PENGARUH HARMONIK TERHADAP UNJUK KERJA MOTOR INDUKSI TIGA FASA M. Syaeful Yusron Agus R. Utomo Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Indonesia syaefulyusron@gmail.com Abstrak Motor Induksi tiga fasa dirancang untuk mendapatkan tegangan masukan yang sinusoidal. Arus bolak-balik yang berasal dari sumber tegangan sinus yang terdistorsi, menghasilkan bentuk gelombang yang cacat. Hal ini akan merugikan kinerja motor induksi. Kecepatan putar dan torsi serta efesiensi akan mengalami perubahan nilai akibat gelombang arus yang menjadi masukan tidak sinusoidal murni. Pada kondisi operasi yang mengandung harmonik (nonsinusoidal), arus masukan menjadi lebih tinggi dari fundamental karena mengandung arus dari komponen harmoniknya. Sehingga akan meningkatkan rugi-rugi pada motor induksi. Hal ini berdampak pada efisiensi motor menurun. Pengaruh lain dari arus harmonik adalah timbulnya medan harmonik yang berotasi dua arah sesuai dari urutan harmonik (forward (+) dan backward (-)). Medan magnet ini akan berinteraksi dengan medan magnet putar fundamental menghasilkan torsi yang tidak stabil sehingga timbul getaran. Torsi yang tidak stabil ini akan menghasilkan kecepatan putar motor induksi menjadi tidak stabil pula. Dari hasil simulasi menggunakan Matlab & Simulink r2013a dan analisa diperoleh bahwa untuk orde 5, 11, 13, 17 motor induksi masih diijinkan beroperasi dibawah pengaruh harmonik dengan THD V 2 % dengan nilai efisiensi antara 92,95% - 95,18%, ketidak stabilan torsi 1,16% - 3,95% dan ketidak stabilan putaran antara 0,00058% - 0,00478% dari nilai fundamental masing-masing, dan untuk harmonik orde 7 dan 19 dengan THD V 3% dimana efisiensinya antara 93,74% - 94,6%, ketidak stabilan torsi antara 1,56% - 4,25% dan ketidak stabilan putaran antara 0,00061% - 0,00510% dari nilai fundamentalnya. Kata Kunci: Efesiensi, Harmonik, Kecepatan putar, Motor Induksi, Torsi Abstract Three-phase induction motors are designed to obtain the sinusoidal input voltage. Alternating current from a distorted sine voltage source, produce waveforms with harmonic. This would be detrimental to the performance of an induction motor. Rotational speed and torque and efficiency will experience a change in value due to the input current wave is not purely sinusoidal. In the operating conditions containing harmonics (non- sinusoidal), the input current is higher than the fundamental because it contains the flow of harmonics components. It will increasing the losses in induction motors. This has an impact on the efficiency of the motor decreases. Another effect of harmonic currents is the emergence of harmonic field rotating in both directions according on the harmonic sequence (forward (+) and backward (-)). This magnetic field will interact with the magnetic field of fundamental rotary and produce unbalanced torque that causing vibration. This uneven torque will result in induction motor speed becomes unstable. The simulation result using Matlab & Simulink R2013a and analytical shows that, for the order 5th, 11th, 13th, 17th induction motor is still allowed to operate under the influence of harmonic with THD V 2 % with the efficiency of 92.95 % - 95.18 %, instability rotation torque 1.16 % - 3.95 % and instability of rotation between 0.00058 % - 0.00478 % from each fundamentals and harmonic order 7th and 19th with THDV 3 % where the efficiency between 93.74 % - 94.6 %, and the instability of torque between 1.56 % - 4.25 % and instability of rotary between 0.00061 % - 0.00510 % and the instability of torque between 1.56 % - 4.25 % from its fundamental value. Key Word: Induction Motor, Harmonic, Rotation Speed, Torque, Efficiency
1. Pendahuluan Penyuplaian tegangan yang terdistorsi harmonik pada motor induksi akan menghasilkan gelombang arus yang terdistorsi juga. distorsi gelombang akibat adanya harmonisa akan mempengaruhi besar nilai arus masukan yang menyuplai motor induksi karena gelombang sinus tegangan yang terdistorsi tersebut mengandung komponenkomponen harmonik. Hal ini berdampak pada rugi-rugi variabel motor induksi yang melibatkan besar arus akan berubah. Sehingga akan megubah besar daya masukan yang harus di catu pada motor induksi untuk menghasilkan daya mekanik yang sama. Hal ini menyebabkan efisiensi motor induksi akan berubah nilainya bergantung pada besar distorsi harmoniknya. 1 Dampak lain dari arus harmonik adalah timbulnya medan harmonik yang berotasi dua arah bergantung dari urutan harmonik. Harmonik dikelompokkan menjadi positif ( + ), negatif (- ) dan nol ( 0 ) komponen urutan. Harmonik urutan positif ( nomor harmonik 1, 4, 7, 10, 13, dll ) menghasilkan medan magnet dan arus berputar di arah yang sama dengan harmonik frekuensi dasar. Harmonik urutan negatif ( nomor harmonik 2, 5, 8, 11, 14, dll ) mengembangkan medan magnet dan arus yang berputar dalam arah yang berlawanan ke set frekuensi positif. Urutan nol harmonik ( harmonik nomor 3, 9, 15, 21, dll ) tidak mengembangkan torsi yang dapat digunakan, tetapi menghasilkan kerugian tambahan dalam mesin. Interaksi antara medan magnet urutan positif dan negatif dengan medan magnet putar fundamental menghasilkan torsi pada poros motor yang tidak stabil sehingga mengakibatkan getaran. Torsi yang tidak seimbang ini akan menghasilkan kecepatan putar motor induksi menjadi tidak stabil. 