4 dentifikai Dampak Gangguan Harmonia dan Ketidak Seimbangan Magnitude Tegangan Serta Sudut Phaa Pada Performa Motor nduki Purwoharjono Staf Pengajar, Juruan Teknik Elektro, Fakulta Teknik Univerita Tanjungpura Pontianak e-mail: purwoharjono@gmail.com Abtract The quality of upply ytem i found to be very effective in deteriorating the performance of three phae induction motor, a cla of electrical machine which i widely ued in indutrial power ytem. Thi paper preent an attempt to identify the impact of harmonic and unbalance on induction motor performance. The preence of voltage magnitude and/or phae angle unbalance in the upply ytem i conidered a well a harmonic ditortion. Computer imulation of a VFD fed induction motor under different quality condition of upply ytem are implemented uing Powerim (PSM). Six cenario of harmonic contained upply ytem are teted, i.e. cenario : balanced voltage magnitude, balanced phae angle and balanced tranformer; cenario : balanced voltage magnitude, balanced phae angle and unbalanced tranformer; cenario 3 : unbalanced voltage magnitude, balanced phae angle and balanced tranformer; cenario 4 : unbalanced voltage magnitude, balanced phae angle and unbalanced tranformer; cenario 5 : balanced voltage magnitude, unbalanced phae angle and balanced tranformer, and cenario 6 : balanced voltage magnitude, unbalanced phae angle and unbalanced tranformer. The tet reult indicate that the quality of upply ytem ha ignificant impact on the peed and mechanical torque of three phae induction motor operating with harmonic contained and unbalanced upply ytem. Keyword harmonic, unbalance, voltage magnitude, phae angle, induction motor.. Pendahuluan Maalah kualita daya litrik pada item kelitrikan indutri merupakan hal yang penting untuk diketahui. Sebab pada ebuah indutri, maalah kualita daya litrik ini memegang peranan penting dalam menentukan keberadaan indutri. Motor litrik merupakan tenaga penggerak yang mengubah energi litrik menjadi energi mekanik dan ering kali digunakan oleh indutri dalam mendukung kelancaran kegiatan produki. Motor litrik yang ering digunakan oleh indutri diantaranya adalah motor induki, karena motor induki lebih ekonomi dan handal dalam pengoperaiannya mekipun ditinjau dari apek pengendaliannya relatif lebih komplek. Diamping itu, pemeliharaan motor induki juga relatif lebih mudah. [], [4]. ndutri memerlukan daya litrik yang kontinu, bear dan dalam proe produkinya, indutri banyak menggunakan peralatan-peralatan elektronik yang enitif terhadap gangguan yang ada. Sehingga dalam mendukung kegiatan dalam proe produki indutri terebut memerlukan uplay daya litrik yang bear dan kualita daya litrik yang baik untuk mengoperaikan emua peralatan yang ada [], []. Dalam pemakaiannya, motor haru mendapatkan tegangan yang kontan atau eimbang, bila tegangan litrik tidak eimbang, maka akan menimbulkan dampak merugikan terhadap berbagai peralatan kelitrikan, alah atunya yaitu motor induki. [], []. Maalah ketidakeimbangan tegangan merupakan maalah yang ering terjadi pada indutri. Seringkali hal ini terjadi diebabkan oleh pembagian beban atu faa yang tak eimbang. Adanya ketidakeimbangan tegangan ini menyebabkan berbagai permaalahan, diantaranya pada indutri dapat menyebabkan overheating pada motor induki yang menyebabkan itim pengaman bekerja berakibat pada kerugian produki.