Upload
ifat-ipeh-fatmawati
View
59
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
ANALISIS KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI DAYA
MOTOR INDUKSI TIGA FASA STANDAR NEMA D
MENGGUNAKAN MODEL KERANGKA REFERENSI
(PROPOSAL SKRIPSI)
diajukan oleh:
Ifat Fatmawati
NIM: 3332090810
KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN
UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA
FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
CILEGON
2013
1. Judul
Analisis Karakteristik dan Efisiensi Daya Motor Induksi Tiga Fasa Standar
NEMA D menggunakan Model Kerangka Referensi.
2. Latar Belakang
Penggerak utama pada sebagian besar industri menggunakan motor
induksi, karena motor induksi memiliki berbagai keunggulan dibanding dengan
motor listrik lainnya, diantaranya karena harganya yang relatif murah,
konstruksinya yang kuat dan sederhana sehingga tidak membutuhkan perawatan
yang banyak, serta karakteristik kerja yang baik yaitu menyediakan effisiensi yang
baik dan putaran yang konstan untuk tiap perubahan beban.
Luasnya penggunaan motor induksi dan kebutuhan operasi membutuhkan
informasi dari model motor induksi tiga fasa tersebut. Pada awalnya, analisa
mengenai unjuk kerja motor induksi secara konvensional menggunakan model
matematik suatu transformator, tetapi model tersebut memiliki beberapa
keterbatasan diantaranya, hanya dapat digunakan untuk parameter beban yang
konstan atau tidak dapat digunakan dalam kondisi transient, tegangan sumber
yang sinusoidal setimbang, dan kondisi steady state.
Dalam kondisi real ditemukan permasalahan tegangan sumber yang tidak
sinusoidal dan terjadinya perubahan beban. Oleh karena itu diperlukan suatu
model motor induksi yang dapat menyelesaikan permasalahan tersebut yaitu
dengan model d-q-n yang memerlukan metode kerangka referensi.
Motor induksi telah distandardisasi menurut karakteristik torsinya dari
NEMA (National Electrical Manufactures Association), seperti desain A, B, C, D,
atau F. Motor induksi dalam aplikasi industri dengan beban tak penuh memiliki
kerugian karena unjuk kerja motor yang menurun seperti faktor daya dan efisiensi,
hal ini juga akan mempengaruhi sistem listrik keseluruhan. Maka pada penelitian
ini digunakan motor desain D NEMA yang dirancang untuk mempunyai torsi start
tinggi dan arus start rendah. Motor-motor tersebut memiliki tahan rotor tinggi dan
bekerja antara 85% dan 95% dan kecepatan sinkron motor-motor tersebut
menggerakan beban kelembaman tinggi yang mengambil waktu relative lama
untuk mencapai kecepatan penuh. Selain itu potensi penghematan energi pada
motor induksi yang berbeban tidak penuh sudah mulai banyak dibicarakan dua
dekade yang lalu.
Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis terhadap karakteristik motor
induksi tiga fasa NEMA D dengan variasi tegangan kerja motor dan variasi nilai
beban untuk mendapatkan efisiensi daya atau penghematan energi, serta
memodelkan motor induksi tersebut dengan model kerangka referensi
menggunakan program MATLAB.
3. Perumusan Masalah
Pada uraian latar belakang yang telah dijelaskan, maka pada penelitian ini
dirumuskan beberapa masalah yang perlu diperhatikan:
1) Bagaimana memodelkan motor induksi tiga fasa NEMA D dengan metode
kerangka referensi menggunakan MATLAB?
2) Bagaimana analisis daya dan efisiensi terhadap karakteristik motor induksi
tiga fasa NEMA D?
4. Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:
1) Mendapatkan model motor induksi tiga fasa NEMA D dalam kerangka
referensi dengan menggunakan MATLAB.
2) Mengetahui analisis daya dan efisiensi terhadap karakteristik motor
induksi tiga fasa NEMA D.
5. Manfaat Penelitian
Manfaat dari penelitian ini adalah:
1) Memberikan solusi model motor induksi tiga fasa NEMA D dengan
tegangan dan beban yang dapat bervariasi.
2) Memberitahukan potensi efisiensi daya pada motor induksi tiga fasa
NEMA D.
6. Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagi berikut:
1) Penelitian ini membahas studi analisis motor induksi tiga fasa NEMA D.
2) Model motor induksi tiga fasa disimulasikan mengggunakan software
MATLAB.
3) Rugi-rugi gesekan, rugi-rugi panas, dan rugi-rugi akibat kejenuhan
magnetis diabaikan.
7. Metodelogi Penelitian
Metode yang digunakan untuk memodelkan motor induksi tiga fasa
NEMA D adalah dengan metode kerangka referensi. Metode kerangka referensi
diperkenalkan pada akhir tahun 1920 oleh R.H. Park. Metode tersebut
mentransformasikan atau mengubah variabel stator ke kerangka referensi yang
tetap dalam rotor (reference frame fixed in rotor). Kemudian potensi penghematan
energi pada motor induksi tiga fasa NEMA D dilakukan dengan analisis daya
input pada beberapa kondisi tegangan dan nilai beban. Secara sederhana kasus ini
dapat dijelaskan melalui diagram alir pada gambar 1.
