penentuan parameter dan arus asut motor induksi tiga fasa

39

Jurnal ELKHA Vol.3, No.2, Juli 2011

Penentuan Parameter dan Arus AsutMotor Induksi Tiga Fasa

Yandri

Laboratorium Konversi EnergiJurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Tanjungpura

e-mail : [email protected]

Abstrak– Tulisan ini membahas tentang penentuanparamater motor induksi tiga fasa berdasarkan datapercobaan/pengujian yang mencakup percobaan tanpabeban, percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC.Selain itu juga dilakukan perhitungan arus asut. Sampeldata yang diambil berupa 2 (dua) buah motor denganspesifikasi yang berbeda, yakni motor 7,5 hp dan motor25 hp. Proses perhitungannya dilakukan denganmenggunakan program MATLAB. Untuk motor 7,5 hpmemiliki parameter = 0,2429 Ω , = 0,6706 Ω ,= 0,1511 Ω , = 0,6706 Ω , = 14,0281 Ω ,dan = 87,9063 . Sedangkan untuk motor 25 hpmemiliki parameter = 0,1055 Ω , = 0,2112 Ω ,= 0,0708 Ω , = 0,3167 Ω , = 5,2474 Ω , dan= 223,3343 . Untuk motor 7,5 hp dapat diasutsecara langsung, namun lebih baik jika digunakanpengasut bintang-segitiga. Sedangkan untuk motor25 hp dapat menggunakan pengasut ototransformator.

Kata kunci– parameter motor, arus asut, motor induksi

1. Pendahuluan

Pada hakekatnya tiap motor induksi memilikikarakteristik torka-kecepatan yang berbeda-beda.Dengan diketahuinya karakteristik suatu motor makapemilihan motor untuk penggerak beban dapatdilakukan secara tepat. Namun, karakteristik tersebuthanya dapat diketahui jika parameter motor yangbersangkutan juga diketahui. Parameter tersebutmencakup tahanan stator, reaktansi bocor stator, tahananrotor, reaktansi bocor rotor, reaktansi magnetisasi, dantahanan inti besi. Nilai parameter tersebut tidak akanditemukan pada pelat nama (name plate) sebuah motor.Untuk mengetahuinya perlu dilakukan pengujian padamotor tersebut yang mencakup percobaan tanpa beban,percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC.

Biasanya sebuah motor dapat menarik arus sekitar5 hingga 7 kali dari arus nominal selama pengasutan.Apabila torka beban selama pengasutan dan inersiabeban motor tidak besar, proses pengasutan hanyamembutuhkan waktu yang singkat, dengan demikiantemperatur motor tidak melebihi batas yang diijinkan.Dalam aplikasi tersebut motor dapat diasut langsung kejala-jala dan ini biasanya diperuntukkan untuk motor-motor berukuran kecil dan tidak demikian halnya untukmotor-motor besar. Apabila torka beban selamapengasutan tinggi atau inersia bebannya yang tinggi,maka proses pengasutan akan membutuhkan waktu yang

cukup lama. Jika motor menarik arus yang besar selamapengasutan, maka akan mengakibatkan kerusakan padamotor akibat pemanasan lebih. Arus asut yang tinggijuga dapat mengakibatkan terjadinya drop teganganyang besar pada jaringan. Dengan demikian metodepengasutan secara tepat perlu diterapkan untuk motorberkapasitas besar guna mengurangi arus asut dan droptegangan.

Untuk motor induksi rotor belitan, pengasutan dapatdilakukan pada arus yang rendah dengan caramenyisipkan tahanan luar pada rangkaian rotor selamapengasutan. Tahanan luar ini tidak hanya memperbesartorka asut tetapi juga dapat mengurangi arus asut.

Untuk motor induksi rotor sangkar, arus asut dapatbervariasi dengan rentang yang lebar, tergantung padadaya nominal motor dan tahanan rotor pada kondisipengasutan. Sedangkan metode pengasutan yang dapatdilakukan dapat berupa pengasut bintang-segitiga /Y − Δ (star-delta starter), pengasut ototransformator(autotransformer starter), pengasut tahanan primer(primary resistor starter), pengasut reaktor (reactorstarter), pengasut lilitan terpisah (part winding starter),atau pengasut solid state (solid state starter).

2. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Gbr.1(a) memperlihatkan rangkaian ekivalen perfasa dari motor induksi, sedangkan gbr.1(b) merupakanrangkaian ekivalen alternatif.

(a)

(b)

Gambar 1. Rangkaian ekivalen motor induksi

40


Keterangan gbr :

1R tahanan stator

1X reaktansi bocor stator

2R tahanan rotor mengacu ke stator

2X reaktansi bocor rotor mengacu ke stator

cR tahanan inti besi

MX reaktansi magnetisasi

1I arus stator

2I arus rotor mengacu ke stator

V tegangan sumber

1E tegangan induksi stator

3. Penentuan Parameter Motor Induksi

Percobaan Tanpa Beban

Percobaan/pengujian tanpa beban (no-load test)ditujukan untuk mengukur besarnya rugi-rugi putaranmotor serta memberikan informasi tentang arusmagnetisasi. Rangkaian untuk percobaan inidiperlihatkan pada gbr. 2(a).

Gambar 2. Percobaan tanpa beban motor induksi :(a) Rangkaian percobaan

(b) Rangkaian ekivalen yang diperoleh

Pada percobaan ini, dua wattmeter, satu voltmeter, dantiga amperemeter terhubung ke motor induksi. Selamacatu daya dihubungkan maka motor akan berputar. Padakondisi ini yang hanya merupakan beban motor adalahrugi-rugi gesek dan angin ( & ), sehingga seluruh dayalistrik yang dikonversikan ( ) diserap sebagai rugi-rugi mekanik, dan slip motor bernilai sangat kecil(kemungkinan sekitar 0,001 atau kurang). Rangkaian

ekivalen motor ini diperlihatkan pada gbr 2(b). Dengannilai slip yang sangat kecil, nilai (1 − )/ jauh lebihbesar dibandingkan serta jauh lebih besardibandingkan . Pada kasus ini, rangkaian ekivalensecara pendekatan dapat diubah menjadi rangkaian akhirseperti terlihat pada gbr 2(b). Pada gambar, terlihatbahwa tahanan output terhubung paralel denganreaktansi magnetisasi dan rugi-rugi inti .

Pada kondisi tanpa beban ini, daya masuk diukurdengan alat-alat ukur yang nilainya harusnya samadengan rugi-rugi pada motor. Rugi-rugi tembaga rotordapat diabaikan karena arus bernilai sangat kecilsekali [hal ini dikarenakan tahanan beban (1 − )/yang sangat besar]. Rugi-rugi tembaga stator dalam halini adalah : = (1)sehingga daya masuk adalah := + + & += 3 + (2)dimana merupakan rugi-rugi putaran dari motor := + & + (3)Jadi, dengan memberikan daya masuk ke motor makarugi-rugi putaran mesin dapat ditentukan.

Rangkaian ekivalen yang melukiskan operasi motorpada kondisi ini mengandung tahanan dan(1 − )/ yang terhubung paralel dengan reaktansimagnetisasi . Arus yang dibutuhkan untukmenghasilkan medan magnet bernilai sangat besar padamotor induksi, hal ini dikarenakan tingginya nilaireluktansi dari celah udara, sehingga reaktansi akanbernilai jauh lebih kecil dibandingkan dengan nilaitahanan yang paralel dengannya. Dengan arus laggingyang besar, sebagian besar jatuh tegangan (voltage drop)akan terjadi pada komponen-komponen induktifrangkaian. Dengan demikian impedansi input ekivalensecara pendekatan adalah := , ≈ + (4)dan jika dengan cara lain dapat ditentukan, makareaktansi magnetisasi juga akan dapat diketahui.

Percobaan DC Untuk Penentuan Tahanan Stator

Tahanan rotor memainkan peranan yang sangatkritis pada operasi motor induksi. Diantaranya adalah,

menentukan bentuk kurva torka-kecepatan,menentukan juga kecepatan dimana terjadinya torkamaksimum. Percobaan motor standar yang dinamakandengan percobaan rotor ditahan dapat digunakan untukmenentukan tahanan total motor (percobaan ini akandijelaskan pada sub bab berikutnya). Walaupundemikian, percobaan ini hanya ditujukan untukmenentukan besarnya tahanan total. Untuk menentukan

secara akurat, perlu kiranya untuk mengetahuibesarnya sehingga dapat diperoleh dengan caramengurangkan tahanan total dengan tahanan .