[5], [6], [7]. Diamping itu maalah yang ering muncul pada indutri adalah maalah harmonia. Harmonia adalah pembentukan gelombang non-inuoidal dengan frekueni yang merupakan perkalian bilangan bulat dari frekueni daarnya. Gelombang harmonia kemudian menumpang pada gelombang inuoidal murni ehingga terbentuk gelombang cacat [5], [6], [7]. Dalam riet ini akan dilakukan uatu invetigai atau pengamatan terhadap performa motor induki untuk mengetahui identifikai dampak-dampak dari ketidakeimbangan yang diebabkan oleh magnitude tegangan yang tidak eimbang dan udut phaa yang tidak eimbang.. Harmonia Dalam item tenaga litrik yang ideal, bentuk gelombang tegangan yang dialurkan ke peralatan konumen dan bentuk gelombang aru yang dihailkan adalah gelombang inu murni. Harmonia adalah uatu fenomena yang terjadi akibat dioperaikannya beban litrik non-linier di mana terbentuk gelombang pada frekueni-frekueni tinggi ( merupakan kelipatan dari frekueni fundamentalnya 50 Hz, eperti 00 Hz, 50 Hz, 00 Hz, 50 Hz, 300 Hz, dan eterunya ) yang dapat mengganggu aru dan tegangan pada item jaringan litrik di frekueni fundamentalnya 50 Hz, ehingga bentuk gelombang aru dan tegangan yang idealnya adalah inuoidal murni Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
5 akan menjadi cacat akibat ditori harmonia yang terjadi. Harmonia bia muncul akibat adanya beban beban non linier yang terhubung ke item ditribui. Beban non liner ini umumnya adalah peralatan elektronik yang di dalamnya banyak terdapat komponen emi konduktor, yang dalam proe kerjanya berlaku ebagai aklar yang bekerja pada etiap iklu gelombang dari umber tegangan. Beberapa contoh beban non liner antara lain : variable peed drive, komputer, printer, lampu fluorecent yang menggunakan elektronik ballat. Gambar. Gelombang Sinu Aru dan Tegangan Gelombang noninuoidal ini dapat terbentuk dengan cara menjumlahkan gelombang gelombang inuoidal, eperti terlihat pada gambar. Gambar. Gelombang Fundamental Gambar 3. Gelombang Harmonik Ketiga Gambar 4. Gelombang Hail Penjumlahannya ndividual Harmonic Ditortion (HD) adalah raio antara nilai RMS dari harmonia individual dan nilai RMS dari fundamental. h HD 00% () Dimana : HD = ndividual Harmonia Ditrotion (%) h = Aru harmonia pada orde ke-h (A) = Aru fundamental (rm) dalam A Total Harmonic Ditortion (THD) adalah raio antara nilai RMS dari komponen harmonia dan nilai RMS dari fundamental. Hubungan antara THD dengan HD dapat dilihat dari peramaan berikut : [5], [6], [7]. h THD 00% () h Dimana : THD = Total Harmonia Ditrotion (%) h = Aru harmonia pada orde ke-h (A) = Aru fundamental (rm) dalam A Pengaruh harmonia total untuk tegangan dapat dihitung, dengan mengganti notai menjadi V. Hail perhitungan ebaiknya tidak melebihi atau ama dengan nilai yang ditetapkan oleh tandar yang berlaku. Bila hailnya lebih maka tingkat harmonia item membahayakan komponen - komponen item dan ebaiknya haru dipikirkan cara menguranginya. Ada dua kriteria yang digunakan dalam analia ditroi harmonia, limitai untuk ditori aru harmonia dan limitai untuk ditori tegangan harmonia. Standar yang dipakai untuk limitai tegangan harmonia adalah EEE 59. Untuk tandard harmonia aru, ditentukan oleh raio c/l (aru hubung ingkat dibagi dengan aru beban) eperti Tabel. Tabel. Standard Harmonia Aru Harmonic Order SC / Load THD < - 6 7-3-4 >35 <0 4.0.0.5 0.6 0.3 5.0 0-50 7.0 3.5.5.0 0.5 8.0 50-00 0.0 4.5 4.0.5 0.7.0 00-000.0 5.5 5.0.0.0 5.0 >000 5.0 7.0 6.0.5.4 0.0 dimana: c = aru hubung ingkat pada PCC (Point of Common Coupling) load = aru beban fundamental nominal THD = Total Harmonic Ditortion dalam % SC adalah aru hubung ingkat yang ada pada PCC ( Point of Common Coupling) (Dugan, 003: 6), L adalah aru beban fundamental nominal. Sedangkan untuk tandard harmonia tegangan ditentukan oleh tegangan item yang dipakai eperti Tabel. Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
