Analisis Perbandingan Sistem Pengasutan

Jurnal Elektro ELTEK Vol. 3, No. 1, April 2012 ISSN: 2086-8944

223

Analisis Perbandingan Sistem Pengasutan Motor Induksi 3 Fasa Sebagai Penggerak Pompa

Pada Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) Wendit Malang

Andyk Probo Prasetya, Abdul Hamid dan Yusuf Ismail Nakhoda

Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Nasional Malang [email protected]

Abstrak—Tulisan ini menjelaskan masalah pengasutan motor induksi 3 fasa pada PDAM Wendit Malang. Persoalan yang paling utama adalah besarnya arus pengasutan yang tinggi antara 4 sampai 7 kali arus nominal. Arus pengasutan yang besar ini mengakibatkan penurunan tegangan sesaat (sag) pada sistem jaringan. Untuk mengurangi arus asut yang besar tersebut, maka perlu dipasang peralatan pengasutan. Peralatan pengasutan tersebut berupa ototrafo, resistor dan reaktor. Pengujian dilakukan pada salah satu unit motor induksi 3 fasa, 380 V, 354 A, 200 kW dengan cos θ sebesar 0,86 sebagai penggerak pompa dengan dengan bantuan Software ETAP. Dari pengujian yang dilakukan, terlihat bahwa dengan menggunakan ototrafo terjadi penurunan arus pengasutan yang cukup signifikan dari sebesar 2016,73 A tanpa bantuan alat pengasutan menjadi sebesar 578,32 A dengan bantuan alat pengasutan atau sama dengan penurunan arus asut sebesar 71.32%.

Kata kunci—Motor induksi, pengasutan motor, dan arus pengasutan.

I. PENDAHULUAN Dalam pengoperasian motor induksi adalah sangatlah penting untuk memperhatikan arus awal pada saat motor dijalankan. Pengasutan tegangan penuh yang dilakukan dengan beban yang tinggi motor akan menarik arus yang sangat besar, dimana hal ini akan mengakibatkan voltage dip pada beban-beban yang lain. Serta dapat merusak motor itu sendiri. Pada Perusahaan Daerah Air Minum (PDAM) Wendit Malang diperlukan pengoperasian motor yang tepat, guna kelancaran dalam pendistribusian air bersih. Dalam penelitian ini dilakukan pengujian pada salah satu unit motor 3 fasa sebagai penggerak pompa dengan kapasitas sebesar 200 kW sebelum dan sesudah pemasangan alat bantu pengasutan. Pengujian ini dilakukan dengan bantuan software ETAP Power Station.

II. TEORI DASAR A. Motor Induksi [1] Motor arus bolak-balik (motor induksi) adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik atau tenaga gerak, dimana tenaga gerak ini berupa perputaran pada poros motor. Salah satu jenis motor AC ini adalah motor induksi atau motor tak serempak.

Dinamakan motor tak serempak (asynchrone) karena putaran poros motor tidak sama dengan putaran medan fluks magnet stator. Dengan kata lain, bahwa antara putaran rotor dan putaran fluks magnet terdapat selisih putaran yang disebut slip. Motor induksi polyphase banyak dipakai dikalangan industri. Ini berkaitan dengan beberapa keuntungannya, antara lain: 1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi

hampir tak pernah mengalami kerusakan, khususnya tipe rotor sangkar bajing).

2. Harga relatif murah dan perawatan mudah. 3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak

dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang ditimbulkan dapat dikurangi (khususnya motor induksi rotor belitan).

B. Prinsip Kerja Motor Induksi [12]

Berputarnya rotor pada motor induksi ditimbulkan oleh adanya medan putar yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini akan terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga fasa. Prinsip kerjanya diuraikan sebagai berikut.

1. Apabila sumber tegangan 3 phasa dipasang pada kumparan stator akan timbul medan putar dengan kecepatan,

pfns

120= rpm (1)

2. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor sehingga pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (GGL Induksi).

3. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka akan mengalir arus (I). Kawat penghantar (kumparan rotor) yang dialiri arus yang berada dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor.

4. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.

5. Seperti halnya telah dijelaskan bahwa tegangan induksi akan timbul karena adanya terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dan kecepatan medan putar rotor (nr).

mailto:[email protected]


225

6. Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (S) dinyatakan dengan:

%xn

nnSs

rs 100−= (2)

7. bila nr = ns tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan jangkar rotor, dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Kopel motor ditimbulkan apabila nr lebih kecil dari ns.

8. Dilihat dari cara kerjanya motor induksi disebut juga motor tak serempak atau asinkron.

C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi [7] Kerja motor induksi seperti juga kerja pada transformator adalah berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Oleh karena itu motor induksi dipandang sebagai transformator yang mempunyai ciri-ciri khusus, yaitu:

1. Stator sebagai sisi primer. 2. Rotor sebagai sisi sekunder yang penghantar-

penghantarnya dihubung-singkat dan berputar. 3. Kopling antara sisi primer dan sisi sekunder

dipisahkan oleh celah udara ( air gap ).

Gambar 1. Rangkaian ekivalen motor induksi.

Rangkaian ekivalen Gambar 1 memperlihatkan bahwa

daya keseluruhan yang dialihkan pada celah udara dari stator (masukan daya ke rotor) adalah:

sRIP r

rr23= (3)

Rugi tembaga rotor,

rrr RIP 23= (4) Dari pers. (3) dan (4), daya mekanis yang dibangkitkan oleh motor induksi,

s)s(RIRI

sRIPPP rrrr

rrcurm

−=−=−=

1333 222 (5)

)s(TTP srm −== 1ωω (6) dimana: T = Torsi Motor dalam N-m

rω = Kecepatan Rotor dalam Rad/detik

sω = Kecepatan Stator dalam Rad/detik Sedangkan besarnya torsi dan arus rotor dapat dihitung dengan penggunakan persamaan (7) dan (8),

sRIT rs

rsω

3= (7)

22 )XX()s

RR(

VI

rsr

s

sr

+++= (8)

Dalam analisa rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan menghilangkan resistansi (Rc)

sR

)XX()s

RR(

VI s

rss

s

s

sr

22

23

+++

=ω

(9)

Torsi pengasutan (Tst) dapat dihitung pada saat slip =1,

22

23

)XX()RR(

RVT

rsrs

rs

sst

+++=ω

(10)

D. Pengasutan Motor [1] Arus yang ditarik pada saat pengasutan mencapai 4 sampai 7 kali arus nominal. Pada motor induksi berkapasitas besar hal ini akan mengakibatkan voltage dip pada sistem jaringan dan dapat merusak motor induksi itu sendiri. Cara yang paling mudah adalah dengan menurunkan tegangan terminal motor. Pengasutan Auto-Trafo [4] Pada waktu pengasutan, tegangan terminal dari motor dikurangai 50%-80% dari tegangan penuh dengan Auto-Trafo, untuk membuat arus asut menjadi kecil.

( )22

rsr

s

sst

XXs

RR

)Tap.(%VI

++

+

= (11)

( ) ( )223

rsrs

rs

sst XXRR

R).Tap.(%V.T+++

=ω

(12)

Pengasutan Resistor [4]

Arus pengasutan dapat dikurangi dengan menggunakan resistor dalam rangkaian stator yang dihubungkan seri dengan saklar hubung singkat pada jaringan 3 phasa. Pada saat asut arus menjadi turun setelah motor berputar, maka resistor dilepas,

stst I.RI = (13)

scst TRT 2= (14) Pengasutan Reactor [4]

Cara lain untuk menurunkan arus awal adalah dengan menghubungkan Reactor yang dipasang seri dengan stator. Dengan saklar hubung singkat yang tersambung dengan jaringan 3 phasa. Setelah motor berputar maka Reactor dilepas,

stst I.XI = (15)

scst TXT 2= (16) E. Etap Power Station

ETAP Power Station merupakan program untuk menganalisa kondisi transient suatu system kelistrikan. ETAP Power Station memungkinkan antar muka secara grafis dan komputasi yang sempurna dan secara langsung kita dapat menggambar single line diagram.