2 Dari penjelasan diatas maka perlu pembahasan tentang pengaruh harmonik terhadap unjuk kerja motor induksi agar dapat dipelajari dampak-dampak yang ditimbulkan harmonik terhadap motor induksi sehingga operasi motor dapat optimal dibawah pengaruh harmonik. 2. Landasan Teori 2.1 Motor Indusi Tiga Fasa Motor induksi merupakan mesin listrik yang menggunakan prinsip induksi elektromagnetik. Secara umum motor induksi terdiri dari rotor yaitu bagian yang berputar dan
stator yiatu bagian yang diam. Berdasarkan jenis rotornya terdapat dua jenis motor induksi yaitu jenis rotor sangkar tupai (squirrel-cage) dan jenis rotor belitan (wound rotor). Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi 3-fasa yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan 3-fasa, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl) atau tegangan induksi. Karena penghantar (kumparan) rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Penghantar (kumparan) rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator. 3 2.2 Harmonik Harmonik adalah suatu gelombang sinusoidal tegangan atau arus yang berfrekuensi tinggi dimana frekuensinya merupakan kelipatan bilangan bulat dari frekuensi fundamental (f, 2f, 3f, dst). Bentuk gelombang yang terdistorsi merupakan penjumlahan dari gelombang fundamental dan gelombang harmonik pada frekuensi kelipatannya. 4 Dalam pengukuran harmonisa ada beberapa petunjuk penting yang harus dipahami, yaitu Individual Harmonic Distortion (IHD) dan Total Harmonic Distortion (THD).!"#! =!!!! (1)!!!!!!!!!!"# =! 100% (2)!! Tabel 1. Batas distorsi arus yang diakibatkan harmonisa menurut IEEE 519-1992 4
Tabel 2. Batas distorsi tegangan menurut IEEE 519-1992 4 2.3 Harmonik Pada Motor Induksi Motor induksi sering dijumpai menggunakan eksitasi dengan pengubah frekuensi statis atau lebih dikenal VSD (Variable Speed Drive) atau inverter. Motor induksi yang dieksitasi dengan VSD hampir tidak bisa terhindar dari bentuk gelombang yang terdistorsi harmonik dalam tegangan dan arus yang dihasilkan. Gelombang tegangan yang terdistorsi harmonik ini akan mengalami perubahan bentuk. Bentuk yang berubah ini menyebabkan gelombang tidak sinusoidal dan kemudian akan mempengaruhi arus eksitasinya. Harmonisa arus atau tegangan menyebabkan peningkatan rugi-rugi pada belitan stator, rangkaian rotor serta laminasi stator dan rotor sehingga efisiensi mesin menurun. Sumber tegangan yang terdistorsi harmonik akan menghasilkan arus eksitasi yang mengandung harmonik pula, sehingga gelombang arus yang timbul tidak sinusoidal murni. Hal ini akan mempengaruhi medan putar yang dihasilkan. Resultan vektor induksi magnetik dari ketiga fasanya tidak sesuai dengan prinsip kerja ideal pada motor induksi tiga fasa, sehingga menimbulkan putaran rotor yang tidak stabil. Putaran tak seimbang ini ditandai dengan suara bising saat motor beroperasi. Hal ini juga menyebabkan torsi motor induksi menjadi tidak stabil. Permodelan motor induksi dibawah pengaruh harmonik seperti gambar berikut. Gambar 1. Rangkaian ekivalen motor induksi : a) fundamental, b) harmonik ke-k 5 Gambar rangkaian 1(a) diatas adalah gambar rangkaian motor induksi. Ketika motor berjalan mendekati kecepatan sinkron fundamental, rangkaian ekuivalen harmonik sangat
mirip dengan rangkaian rotor setara dikunci untuk harmonik tertentu yang dipertimbangkan. Cabang magnetizing dapat diabaikan karena reaktansi magnetizing untuk harmonik ke-k (kx m ) jauh lebih besar daripada impedansi kebocoran rotor untuk harmonik ke-k (Z Rk ). Untuk alasan yang sama, resistor R C dan R Ck merepresentasikan rugi inti (dan mekanik) bagi fundamental dan harmonik yang berbeda juga diabaikan. Gambar 4.5 (a) menunjukkan rangkaian setara disederhanakan untuk komponen fundamental dan Gambar 4.5 (b) untuk harmonik ke- k. Arus harmonik k kemudian diberikan sebagai 5 :!! =!!!!"!!!!"!!!!"!!!!"! (3) I k : komponen arus harmonik orde k V k : komponen tegangan harmonik orde k. R sk : X sk : Tahanan dan Reaktansi stator pada harmonik orde k R rk : X rk : Tahanan dan Reaktansi stator pada harmonik orde k dengan persamaan S k!! =!!!±!! =!!!±(!!!)!! =!±(!!!) (4)!"!!!!! 3. Metode Penelitian Penelitian yang dilakukan dalam skripsi ini menggunakan metode simulasi dengan bantuan perangkat lunak Matlab and Simulink R2013a. dimana pembahasan hanya terbatas pada tahapan simulasi. Simulasi ini bertujuan melihat pengaruh harmonik yang terhadap unjuk kerja motor induksi untuk kepentingan penelitian tahap pengujian selanjutnya.
