya voltage sag yaitu jatuh tegangan yang berlebihan, yang dapat menghambat akselerasi motor dari kondisi diam ke kecepatan penuhnya dan gagal beropersinya peralatanperalatan lain, seperti rele, kontaktor, peralatan elektronik, PLC, komputer. Penggunaan DVR yaitu sudah terdapatnya kapasitas penyimpan energi dalam DVR dengan biaya perawatan yang rendah bila dibandingkan dengan piranti UPS (Uninterruptible Power Supply) dan SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage), lebih lanjut komponen DVR memiliki ukuran yang lebih kecil bila dibandingkan dengan Distribution Static Compensator (DSTATCOM), disamping DVR digunakan untuk kompensasi voltage sag, DVR juga dapat digunakan untuk perbaikan faktor daya dan meminimalisasi harmonisa [4]. Pemodelan dan analisis custom power controller menggunakan DVR telah dilakukan oleh Acha dan Lara (2002). Hasil simulasi tersebut menunjukan bahwa DVR dapat mengkompensasi voltage sag mencapai 98% dengan durasi 300-600 ms dimana kemampuan DVR untuk mengkompensasikan daya dan regulasi tegangan ditentukan oleh dua faktor, yaitu rating peralatan dc storage dan karakteristik dari coupling transformer [5]. Pada makalah ini akan dilakukan simulasi sistem daya menggunakan Dynamic Voltage Restorer (DVR) yang merupakan bagian dari Flexible AC Transmission System (FACTS) untuk memperbaiki profil tegangan terhadap penurunan tegangan sesaat (voltage sag) yang ditimbulkan oleh masalah starting motor pada industri. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Dynamic voltage restorer (DVR) Secara umum konfigurasi dari rangkaian DVR pada Gambar 1 terdiri dari empat komponen utama yang memiliki fungsinya masing-masing yaitu: injection/coupling transformers, VSC (Voltage Source Converter), filter, penyimpan energi (energy storage) [6]. Gambar 1. Dynamic voltage restorer (DVR). Injection transformer 189
B. Injection/coupling transformers Tiga transformator satu fasa dihubungkan secara seri dengan feeder distribusi yang digandeng (couple) dengan Voltage Source Converter (VSC) untuk level tegangan tinggi distribusi. Fungsi dasar dari injection/coupling transformers adalah sebagai isolasi elektrik serta untuk menaikan suplai tegangan AC yang rendah yang dihasilkan oleh VSC untuk menghasilkan tegangan yang diinginkan [7], [8]. Gambar 2. Model koneksi dari injection/coupling transformers untuk level tegangan tinggi (a). Hubungan star/open; (b). Hubungan delta/open C. Voltage Source Converter (VSC) VSC yang digunakan pada penelitian ini adalah Pulse Width Modulation-Inverter (PWM-inverter), yang terdiri dari komponen switching IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). Fungsi dasar dari inverter adalah untuk mengkonversi tegangan searah yang dihasilkan oleh piranti penyimpan energi (energy storage device) menjadi tegangan arus bolak-balik yang dibutuhkan oleh injection/coupling transformer untuk mengkompensasi tegangan pada saat terjadinya voltage sag [9], seperti yang terlihat pada Gambar 3. VSC Gambar 3. Model VSC pada rangakaian DVR. D. Filter pasif (passive filters) Filter pasif terdiri dari suatu kapasitor yang ditempatkan pada sisi line atau pada sisi inverter dari injection/coupling transformers. Keuntungan dari penempatan filter pada sisi inverter adalah dapat mencegah orde harmonisa tidak mengalir melewati kumparan transformator. Kelemahannya