Ada suatu percobaan untuk menentukan yangnilainya tidak tergantung dari , , dan . Percobaan

41


ini dinamakan dengan Pengujian / Percobaan DC(DC Test). Ini dilakukan dengan menghubungkan belitanstator motor induksi dengan tegangan DC. Karenaarusnya adalah arus DC, maka tidak ada tegangan yangdiinduksikan pada rangkaian rotor, dengan demikiantidak ada arus yang mengalir pada rotor. Disamping itu,pada arus DC, reaktansi motor bernilai nol. Dengandemikian, satu-satunya arus yang membatasi motoradalah tahanan stator dan karena itu besarnya tahanandapat ditentukan.

Rangkaian dasar untuk percobaan DC inidiperlihatkan pada gbr. 3.

Gambar 3. Rangkaian percobaan untuk pengujian tahanan DC

Gambar ini memperlihatkan catu daya DC yangdihubungkan pada dua dari tiga terminal motor induksiyang terhubung Y. Untuk melakukan pengujian ini,arus pada belitan stator diatur pada nilai nominal, dantegangan antar terminal diukur. Arus pada belitan statordiatur ke nilai nominal sebagai upaya untukmemanaskan belitan pada suhu yang sama dimanabelitan beroperasi selama kondisi normalnya (ingat,tahanan belitan merupakan fungsi dari suhu).

Arus pada gbr. 3 mengalir melalui dua belitan,sehingga tahanan total pada lintasan arus adalah 2 .Oleh karena itu, 2 =atau, = 2 (5)

Dengan nilai ini maka rugi-rugi tembaga statorpada kondisi tanpa beban dapat ditentukan, dan rugi-rugiputaran dapat diperoleh dengan cara mengurangkandaya masuk ( ) pada kondisi tanpa beban denganrugi-rugi tembaga stator ( ).

Percobaan Rotor Ditahan

Percobaan ketiga yang dapat dilakukan pada motorinduksi guna menentukan parameter rangkaiannyadinamakan dengan percobaan rotor ditahan (blocked-rotor test / locked-rotor test). Pada percobaan ini, rotorditahan sehingga tidak dapat berputar, tegangan sumberdihubungkan ke motor, selanjutnya ukur tegangan, arus,dan daya yang dihasilkan.

Gambar 4 menunjukkan pengawatan untukpercobaan rotor ditahan. Untuk melakukan percobaanrotor ditahan ini, tegangan AC dihubungkan ke stator,dan arus yang mengalir diatur mendekati nilai bebanpenuh. Apabila arus pada kondisi nilai beban penuh,selanjutnya ukur tegangan, arus, dan daya yang mengalirke motor. Rangkaian ekivalen untuk percobaan ini

diperlihatkan pada gbr. 4(b). Perhatikan bahwa,dikarenakan rotor tidak bergerak, slip = 1, dandengan demikian / justru sama dengan (nilainyasangat kecil). Karena kecilnya nilai dan makahampir seluruh arus input akan mengalir melaluinya,dibandingkan dengan arus yang mengalir melalui

yang nilainya jauh lebih besar. Oleh karena itu,rangkaian pada kondisi ini terlihat seperti kombinasi seridari , , , dan .

Bagaimanapun juga terdapat suatu masalah denganpercobaan ini. Pada operasi normalnya, frekuensi statormerupakan frekuensi jala-jala dari sistem tenaga(50 atau 60 Hz). Pada kondisi asut, frekuensi rotor jugasama dengan frekuensi jala-jala. Akan tetapi, padakondisi operasi normalnya, slip sebagian besar motorhanya bernilai 2 - 4 %, dan frekuensi rotor yangdihasilkan berada pada rentang 1 - 3 Hz. Ini akanmenimbulkan suatu masalah karena frekuensi jala-jalatidak merepresentasikan kondisi operasi normal darirotor. Untuk mengatasi hal ini biasanya diambil nilaikompromi, yakni dengan menggunakan frekuensisebesar 25 % atau kurang dari frekuensi nominalnya.