Gambar 2. Diagram alir penelitian Objek penelitian yang digunakan dalam simulasi ini adalah motor induksi tiga fasa jenis rotor sangkar tupai dengan name plate sebagai berikut : Nominal Power : 160 kw Tegangan : 400 V Frekuensi : 50 Hz Pole : 4 kutub Tahanan Stator : 0.01379 Ω Induktansi Stator : 0.000152 H Tahanan Rotor : 0.007728 Ω Induktansi Rotor : 0.000152 H
Parameter uji yang akan yang akan dihitung dan dianalisa adalah sebagai berikut : 1. Harmonik : a) orde harmonik b) distorsi harmonik 2. Distorsi arus 3. Daya input 4. Kecepatan Putar 5. Torsi Parameter ke-1 merupakan variabel terikat, sedangkan parameter 2, 3, 4, dan 5 merupakan variabel bebas. Berikut rangkaian simulasi yang di buat pada Matlab & Simulink R2013a Gambar 3. Rangkaian simulasi 4. Hasil Simulasi dan Analisa 4.1 Pengaruh Harmonik Terhadap Efisiensi. Efisiensi dihitung berdasarkan persamaan! % =!!"#!!"! 100%. Sehingga perlu dilihat pengaruh harmonik terhadap daya output dalam kasus ini daya mekanik, dan daya input. Daya mekanik di dapat melalui hasil komputasi melaui perhitungan. Yaitu dengan mebandingkan rugi daya rotor yang diakibatkan arus harmonik dengan daya mekanik tambahan motor yang dihasilkan oleh harmonik pula melalui persamaan P k cu r : P kmek = s k : (1 s k ). Kemudian menggabungkan daya mekanik fundamental dengan daya mekanik akibat harmonik. Sedangkan daya input didapat dari hasil simulasi.
Gambar 4. Grafik Pengaruh harmonik terhadap efisiensi Arus harmonik yang ditimbulkan akan semakin tinggi ketika distorsi harmonik tegangan semakin besar, sehingga peningkatan rugi-rugi pada distorsi yang besar akan semakin tinggi. Hal ini akan menyebabkan penurunan efisiensi makin besar. Sedangkan pada orde yang tinggi, arus harmonik yang timbul akan semakin kecil. dan peningkatan rugi-rugi untuk orde yang tinggi pun semakin kecil. Sehingga penurunan efisiensi akan semakin kecil untuk orde tinggi. 4.2 Pengaruh Harmonik Terhadap Torsi Hasil simulasi menyebutkan bahwa terjadi ketidakstabilan torsi elektromagnetik dimana ditandai dengan kurva torsi terhadap waktu yang berosilasi (bergetar). Gambar 5. Simulasi torsi motor tanpa harmonik
Gambar 6. Simulasi putaran motor dengan harmonik ke 5 sebesar 5% simulasi. Gambar 7. Simulasi putaran motor dengan harmonik ke 19 sebesar 5% Pengaruh harmonik terhadap getaran pada torsi diperlihatkan pada grafik hasil Gambar 8. Grafik Pengaruh harmonik terhadap torsi Arus harmonik menghasilkan medan putar pada air gap dengan kecepatan putar yang lebih tinggi dari pada kecepatan putar yang dihasilkan oleh arus fundamental. Medan magnet yang ditimbulkan arus harmonik ini kemudian berinteraksi dengan medan magnet yang dihasilkan arus fundamental. Interaksi ini menghasilkan torsi parasitis dalam mesin. 1
Torsi parasitis ini yang memuat torsi tidak stabil yang kemudian menimbulkan getaran. Semakin tinggi distorsi arus harmonik yang disuplai pada motor induksi maka semakin besar pula getaran torsi yang ditimbulkan. 4.3 Pengaruh Harmonik Terhadap Putaran Hasil simulasi menyebutkan bahwa motor induksi yang beroperasi dengan tegangan sumber dibawah pengaruh harmonik, maka akan timbel ketidak stabilan putaran. Gambar 9. Simulasi putaran motor tanpa harmonik Gambar 10. Simulasi putaran motor dengan harmonik ke 5 sebesar 5% Gambar 11. Simulasi putaran motor dengan harmonik ke 19 sebesar 5%