226

Performa Steady State. Kondisi motor dalam keadaan Steady State adalah kondisi dimana motor dalam keadaan mantap. Dimana hampir tidak ada perubahan arus, tegangan, torsi, serta kecepatan. Keadaan Steady State ini merupakan gambaran secara keseluruhan dari motor tersebut yang dapat dijadikan acuan untuk penggunaanya. Performa Transient. Keadaan transient atau perubahan merupakan kondisi motor sesaat dimana keadaan berubah-ubah dan dapat menentukan beberapa faktor penting dalam pengendalian motor, sedangkan keadaan Steady State kondisi dimana motor dalam keadaan mantap. Gambar 2 memperlihatkan diagram alir pengasutan motor induksi 3 fasa.

Start

Y

T

Starting Motor Tanpa Pengasutan

ApakahIst = 4 – 7 x Ifl ?

Running

Cetak Hasil

Stop

Spesifikasi Motor

Pemodelan One Line Diagram

== = = = = =

PVI Cos θFPutaranp

Starting Motor Dengan Pengasutan(Auto-Trafo,

Resistor, Reaktor)

Gambar 2. Flowchart analisa pengasutan motor induksi 3 fasa.

III. HASIL ANALISIS PENGASUTAN MOTOR Dengan menggunakan Software ETAP Power Station simulasi One-Line Diagram yang terlihat dalam Gambar 3. Dengan memasukkan data pada Name Plate motor didalam Menu Induction Machine Editor program ETAP Power Station. Kemudian memilih peralatan pengasutan motor yang akan digunakan untuk menganalisa. Dengan mensetting waktu asut dan total simulasi pada menu motor Starting Study Case, kemudian menjalankan program Run Dinamic Motor Starting yang terletak dipojok kanan atas dalam tampilan menu program.

Gambar 3. Pemodelan One-Line Diagram Simulasi PDAM Wendit Malang. Gambar 4 memperlihatkan pemodelan motor induksi penggerak pompa unit 1 di PDAM Wendit.

Gambar 4. Pemodelan Motor Pompa Wendit Unit I di PDAM Wendit Malang. A. Hasil Simulasi Pengasutan Motor Motor dengan kapasitas 200 kW di asut tanpa alat bantu pengasutan dengan setingan waktu t = 0. Dengan arus beban penuh (Ifl) sebesar 354 A, motor menarik arus 2016,73 A yang mengakibatkan terjadi penurunan tegangan sesaat pada bus hingga 358,49 V dengan arus kadaan ajek sebesar 333,39 A.

Gambar 5. Profil tegangan Bus tanpa peralatan pengasutan motor.

Gambar 6. Profil tegangan Bus tanpa peralatan pengasutan motor. Gambar 7, 8, dan 9, masing-masing memperlihatkan profil arus asut sebagai fungsi prosentase seting tap trafo pada pengasutan motor induksi.