Gambar 4. Percobaan rotor ditahan untuk motor induksi :(a) Rangkaian percobaan, (b) Rangkaian ekivalen motor

Setelah catu daya dihubungkan ke motor, secepatnyaatur besarnya arus yang mengalir ke motor kira-kirapada nilai nominalnya, kemudian ukur daya masuk,tegangan, dan arus sebelum rotor mengalami banyakpemanasan. Daya masuk ke motor diberikan melaluipersamaan berikut := √3 cosjadi faktor daya rotor ditahan dapat diperoleh melaluipersamaan berikut :PF = cos = √3 (6)

Besarnya impedansi total pada rangkaian motor padakondisi ini adalah :| | = = √3 (7)

42


dan sudut impedansi totalnya adalah . Dengandemikian, = += | | cos + | | sin (8)Tahanan rotor ditahan sama dengan := + (9)sedangkan reaktansi rotor ditahan sama dengan := + (10)dimana dan berturut-turut adalah reaktansistator dan rotor pada frekuensi pengujian / percobaan.

Tahanan rotor sekarang dapat diperoleh melaluipersamaan berikut := − (11)dimana 1 ditentukan melalui percobaan DC. Reaktansitotal rotor yang mengacu ke stator juga dapat diperoleh.Karena reaktansi berbanding lurus dengan frekuensimaka reaktansi total ekivalen pada frekuensi operasinormalnya dapat diperoleh sebagai berikut := = + (12)Sayangnya, tidak ada cara yang sederhana untukmemisahkan kontribusi reaktansi stator dan rotor satudengan lainnya. Selama bertahun-tahun, pengalamantelah menunjukkan bahwa motor-motor dengan tipedesain tertentu memiliki perbandingan tertentu antarareaktansi stator dan rotornya. Hasil pengalaman tersebutdirangkum pada tabel 1.

Tabel 1. Cara/metode berdasarkan pengalaman dan praktek(rule of thumb) untuk menentukan besarnya

reaktansi stator dan rotor

Desain Rotordan

sebagai fungsi dari

Rotor belitan 0,5 0,5Desain A 0,5 0,5Desain B 0,4 0,6Desain C 0,3 0,7Desain D 0,5 0,5

4. Persamaan Arus Asut Motor Induksi

Slip ( ) pada kondisi pengasutan adalah satu.Dengan demikian berdasarkan gbr. 1(b) besarnya arusasut dapat ditentukan dengan menggunakan persamaanberikut : = √3 = (13)dimana,= + + ( + )+ ( + ) (14)

menyatakan tegangan antar fasa, sedangkanadalah tegangan fasa-netral.

5. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini berupapengumpulan data dua spesifikasi motor induksi dandisertai dengan data hasil percobaan tanpa beban,percobaan rotor ditahan, dan percobaan DC. Selanjutnyadengan menggunakan program MATLAB dihitungbesarnya parameter dan arus asut motor induksi. Adapundata motornya adalah sebagai berikut :

a) Motor induksi 3 fasa, 7,5 hp, 208 V, 60 Hz, 4 kutub,desain A, hubungan Y dengan data hasil percobaan :

Tanpa beban = 208 V ; 8,17 A ; 420 W ; 60 HzRotor ditahan = 25 V ; 27,9 A ; 920 W ; 15 HzPercobaan DC = 13,6 V ; 28 A

b) Motor induksi 3 fasa, 25 hp, 208 V, 60 Hz, 6 kutub,desain B, hubungan Y dengan data hasil percobaan :

Tanpa beban = 208 V ; 22 A ; 1200 W ; 60 HzRotor ditahan = 24,6 V ; 64,5 A ; 2200 W ; 15 HzPercobaan DC = 13,5 V ; 64 A

6. Hasil dan Pembahasan

Berikut adalah M-file untuk simulasi motor induksi tigafasa.