adalah bahwa filter tersebut menimbullkan tegangan drop dan pergeseran fasa (phase shift) pada (komponen fundamental) tegangan injeksi, hal itu dapat mempengaruhi rangkaian kontrol dari DVR [10]. E. Penyimpan energi (energy storage) Fungsi Penyimpan energi yaitu menghasilkan daya aktif untuk mensuplai beban pada saat terjadinya voltage sag. Batteries, lead-acid, flywheel atau SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage) dapat digunakan untuk penyimpan energi (energy storage). C. Prinsip kerja DVR Prinsip kerja DVR adalah menerima dan memproses sinyal error dari sumber, hasilnya kemudian dimasukan ke PWM Inveter tiga fasa pada rangkaian utama dari hasil perhitungan arus referensi yang dihasilkan oleh sinyal error antara tegangan beban dengan tegangan referensi jadi sinyal yang diolah oleh PWM merupakan sinyal referensi yang diperoleh dari hasil perhitungan tersebut. Sinyal referensi ini kemudian dimodulasikan dengan sinyal carrier (triangular wave) yang berupa sinyal gigi gergaji (saw tooth). Sinyal error ini berbentuk sinusoidal yang dimodulasikan dengan sinyal gigi gergaji sebagai sinyal carrier. Output dari PWM di atas digunakan untuk mentrigger rangkaian switching yang terdiri atas 6 IGBT. Tegangan keluaran arus bolakbalik yang dihasilkan oleh PWM-inverter akan dinaikan tegangan oleh injection/coupling transformer untuk mengkompensasi voltage sag yang terjadi pada beban kritis (critical load). III. METODOLOGI PENELITIAN Tahapan yang dilakukan pada penelitian ini mulai dari studi literatur, baik itu jurnal dan pustaka. Identifikasi masalah pada sistem daya mengenai penyebab-penyebab yang dapat menimbulkan terjadinya voltage sag. Pengumpulan data lapangan berupa data sumber, trafo, beban motor dan beban lampu, data saluran, faktor daya (power factor), tegangan pada saluran distribusi dan frekuensi. Melakukan pemodelan dan analisis load flow untuk penentuan letak pemasangan Dynamic Voltage Restorer (DVR). Setelah diketahui letak pemasangan DVR maka dilakukan pemodelan sistem daya dan DVR dengan Power System Computer Aided Design (PSCAD) yang berfungsi untuk mengurangi terjadinya voltage sag sehingga beban-beban sensitif yang digunakan pada industri dapat dilindungi. Analisis voltage sag dilakukan dengan variasi yaitu akibat gangguan hubung singkat dan ing Hasil simulasi berupa tegangan rms (dalam pu), daya dan arus sebelum pemasangan DVR yang akan dibandingkan dengan hasil simulasi sesudah pemasangan DVR, apabila hasil simulasi dengan pemasangan DVR sesuai dengan standar IEEE 1159-1995 maka dapat di lakukan analisis hasil dan menarik kesimpulan. Seting tegangan bus (undervoltage dan overvoltage) untuk load flow study case pada ETAP berdasarkan standar PLN untuk variasi tegangan yang diizinkan yaitu +5% dan - 10%, atau untuk toleransi tegangan naik 399 Volt dan untuk tegangan turunya 342 Volt. Data masukan untuk rangkaian DVR disamping diperoleh dari perhitungan (untuk kapasitas kapasitor), diperoleh juga dari jurnal IEEE yaitu untuk data tegangan dc storage/v dc, line side filter dan injection transformer. IV. HASIL PENGUJIAN DAN SIMULASI Untuk melihat performa tegangan rms sistem dilakukan pengasutan motor induksi dengan kapasitas 55 kw, maka data-data yang digunakan dalam simulasi ini diperoleh dari beberapa analisis yang dilakukan menggunakan software ETAP serta data dari referensi. Dalam simulasi pendahuluan 190