6 Tabel. Standard Harmonia Tegangan Maximum Sytem Voltage Ditortion (in %) Below 69 kv 69 38 kv > 38 kv ndividual 3.0.5.0 Harmonic Total Harmonic 5.0.5.5 3. Ketidakeimbangan 3. Ketidakeimbangan Tegangan Maalah ketidakeimbangan tegangan ini merupakan maalah yang ering terjadi pada jaringan tingkat ditribui item tenaga litrik. Seringkali hal ini terjadi diebabkan oleh pembagian beban atu faa yang tak eimbang. Adanya ketidakeimbangan tegangan ini menyebabkan berbagai permaalahan diantaranya adalah pada indutri dapat menyebabkan overheating pada motor induki yang menyebabkan itim pengaman bekerja berakibat pada kerugian produki. Tegangan item dapat menjadi tidak eimbang diebabkan oleh beberapa alaan. Pengertian ketidakeimbangan mencakup bear tegangan yang tidak eimbang pada item frekueni daar ( under-voltage dan over-voltage), bear udut deviai faa daar, dan level harmonia yang tidak eimbang antar faa. Penyebab terbear dari tegangan tidak eimbang adalah pembagian ditribui beban atu faa yang tidak eimbang, yang jika berkelajutan dapat mempengaruhi item ditribui tiga faa. Hal lain yang timbul akibat item ditribui dengan tegangan tak eimbang adalah impedani lilitan trafo yang tidak imetri, tranformer bank open wye dan open delta, fue terbakar pada kapaitor bank tiga faa, dan impedani tranmii yang tidak imetri yang mungkin diebabkan oleh tranpoition yang tidak lengkap dari jaringan tranmii. Pada uer facility, ketidakeimbangan tegangan dapat diebabkan oleh peralatan yang tidak eimbang dan overloaded dan juga koneki dengan impedani tinggi (contohnya kontak yang buruk atau longgar). Untuk mengatai maalah ketidakeimbangan ini cukup ulit mengingat ketidakeimbangan berubah-ubah berdaarkan perubahan beban. 3. Ketidak eimbangan Tegangan pada Tranformator Ketidakeimbangan dari tegangan tranformator primer menghailkan ketidakeimbangan dari tegangantegangan ekunder dan penambahan rigi-rugi daya tanpa beban. Tranformator modern dikontruki ebagai piranti tiga faa imetri. ehingga, ketidakeimbangan aru dari beban-beban tak eimbang dan tegangantegangan tidak eimbang akan mempengaruhi tranformator. Dampak negatif dari ketidakeimbangan tegangan dan aru tergantung pada konfigurai tranformator; ehingga, haru diberikan perhatian ecara lebih detail pada uunan lilitan tranformator. 3.3 Ketidakeimbangan Tegangan pada Motor nduki Dampak terbear dari tegangan tak eimbang adalah pada motor induki tiga faa. Motor induki tiga faa adalah alah atu dari beban yang umum terdapat pada jaringan dan memiliki jumlah yang banyak terutama pada lingkungan indutri. Pada aat motor induki tiga faa diuplai oleh uatu item tak eimbang, aru yang dihailkan menunjukkan tingkat ketidakeimbangan ampai beberapa kali lipat dibandingkan ketidakeimbangan tegangan. Hal ini dapat dijelakan dengan mengacu pada dua medan putar aling berlawanan yang terjadi jika motor dihubungkan dengan tegangan tak eimbang. Dalam kaitan dengan uunan tegangan-tegangan urutan poitif, jika lip motor: N r (3) N Dimana : N = Kecepatan inkron Nr = Kecepatan rotor lip yang terjadi akibat tegangan urutan negatif adalah: r Jika lip diekpreikan pada lip, maka: r ( ) (4) Jika lip urutan poitif angat kecil ( mendekati nol), lip urutan negatif menjadi angat bear (mendekati ). Dari teori daar motor induki, impedani dari motor induki angat tergantung pada lip dimana untuk lip yang tinggi (mialnya pada aat tart atau kondii motor terkunci) nilainya kecil dan ebaliknya jika lipnya rendah nilainya angat bear. Sehingga ecara pendekatan dapat dinyatakan [3] bahwa perbandingan antar impedani urutan poitf dan urutan negatif adalah: Z Z tart running Dengan diketahuinya aru urutan poitif aru urutan negatif V V x tart running V didapatkan: Z V Z (5) dan Jika motor terbeban penuh, beberapa lilitan faa tator dan rotor akan membawa aru lebih dari yang diijinkan yang menyebabkan kerugian motor ektra. Hal ini akan menyebabkan penurunan efiieni motor dan juga mengurangi uia dari iolai diebabkan pana berlebihan. Penting untuk dicatat bahwa perkiraan uia rata-rata dari iolai turun etengahnya untuk tiap 00 C eperti ditunjukkan pada gambar 5. Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