Bus130.38 kV

Bus120.38 kV

Bus110.38 kV

Bus1020 kV

Bus90.38 kV

Bus80.38 kV

Bus720 kV

Bus620 kV

Bus50.38 kV

Bus40.38 kV

Bus220 kV

Bus120 kV

Penyulang Sekar Puro

416 MVAsc

CB1

CB2 CB3

NO

Cable1

CB4

Cable2

Cable3

CB5 CB6

NO

CB7

Trafo Wendit I1250 kVA

Cable4

CB8

CB9NO

CB10 CB11NO

CB12NO

CB13NO

CB14NO

CB15NO

Chlor Room0.2 kVA

Wendit I (1)200 kW

Wendit I (2)200 kW

Wendit I (3)200 kW

Wendit I (4)200 kW

Wendit I Cadangan90 kW

CB16

CB17

CB18

NO

Penerangan(1)0.2 kVA

CB19

Penyulang Bunul

416 MVAsc

CB20

NO

CB21 CB22

Cable5

Cable6

Cable7

CB23NO

CB24

CB25

Trafo Wendit III1250 kVA

CB26 CB27

NO

CB28

Cable8

CB29

NO

CB30 CB31 CB32 CB33 CB34

Wendit III (1)147 kW




Penerangan(2)0.2 kVA

CB35

NO

CB36

CB37

Trafo Wendit II1250 kVA

CB38 CB39NO

CB40

Cable9

CB41

NO

CB42 CB43 CB44 CB45

Wendit II (1)200 kW

Wendit II (2)200 kW

Wendit II (3)200 kW

Wendit II (4)200 kW

Generator Cummins

CB48

Cable10

0.85 MW

CB46

NO

Generator Perkins0.85 MW

CB47

CB49CB50

Cable11

Cable12


227

Gambar 7. Profil arus asut (A) terhadap seting tap (%).

Gambar 8. Profil tegangan terminal motor (V) terhadap seting tap (%).

Gambar 9. Profil torsi asut (N-m ) terhadap seting tap (%).

B. Pengasutan menggunakan Autotrafo Dengan menggunakan peralatan pengasutan Auto-trafo dengan tap 50% dan switch off t = 2 detik, arus awal mengalami penurunan menjadi 1,63 kali arus beban penuh atau sama dengan 578,32 A.

Gambar 10. Profil tegangan Bus saat pengasutan menggunakan autotrafo. Sehingga tegangan pada bus turun menjadi 194,02 V seperti diperlihatkan Gambar 10. Namun penurunan tegangan terminal motor berdampak pada penurunan torsi awal sebesar 54,90 N-m. Arus kondisi mantap yaitu 333,39 A seperti diperlihatkan Gambar 11.

Gambar 11. Profil arus pengasutan menggunakan auto-trafo.

C. Pengasutan menggunakan Resistor Dengan menggunakan peralatan pengasutan resistor dengan tap 50% dan switch off t = 2 detik, arus naik sebesar 1149,79 A dan turun lagi sampai kondisi mantap yaitu 333,39ª seperti diperlihatkan Gambar 12. Tegangan pada bus mengalami penurunan pada saat pengasutan sebesar 191,67 V seperti diperlihatkan Gambar 13.

Gambar 12. Profil tegangan Bus saat pengasutan dengan resistor.

Gambar 13. Profil arus saat pengasutan menggunakan resistor

D. Hasil Simulasi Pengasutan Reaktor Profil arus pengasutan motor induksi 3 fasa menggunakan reaktor diperlihatkan Gambar 14.

Gambar 14. Profil tegangan Bus saat pengasutan dengan reaktor. Pada pengasutan menggunakan reaktor dengan tap 50% dan switch off t = 2 detik memperlihatkan arus naik menjadi 1130,56 A dan turun lagi sampai kondisi mantap menjadi 333,39 A. Sedangkan tegangan pada bus mengalami penurunan hingga 188,51 V seperti diperlihatkan Gambar 15.


228

Gambar 15. Profil arus pengasutan menggunakan reaktor.

E. Perhitungan Beban Pemakaian Motor Induksi 200 kW pada PDAM Wendit. Penjadwalan pengoperasian motor pompa disesuaikan dengan kondisi beban puncak pada PLN sebagai penyuplai energi listrik dan juga kebutuhan pasokan air bersih yang didistribusikan oleh PDAM itu sendiri dan yang terutama tarif listrik atas pemakaian energi listrik.

Gambar 16. Jadwal pengoperasian motor pompa.

Dengan data spesifikasi motor induksi dan jadwal

pengoperasiannya, maka dapat diperoleh perbandingan daya waktu pengasutan dan besar energi yang terpakai selama 1 bulan sebagai berikut.