simulasi. Pengaruh harmonik terhadap getaran pada putaran diperlihatkan pada grafik hasil Gambar 12. Grafik Pengaruh harmonik terhadap putaran Sumber tegangan yang terdistorsi harmonik akan menghasilkan arus eksitasi yang mengandung harmonik pula, sehingga gelombang arus yang timbul tidak sinusoidal murni. Hal ini akan mempengaruhi medan putar yang dihasilkan. Medan putar akan mengandung medan harmonik yang timbul karena arus harmonik. Medan harmonik ini berputar lebih cepat dibanding perputaran medan fundamental. Oleh karena itu interaksi antar medan putar tersebut akanmenghasilkan resultan putaran medan yang tidak stabil, maka slip yang dihasilkan motor akan berubah-ubah. Hal ini menimbulkan putaran rotor yang tidak stabil Dari hasil simulasi, menurut standar IEEE 519-1992 mengenai batasan arus harmonik yang dimiliki suatu peralatan, maka untuk orde 5, 11, 13, 17 motor induksi masih diijinkan beroperasi dibawah pengaruh harmonik tegangan sumber dengan THD V 2 % dengan nilai efisiensi antara 92,95% - 95,18%, ketidak stabilan torsi 1,16% - 3,95% dari torsi fundamentalnya dan ketidak stabilan putaran antara 0,00058% - 0,00478% dari putaran fundamental dan untuk harmonik orde 7 dan 19 dengan THD V 3% dimana efisiensinya antara 93,74% - 94,6%, ketidak stabilan torsi antara 1,56% - 4,25% dan ketidak stabilan putaran antara 0,00061% - 0,00510% dari nilai fundamentalnya.
5. Kesimpulan Dari uraian diatas dapat diambil kesimpulan bahwa adanya harmonik akan mempengaruhi nilai unjuk kerja motor induksi tiga fasa, dalam hal ini terjadi penurunan nilai efisiensi dan juga muncul gangguan frekuensi akibat harmonik sehingga menimbulkan getaran pada putaran dan torsi motor induksi. Pada studi kasus untuk simulasi ini dengan spesifikasi motor 160 kw, nilai optimum harmonik yang diijinkan agar motor masih dapat beroperasi dengan baik yaitu dibawah 2 %. 6. Daftar Pustaka [1] Subekti, L., & Sasongko. (2000). Pengaruh Distorsi Harmonik Total Terhadap Efisiensi Motor Induksi Proceeding Seminar Elektrik dan Elektronika Daya (pp. 45-46). Yogyakarta: Fakultas Teknik UGM. [2] Cummings, P. G. (1986). Estimating Effect of System Harmonic on Losses and Temperatur Rise of Squirrel-Cage Motors. IEEE Transactions on Industry Applications Vol 1A-22, 1122-1126. [3] Aulia, R. (2011). repository :usu.ac.id. Retrieved 12 6, 2014, from usu.ac.id: http://repository.usu.ac.id/bitstream/123456789/22699/3/chapter%20ii.pdf [4] 519-1992, I. S. (1993). IEEE Recommended Practices and Requirement for Harmonic Control in Electric Power System. Institute of Electrical and Electronic Engineering. [5] Khederzadeh, M. (2007). Enhanced Thermal Model for Motors Fed with Distorted Waveforms. IEEE. [6] Anthony, Z. (n.d.). Bahan Ajar:sisfo.itp.ac.id. Retrieved 7 11, 2014, from sisfo.itp.ac.id: http://sisfo.itp.ac.id/bahanajar/bahanajar/zurimananthony/mesin%20listrik%20ac/ba b%20iii.pdf [7] Rohi, D., Utomo, D. D., & Penangsang, O. (2009). Distorsi Harmonisa Pada Pelanggan Dengan Daya 250VA - 2200VA. [8] Sankaran, C. (1999, 10 1). Effects of Harmonics on Power Systems. Retrieved 11 10, 2014, from Electrical Construction and Maintenance: http://ecmweb.com/powerquality/effects-harmonics-power-systems.