7 Gambar 5. Variai uia iolai dengan temperatur Menyadari bahwa ketidakeimbangan tegangan menyebabkan kerugian ektra, dalam rangka menjaga motor kelebihan beban NEMA telah menemukan derating curve [] eperti yang terlihat pada gambar 6. Kurva ini mengaumikan bahwa motor telah mengirimkan beban yang telah ditetapkan. Mengacu pada kurva ini, dibutuhkan bahwa tiap motor haru dibuat untuk mengatai % ketidakeimbangan dan eudah itu haru dirating bergantung pada tingkat ketidakeimbangan. Parameter motor induki yang diguanakan dalam pengamatan ini adalah ebagai berikut : No Parameter M Nilai R (tator) 0.94 L (tator) 0.0039 3 Rr (rotor) 0.56 4 Lr (rotor) 0.00074 5 Lm (magnetizing) 0.04 6 No. Of Pole P 6 7 Moment of nertia 0.4 4.. Pengujian dan Analii Pengujian yang dilakukan menggunakan rangkaian model imulai eperti pada gambar 7. Gambar 7. Rangkaian model imulai Gambar 6. NEMA induction motor derating curve Mekipun kurva pada gambar 6 tampaknya dapat dipakai ecara univeral, tudi akhir-akhir ini menunjukkan bahwa tingkat dari derating dapat digunakan pada uatu motor tergantung pada ukurannya atau deainnya. Pengujian dilakukan pada 6 model imulai, meliputi ebagai berikut : - Model Simulai- Model imulai- ini di kenariokan menggunakan imulai magnitude tegangan eimbang, udut phaa eimbang dan tranformator eimbang pada beban motor. Hail keluaran gelombang dari rangkaian model imulai- ini eperti pada gambar 8. 4. Hail dan Pembahaan 4.. Parameter yang digunakan Parameter tranformator delta-why yang eimbang digunakan dalam pengamatan ini adalah ebagai berikut : No Parameter TF_3DY Nilai Rp (primary) 0.00 R (econdary) 0.00 3 Lp (pri. Leakage) E-005 4 L (ec. leakage) E-005 5 Lm (magnetizing) 0.5 Parameter tranformator delta-why yang tidak eimbang digunakan dalam pengamatan ini adalah ebagai berikut : No Parameter TF_3DY Nilai Rp (primary) 0.00 R (econdary) 0.000 3 Lp (pri. Leakage) E-005 4 L (ec. leakage) E-006 5 Lm (magnetizing) 0.5 Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
8 Gambar 8. Bentuk gelombang keluaran dari imulai- Pada gambar 8 ini terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan pada ii input baik dan aru pada ii input terjadi oilai. Sedangkan tegangan pada ii outputnya terjadi oilai dan aru pada ii outputnya baik. Kecepatan motor indukinya cenderung meningkat ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, ebaliknya dengan tori mekanik beban cenderung menurun ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan. Pada kondii performa kecepatan motor dan tori mekaniknya ideal untuk operai motor induki. - Model Simulai- Model imulai- ini di kenariokan menggunakan imulai magnitude tegangan eimbang, udut phaa eimbang dan tranformator tidak eimbang pada beban motor. Hail keluaran dari rangkaian model imulai- ini eperti pada gambar 9. Gambar 9. Bentuk gelombang keluaran dari imulai- Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
9 Pada gambar 9 ini terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan pada ii input baik dan aru pada ii input terjadi oilai. Sedangkan tegangan pada ii outputnya terjadi oilai dan aru pada ii outputnya baik. Kecepatan motor indukinya cenderung meningkat ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, ebaliknya dengan tori mekanik beban cenderung menurun ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan. Pada kondii performa kecepatan motor dan tori mekaniknya ideal untuk operai motor induki. - Model Simulai-3 Model imulai-3 ini di kenariokan menggunakan imulai magnitude tegangan tidak eimbang, udut phaa eimbang dan tranformator eimbang pada beban motor Hail keluaran dari rangkaian model imulai-3 ini eperti pada gambar 0. Gambar 0. Bentuk gelombang keluaran dari imulai-3 Pada gambar 0 ini terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan pada ii input baik dan aru pada ii input terjadi oilai. Sedangkan tegangan pada ii outputnya terjadi oilai dan aru pada ii outputnya baik. Kecepatan motor indukinya cenderung meningkat ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, ebaliknya dengan tori mekanik beban cenderung menurun ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, namun pada kondii ini terjadi oilai lebih bear dari