Analisa Perhitungan Daya dan Energi Pengasutan Motor Tanpa Pengasutan. Dengan adanya penjadwalan pengoperasian dalam satu hari terdapat 1 kali pengasutan motor pompa dengan kapasitas daya 200 kW, dengan t = 1,7802 detik, daya awal yang dibutuhkan motor sebesar 1141,538 kW dan pemakaian energinya sebesar 16,932 kWh selama 30 hari.

Analisa Perhitungan Daya dan Energi Starting Motor dengan Pengasutan Autotrafo. Pengasutan menggunakan autotrafo, untuk t = 3,540 detik, daya awal yang dibutuhkan sebesar 167,197 kW sedangkan pemakaian energinya sebesar 4,932 kWh.

Analisa Perhitungan Daya dan Energi Starting Motor dengan Pengasutan Resistor. Untuk pengasutan motor dengan menggunakan resistor dengan waktu t = 3,560 detik, daya awal yang dibutuhkan sebesar 326,828 kW sedangkan pemakaian energinya sebesar 9,695 kWh.

Analisa Perhitungan Daya dan Energi Starting Motor dengan Pengasutan Reaktor. Pengasutan menggunakan reaktor, dengan waktu t = 3,5802 detik, membutuhkan daya awal sebesar 317,458 kW sedangkan pemakaian energinya sebesar 9,470 kWh. Untuk melihat secara detail perhitungan daya dan energi yang terpakai seperti yang diperlihatkan Tabel I.

TABEL I PERHITUNGAN DAYA AWAL START DAN ENERGI YANG TERPAKAI

Sedangkan perhitungan pemakaian energi motor selama 30 hari tanpa dan dengan 3 jenis peralatan pengasutan autotrafo, resistor dan reaktor masing-masing dapat dilihat pada Tabel II, III, IV dan V.

TABEL II PEMAKAIAN ENERGI TANPA PENGASUTAN

Motor Pompa

Wasut (kWh)

Wnormal (kWh)

ΣW (kWh)

Keterangan (operasi)

Motor I 0 144.270,79 144.270,79 24 jam Motor II 0 144.270,79 144.270,79 24 jam Motor III 16,932 136.752,52 136.752,52 off 20.30; on 22.15 Motor IV 0 0 0 Cadangan Total pemakain energi selama 1 bln 425.311,032

TABEL III

PEMAKAIAN ENERGI MENGGUNAKAN PENGASUTAN AUTOTRAFO

Motor Pompa

Wasut (kWh)

Wnormal (kWh)

ΣW (kWh)



TABEL IV

PEMAKAIAN ENERGI MENGGUNAKAN PENGASUTAN RESISTOR

Motor Pompa

Wasut (kWh)

Wnormal (kWh)

ΣW (kWh)



TABEL V

PEMAKAIAN ENERGI MENGGUNAKAN PENGASUTAN REAKTOR

Motor Pompa

Wasut (kWh)

Wnormal (kWh)

ΣW (kWh)




229

Gambar 17. Profil arus dari masing-masing peralatan pengasutan.

IV. KESIMPULAN Dari pengujian dan analisis yang dilakukan terhadap model peralatan pengasutan motor induksi 3 fasa 220 kW diatas, maka dapat diambil beberapa kesimpulan, antara lain: 1. Pengasutan motor induksi tanpa menggunakan peralatan

pengasutan mengakibatkan jatuh tegangan pada bus, karena arus yang ditarik motor sangat tinggi 5,6 kali dari arus nominal atau sama dengan 2016,73 A, dan torsi pengasutan sebesar 543,43 N.m dengan energi awal start yang terpakai sebesar 16,932 kWh.

2. Pengoperasian motor dengan peralatan pengasutan dapat menurunkan arus awal, tetapi penurunan arus awal juga berdampak pada penurunan torsi dimana jika tegangan diturunkan menggunakan pengasutan Autotrafo dengan tap 50%, didapat arus awal sebesar 1,63 kali arus nominal atau sama dengan 578,32 A. Torsi pengasutan juga mengalami penurunan 54,90 N.m, sedangkan pemakaian energi awal start listrik sebesar 4,932 kWh dengan selisih 12 kW. dari pemakaian energi awal start tanpa pengasutan.