yang dilakukan pada software ETAP, dua kondisi faktor daya diambil sebelum dan sesudah dipasang kapasitor yaitu 0.6 dan 0.7 dengan tangen sudut masing-masing 1.33 dan 1.02. Dari kondisi tersebut diperoleh nilai kapasitor (C dc ) sebesar 0.023 µf [11]. Sedangkan tegangan dc storage (V dc ) sebesar 5kV [5] dengan line side filter (C) sebesar 10 µf, dengan injection/coupling transformer untuk tegangan primer dan sekunder masing-masing 380 volt dan 5 kv. A. Analisis starting motor 55 kw (1 unit motor) selama 0.5 s-1.0 s Dari Gambar 5 terlihat bahwa pada saat dilakukan dilakukan starting 1 unit motor sebesar 55 kw, terjadinya penurunan tegangan menjadi V rms = 0.928295 pu atau sebesar 352 volt. Setelah dilakukan pemasangan DVR tegangan pada sistem naik menjadi V rms = 0.997686 pu atau sebesar 379 Volt. Pada Gambar 7 terlihat bahwa arus yang dihasilkan saat starting 1 unit motor dengan kapasitas 55 kw pada t = 0.5 s naik menjadi 0,8 ka dari arus total sebesar 0.1 ka. Gambar 7. Bentuk gelombang arus untuk starting 1 unit motor 55 kw. B. Analisis starting motor untuk ½ blok 340 kw (28 unit motor) selama 0.5 s -1.0 s Dari Gambar 8 terlihat bahwa pada saat dilakukan dilakukan starting 28 unit motor sebesar 340 kw, terjadinya penurunan tegangan menjadi Vrms = 0.70915 pu atau sebesar 269 volt. Setelah dilakukan pemasangan DVR tegangan pada sistem naik menjadi Vrms = 0.975703 pu atau sebesar 370 Volt. Saat starting 28 unit motor Gambar 5. Bentuk gelombang tegangan sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk starting 1 unit motor 55 kw. Dari Gambar 6 terlihat bahwa pada saat starting 1 unit motor 55 kw, daya aktif dan daya reaktif akan mengalami penurunan menjadi P = 625 kw dan Q = 469 kvar. Setalah pada sistem naik menjadi P = 658 kw dan Q = 490 kvar. Setelah dipasang DVR Gambar 8. Bentuk gelombang tegangan sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk starting 28 unit motor 340 kw. Kondisi sebelum 1 Saat starting 1 unit motor Kondisi sebelum 1 Saat starting 1 unit motor Gambar 6. Bentuk gelombang daya aktif dan reaktif sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk starting 1 unit motor 55 kw. Gambar 9. Bentuk gelombang daya aktif dan reaktif sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk starting 28 unit motor 340 kw. 191
Dari Gambar 9 terlihat bahwa pada saat starting 28 unit motor 340 kw, daya aktif dan daya reaktif akan mengalami penurunan menjadi P = 502 kw dan Q = 305 kvar. Setelah pada sistem naik menjadi menjadi P = 826 kw dan Q = 455 kvar Pada Gambar 10 terlihat bahwa arus yang dihasilkan saat starting motor setengah blok pada t = 0.5 s naik menjadi 4.7 ka dari arus total sebesar 0.695 ka. Kondisi arus saat 28 Gambar 12. Bentuk gelombang arus starting motor full blok (544,3 kw). Pada Gambar 13 dapat dilihat bahwa bentuk gelombang daya aktif dan daya reaktif pada kondisi sebelum starting motor full blok (544.3 kw) yaitu P = 136 kw dan Q = 102 kvar, setelah dilakukan starting motor full blok secara bersamaan selama kurun waktu t = 0.5 s sampai t = 1.0 s daya aktif dan daya reaktif yang dihasilkan menjadi P = 439 kw dan Q = 204 kvar hal ini dikarenakan bahwa semakin besar beban yang digunakan pada saat dilakukan start awal maka arus starting pun akan naik sehingga daya aktif dan reaktif ikut naik pula. Pada t = 