imulai-. Pada kondii performa kecepatan motor ideal, namun tori mekaniknya tidak baik untuk operai motor induki. Jika kondii ini berlangung dalam waktu yang relatif lama, maka motor tidak dapat lagi dioperaikan pada kapaita normalnya, apalagi untuk pengoperaian motor-motor yang teru meneru (kontinue) ehingga pada akhirnya efiieni motor akan berkurang dan menyebabkan keandalan dari motor induki ini juga akan turun. - Model Simulai-4 Model imulai-4 ini di kenariokan menggunakan imulai magnitude tegangan tidak eimbang, udut phaa eimbang dan tranformator tidak eimbang pada beban motor. Hail keluaran dari rangkaian model imulai-4 ini eperti pada gambar. Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
0 Gambar. Bentuk gelombang keluaran dari imulai-4 Pada gambar ini terlihat bahwa bentuk gelombang tegangan pada ii input baik dan aru pada ii input terjadi oilai. Sedangkan tegangan pada ii outputnya terjadi oilai dan aru pada ii outputnya baik. Kecepatan motor indukinya cenderung meningkat ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, ebaliknya dengan tori mekanik beban cenderung menurun ampai pada kondii tertentu kecepatannya kontan, namun pada kondii ini terjadi oilai lebih bear dari imulai-3. Pada kondii performa kecepatan motor ideal, namun tori mekaniknya tidak baik untuk operai motor induki. Jika kondii ini berlangung dalam waktu yang relatif lama, maka motor tidak dapat lagi dioperaikan pada kapaita normalnya, apalagi untuk pengoperaian motor-motor yang teru meneru (kontinue) ehingga pada akhirnya efiieni motor akan berkurang dan menyebabkan keandalan dari motor induki ini juga akan turun. 5. Keimpulan Keimpulan yang dapat diambil dari penelitian ini adalah keeimbangan dari magnitude tegangan udut phaa dan tranformator diperlukan dalam mendapatkan performa yang baik dari operai motor induki. Ketidakeimbangan dari magnitude tegangan ternyata berdampak tidak baik, yang dapat mempengaruhi performa tidak baik dari motor induki. Ketidakeimbangan dari udut phaa ternyata mampunyai dampak negatif yang paling bear dibandingkan dengan model imulai yang lain terhadap performa motor induki. Refereni [] Efendi, Pengujian alat proteki Motor nduki Tiga Phaa Terhadap Ketidakeimbangan Tegangan Sumber, Percikan : Vol. 9 Edii Agutu 008, SBN : 0854-8986. [] Sudaryatno Sudirham, Dr., Pengaruh Ketidakeimbangan Aru Terhadap Suut Daya pada Saluran, Bandung : TB, Tim Pelakana Kerjaama PLN-TB, 99. [3] Penangang Ontoeno, Analii dan Simulai Peningkatan Kualita Energi Litrik erta Pengaruhnya Terhadap Penghematan Pemakaian Energi Pada Komponen Utama Beban ndutri Surabaya : Laporan Penelitian Maching Grant, Lembaga Penelitian TS, 997. [4] tanto W. Djatmiko, Kutono, Performani Parameter Motor nduki Tiga Faa dengan Sumber Tegangan dan Frekueni Variabel, Jurnal Edukai, Vol. 5 No., Maret 009. [5] W. Mielcczarki, G.J. Ander, M.F. Conlon, W.B. Lawrence, H. Khala, G. Michalik, Quality of Electricity Supply & Management of Network Loe, Puma Pre, 997. [6] Roger C. Dugan, Mark F. McGranagan, H. Wayne Beaty, Electrical Power Sytem Quality, McGraw Hill, 996. [7] Wilon E. Kazibwe, Muoke H. Sendaula, Electric Power Quality Control Technique, Van Notrand Reinhold, 993. Biografi Purwoharjono wa born in Pontianak, ndoneia, on January 0, 97. He received the B.Eng from Univerity of Tanjungpura (Untan), Pontianak, ndoneia, 997 and M.Eng from ntitut Teknologi Sepuluh Nopember (TS), Surabaya, ndoneia, 00 and Dr.Eng from ntitut Teknologi Sepuluh Nopember (TS), Surabaya, ndoneia, 04. Since 998, He ha been a Lecturer in the Department of the Electrical Engineering, Univerity of Tanjungpura, and ndoneia. Hi current reearch interet include power ytem analyi, power ytem operation and control, power quality, computational intelligence application on power ytem and forecating. Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04
Jurnal ELKHA Vol.6, No, Oktober 04