3. Pengasutan motor dengan menggunakan resistor dengan tap 50% untuk energi awal yang terpakai sebesar 9, 695 kWh dengan selisih 7,237 kWh dari pemakaian energi awal tanpa pengasutan, diperoleh arus awal sebesar 3,2 kali arus nominal atau sama dengan 1144,79 A, dan torsi pengasutan juga mengalami penurunan 44,20 N.m.

4. Pengasutan motor dengan menggunakan peralatan reactor dengan tap 50 % diperoleh arus awal yang hampir sama dengan pengasutan menggunakan resistor

yaitu sebesar 3,1 kali arus nominal atau sama dengan 1130,56 A dengan energi awal start yang terpakai sebesar 9,470 kWh dengan selisih 7,462 kWh dari pemakaian energi awal tanpa pengasutan. Sedangkan torsi pengasutan juga mengalami penurunan 42,29 N.m.

5. Pemakaian energi dalam 30 hari dengan pengasutan autotrafo dengan nilai terkecil yaitu sebesar 425299,032 kWh dibandingkan dengan pengasutan Resistor sebesar 425303,795 kWh dan pengasutan Reaktor 425303,57 kWh. Sedangkan tanpa pengasutan sebesar 425311,032 kWh.

6. Dari hasil semua pengasutan dengan menggunakan software ETAP Power Station didapat pengasutan dengan hasil arus yang paling kecil yaitu dengan menggunakan pengasutan autotrafo

7. Pengasutan menggunakan peralatan autotrafo lebih baik dikarenakan di pengasutan tersebut terdapat fasilitas untuk mengatur tegangan, dimana tegangan tersebut bisa diatur secara bertahap (pengaturan secara halus / smooth).

DAFTAR PUSTAKA

[1] Kadir, Abdul. 2003.”Mesin Induksi” Penerbit Djambatan. [2] Zuhal. 1991.”Dasar Tenaga Listrik” Bandung, Penerbit ITB. [3] Ir. Purnomo, Heri. 2005.”Mesin Listrik II” Malang, Jurusan Teknik

Elektro ITN Malang. [4] Dubey, G K. 1995.”Fundamentals of Electrical Drivers”Toppan

Company (S) Pte Ltd.Singapore [5] Paul, C R. Nasar, S A. Unnewehr, L E. 1986.” Introduction to

Electrical Engineering”Mcgraw-Hill. [6] Jimenez, Pedro. and Vera, Luiz. 2006. “Motor Starting Study for

Large Motor”. Case: VALCOR PDVSA Project, Venezuela: IEEE PES Transmission and Distribution Conference and Exposition Latin Amerika.

[7] Achyanto, Djoko. 1997. “Mesin-Mesin Listrik”. Edisi Keempat Penerbit Erlangga.

[8] Theraja, B. L. “Electrical Technology”. Ram Nagar, New Delhi-110055: Publycation Division of Nirja Construction and Development Co.(P) LTD.

[9] Petruzella, Frank D. 2001. “Elektronik Industri”. Yogyakarta: Edisi Bahasa Indonesia Penerbit Andi.

[10] Gupta, B. R. 2001. “Principles of Electrical Engineering”. Ram Nagar, New Delhi-110055: S. Chand and Company LTD.

[11] Laporan Penelitian Ismujianto; Arus starting motor induksi metoda Extrapolasi; Politeknik Negeri Jakarta 2002

[12] Ismujianto,Isdawimah;Buku ajar Mesin Listrik 1&2;Politeknik Negeri Jakarta 2007.

[13] Bill Drury; The Control Technicques Drives and Controls Handbook;IEE 2001

Documents

Analisis Perbandingan Sistem Pengasutan