% =============================================% SIMULASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA% =============================================% Penentuan Parameter Motor berdasarkan% Data Percobaan (Percobaan Tanpa Beban,% Rotor Ditahan, dan Percobaan DC) serta% Perhitungan Arus Asut utk 2 Buah Motor% =============================================

V_nl=[208 208] % tegangan tanpa beban (volt)I_nl=[8.17 22] % arus tanpa beban (ampere)P_nl=[420 1200]% daya tanpa beban (watt)f_nl=[60 60] % frekuensi tanpa beban (hertz)V_lr=[25 24.6] % tegangan rotor ditahan (volt)I_lr=[27.9 64.5] % arus rotor ditahan (ampere)P_lr=[920 2200] % daya rotor ditahan (watt)f_lr=[15 15] % frekuensi rotor ditahan (hertz)Vdc=[13.6 13.5] % tegangan percobaan DC (volt)Idc=[28 64] % arus percobaan DC (ampere)

R1=Vdc./(2*Idc) % tahanan stator (ohm)Vph_nl=V_nl/sqrt(3)Z_nl=Vph_nl./I_nlVph_lr=V_lr/sqrt(3)Z_lr=Vph_lr./I_lr

cos_lr=P_lr./(sqrt(3).*V_lr.*I_lr)theta_lr=acos(cos_lr)degree_theta_lr=theta_lr*180/pi

R_lr=Z_lr.*cos(theta_lr)R2=R_lr-R1 % tahanan rotor mengacu ke stator(ohm)X_lr_aks=Z_lr.*sin(theta_lr) % reaktansi rotorditahan pada frekuensi 15 Hz (ohm)X_lr=X_lr_aks.*(f_nl/f_lr) % reaktansi rotorditahan pada frekuensi 60 Hz (ohm)

X1=[0.5*X_lr(1) 0.4*X_lr(2)] % reaktansi bocorstator (ohm)X2=[0.5*X_lr(1) 0.6*X_lr(2)] % reaktansi bocorrotor mengacu ke stator (ohm)Xm=Z_nl-X1 % reaktansi magnetisasi (ohm)

43


Vll=V_nlVph=Vll/sqrt(3)Zf=j*Xm.*(R2+j.*X2)./(R2+j.*(X2+Xm))Zin_start=R1+j*X1+Zf

I_start=Vph./Zin_startmag_I_start=abs(I_start) % arus asut (ampere)

disp('----------------------------------------------------------------------------')disp(' Besaran Motor A

Motor B')disp('----------------------------------------------------------------------------')disp(['Tahanan stator (ohm)

'num2str(R1(1,1)) ''num2str(R1(1,2))])

disp(['Reaktansi bocor stator (ohm)'num2str(X1(1,1)) ''num2str(X1(1,2))])

disp(['Tahanan rotor mengacu ke stator (ohm)'num2str(R2(1,1))' 'num2str(R2(1,2))])

disp(['Reaktansi bocor rotor mengacu ke stator(ohm) 'num2str(X2(1,1)) '

'num2str(X2(1,2))])disp(['Reaktansi magnetisasi (ohm)

'num2str(Xm(1,1)) ''num2str(Xm(1,2))])

disp(['Arus asut (A)'num2str(mag_I_start(1,1))''num2str(mag_I_start(1,2))])

disp('----------------------------------------------------------------------------')

Eksekusi dari M-file tersebut di atas akan menghasilkanbesaran-besaran motor dalam bentuk parameter motorinduksi dan arus asut yang ditunjukkan pada Tabel 2.

Tabel 2. Parameter dan arus asut motor induksi tiga fasauntuk 2 (dua) buah motor

-------------------------------------------------------------------------------------Besaran Motor A Motor B

-------------------------------------------------------------------------------------Tahanan stator (ohm) 0.2429 0.1055Reaktansi bocor stator (ohm) 0.6706 0.2112Tahanan rotor mengacu ke stator (ohm) 0.1511 0.0708Reaktansi bocor rotor – 0.6706 0.3167mengacu ke stator (ohm)Reaktansi magnetisasi (ohm) 14.0281 5.2474Arus asut (A) 87.9063 223.3343-------------------------------------------------------------------------------------

Dari parameter yang diperoleh berdasarkan hasilpercobaan (percobaan tanpa beban, percobaan rotorditahan, dan percobaan DC), dengan demikian dapatdigambarkan rangkaian ekivalen untuk masing-masingmotor seperti tampak pada gbr. 5 dan gbr. 6.