1.0 s sampai t = 2.0 s daya aktif yang dihasilkan menjadi P = 680 kw. Setelah yang dihasilkan naik menjadi P = 812 kw dan Q = 448 kvar. Kondisi arus sebelum 28 Gambar 10. Bentuk gelombang arus asut motor setengah blok (340 kw). Kondisi sebelum 39 C. Analisis pengasutan motor untuk full blok 544.3 kw (39 unit motor) 0.5 s - 1.0 Dari Gambar 11 terlihat bahwa pada saat dilakukan dilakukan starting 39 unit motor sebesar 544,3 kw, terjadinya penurunan tegangan menjadi Vrms = 0.630585 pu atau sebesar 239 Volt. Setelah dilakukan pemasangan DVR tegangan pada sistem naik menjadi Vrms = 0.942375 pu atau sebesar V = 358 Volt. Kondisi sebelum 39 Kondisi 39 bersamaan Kondisi 39 g bersamaan Saat starting 39 unit motor Gambar 13. Bentuk gelombang daya aktif dan reaktif sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk starting 39 unit motor 544,3 kw TABEL I PERBANDINGAN TEGANGAN, DAYA AKTIF, DAYA REAKTIF SEBELUM DAN SESUDAH PEMASANGAN DVR SERTA ARUS ASUT YANG DIHASILKAN AKIBAT STARTING MOTOR SELAMA T = 0.5 S 1.0 S Setelah dipasang DVR Gambar 11. Bentuk gelombang tegangan sebelum dan sesudah pemasangan DVR untuk pengasutan 39 unit motor 544,3 kw Pada Gambar 12 terlihat bahwa arus yang dihasilkan saat starting full blok motor pada t = 0.5 s naik menjadi 6.4 ka dari arus total motor sebesar 0.874 ka. Kondisi arus sebelum 39 Kondisi arus saat 39 V. KESIMPULAN Dari hasil simulasi dan analisis yang dilakukan maka dapat disimpulkan bahwa, untuk gangguan yang disebabkan oleh pengasutan motor, antara lain 1 unit motor 55 kw, setengah blok (340 kw), dan full blok (544,3 kw). DVR dapat memperbaiki profil tegangan menjadi 99%, 97%, dan 94% dari tegangan sag yang dihasilkan yaitu 92%, 70% dan 63%. DAFTAR PUSTAKA [1] P. T. Nguyen and T. K. Saha, Dyanamic Voltage Restorer Against Balanced and Unbalanced Voltage Sags: Modelling and Simulation, IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2004. 192
[2] IEEE Recommended Practice for Monitoring Electric Power Quality, IEEE Standart, 1159-1995, 1995. [3] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso and H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, Second Edition, 2004. [4] C. Benachaiba and B. Ferdi, Voltage Quality Improvement using DVR, Electrical Power Quality and Utilisation, Journal Vol 14, No. 1, Bechar University Center, Algeria, 2008. [5] O. Anaya-Lara and E. Acha, Modeling and Analysis of Costum Power System by PSCAD/EMTDC,IEEE Transactions on Power Delivery, Vol. 17, No. 1, 2002. [6] K. R. Padiyar, FACTS Controllers in Power Transmission and Distribution, India, 2007. [7] H. Ezoji, A. Sheikholeslami, M. M Saeednia and M. Tabasi, Simulation of Dynamic Voltage Restorer Using Hysteresis Voltage Control, European Journal of Scientific Research, Vol 27 No 1 pp 152-166, 2009. [8] A. K. Perera, A. Atputharajah, S. Alahakoon and D. Salamonsson, Automated Control technique for a Single Phase Dynamic Voltage Restorer, Colombo, Sri Lanka, 2006. [9] Chi-Jen. Huang and Shyh-Jier. Huang, Design of Dynamic Voltage Restorer With Disturbance-Filtering Enchancement, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 18, No. 5, September, 2003. [10] A. Gosh and G. Ledwich, Power Quality Enhancement Using Custom Power Devices, Kluwer Academic, United States of America, 2002. [11] TS. Hutauruk, Transmisi Daya Listrik, Erlangga, Jakarta, 1996. 193