Gambar 5. Rangkaian ekivalen motor A (7,5 hp)

Gambar 6. Rangkaian ekivalen motor B (25 hp)

Dengan adanya rangkaian ekivalen tersebut di atasmaka karakteristik/kurva torka-kecepatan dan arus asutuntuk tiap-tiap motor dapat diketahui.

Berdasarkan tabel 2 dapat dilihat bahwa arus asutmotor B lebih besar dibandingkan motor A. Jika dikajidari pers. 13, besarnya arus asut tergantung padategangan sumber dan impedansi input (impedansi total).Arus asut berbanding lurus dengan tegangan sumber danberbanding terbalik dengan impedansi. Untuk tegangansumber yang besarnya sama, maka besar kecilnya arusasut semata-mata hanya dipengaruhi oleh besarnyaimpedansi. Dikarenakan impedansi total motor B lebihkecil daripada motor A, dengan demikian arus asutmotor B akan lebih besar daripada motor A.

7. Kesimpulan

Penentuan parameter motor perlu dilakukan agardapat diketahui karakteristik torka-kecepatan danbesarnya arus asut.

Untuk motor induksi 7,5 hp memiliki parameter= 0,2429 Ω , = 0,6706 Ω , = 0,1511 Ω ,= 0,6706 Ω , = 14,0281 Ω , dan= 87,9063 . Sedangkan untuk motor 25 hpmemiliki parameter = 0,1055 Ω , = 0,2112 Ω ,= 0,0708 Ω , = 0,3167 Ω , = 5,2474 Ω , dan= 223,3343 .

Motor berkapasitas besar akan memiliki arus asutyang lebih besar dibandingkan motor berkapasitas kecil.

Sistem pengasutan untuk motor 7,5 hp dapat berupapengasutan langsung, namun lebih baik jika digunakanpengasut bintang-segitiga. Sedangkan untuk motor 25 hpdapat menggunakan pengasut ototransformator.

Nilai tahanan stator ( ) yang diperoleh dari hasilpercobaan DC tidaklah begitu akurat karenamengabaikan efek kulit yang terjadi apabila teganganAC dihubungkan ke belitan. Namun pendekatan denganmetode ini sudah dianggap cukup memadai. Metodedengan hasil akurat yang mengikutsertakan koreksiterhadap temperatur dan efek kulit dapat merujuk padaIEEE Standard 112.

44


Referensi

[1] Biran, A., M. Breiner. MATLAB 6 for Engineers. PrenticeHall, Great Britain, 2002.

[2] Chomat, M. Electric Machines and Drives. InTechPublisher, Croatia, 2011.

[3] Hanselman, D., B. Littlefield, Alih Bahasa: Jozep Edyanto.MATLAB-Bahasa Komputasi Teknis. Penerbit ANDI,Yogyakarta, 2000.

[4] Nagrath, I.J., D.P. Kothari. Electric Machines. McGraw-Hill, New Delhi, 1999.

[5] Petruzella, F.D, Alih Bahasa : Sumanto. ElektronikIndustri. Penerbit ANDI, Yogyakarta, 2001.

[6] Seung-Ki Sul. Control of Electric Machine Drive Systems.John Wiley and Sons, Inc., New Jersey, 2011.

[7] Wildi, T. Electrical Machines, Drives, and Power Systems,Sixth Edition, Prentice Hall, New Jersey, 2006.

Biografi

Yandri lahir di Singkawang pada tanggal29 Maret 1969. Gelar S1 diperoleh dari UniversitasTanjungpura (UNTAN), Pontianak, pada tahun 1994.Sedangkan Gelar S2 diperoleh dari Institut TeknologiBandung (ITB) pada tahun 2005. Sejak tahun 1999hingga sekarang menjadi staf pengajar pada JurusanTeknik Elektro, Fakultas Teknik, UNTAN, Pontianak.Bidang riset yang diminati mencakup Mesin-MesinListrik dan Pembangkit Listrik Non Konvensional.

45


penentuan parameter dan arus asut motor induksi tiga fasa

Documents