Gambar 1. Diagram Alir Perencanaan Penelitian
Metode yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari langkah-langkah berikut:
1) Mengumpulkan data
Data yang digunakan pada penelitian ini adalah parameter yang terdapat
pada motor induksi tiga fasa NEMA D. Pada penelitian ini digunakan motor
induksi desain D, motor ini memiliki karakteristik torsi start yang paling tinggi,
arus start dan kecepatan beban penuhnya rendah, nilai slip yang tinggi (5-
13%), sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan
perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Berikut ini grafik
karakteristik torsi-kecepatan motor induksi berdasarkan standar NEMA:
Gambar 2. Grafik Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Induksi Standar NEMA
Untuk mendapatkan parameter yang diperlukan untuk menghitung
performansi dari motor induksi dapat diperoleh dari berbagai pengujian,
diantaranya:
a. Pengujian tanpa beban
Pada pengujian tanpa beban akan diperoleh keterangan berupa
besarnya arus magnetisasi dan reaktansi magnetisasi (Xm), dengan
pengukuran tegangan, arus serta cos θ. Biasanya pengujian tersebut
dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan tiga
fasa dalam keadaan setimbang yang diberikan pada terminal stator.
Pembacaan diperoleh pada tegangan yang diizinkan setelah motor
bekerja cukup lama, agar bagian-bagian yang bergerak mengalami
pelumasan sebagaimana mestinya.
Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Pengujian Tanpa
Beban
b. Pengujian tahanan stator
Pengujian ini akan menentukan besarnya tahanan stator R1
dilakukan dengan test DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada
belitan stator motor induksi. Karena arus yang disuplai adalah arus
DC.maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian
rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam
keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena
itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator.
Gambar 4. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Pengujian Tahanan
Stator
c. Pengujian rotor tertahan (block rotor test)
Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter-parameter
motor induksi, pada pengujian ini rotor dikunci atau ditahan sehingga
tidak berputar. Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai
ke stator dan arus yang mengalir diatur mendekati beban penuh.
Ketika arus telah menunjukan nilai beban penuhnya, maka tegangan,
arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur.
Gambar 5. Pengujian Rotor Tertahan
2) Perancangan simulasi model motor induksi tiga fasa NEMA D
Pada tahapan ini data parameter motor yang didapatkan dari berbagai
pengujian selanjutnya digunakan untuk memodelkan motor untuk simulasi
pada MATLAB. Metode yang digunakan untuk memodelkan motor tersebut
adalah metode kerangka referensi. Pada dasarnya pengaturan vektor
mentransformasikan elemen tiga fasa kerangka acuan tetap (a,b,c) menjadi
elemen dua fasa kerangka acuan tetap (α,β) kemudian menjadi elemen dua fasa
kerangka acuan bergerak (d,q). Tegangan, arus dan flux tiga fasa dari motor
AC dapat dianalisa dengan menggunakan kompleks ruang vektor. Dengan
asumsi bahwa ia, ib, ic adalah arus dari masing-masing fasa pada bagian stator
motor induksi, dengan definisi ī s=ia+αib+α 2ic dimana α=ej 23
π dan α=ej 4
3π
dimana (a, b, c) adalah sistem tiga fasa yang menggambarkan sistem sinusoidal
tiga fasa. Kemudian dari sistem tiga koordinat ditrransformasikan menjadi
sistem time invariant dua koordinat. Berikut kerangka acuan tiga koordinat :
Gambar 6. Kerangka Acuan Tetap Tiga Koordinat
Perubahan sistem tiga fasa menjadi sistem time invariant dua koordinat
dapat dipisahkan menjadi dua langkah:
a. (a, b, c) (α, β) (transformasi clarke)
b. (α, β) (d,q) (transformasi park)
Transformasi Clarke
Ruang vektor dapat dipresentasikan dalam dua sumbu tegak lurus (α, β),
dengan asumsi bahwa sumbu a dan sumbu α memiliki arah vektor yang sama, dari
proyeksi sistem tiga fasa menjadi dua dimensi tegak lurus (α,β) dengan penjelasan
sebagai berikut:
...(1.1)
Gambar 7. Transformasi Clarke
Transfomasi Park
Sedangkan untuk mempresentasikan kerangka acuan tetap (α,β) menjadi
kerangka acuan bergerak (d,q), maka digunakan transformasi Park. Dari proyeksi
sistem dua dimensi tegak lurus (α,β) menjadi sistem dua dimensi bergerak (d,q)
dengan penjelasan sebagai berikut:
...(1.2)
Gambar 7. Transformasi Park
Invers Park transformation
Sedangkan untuk mempresentasikan kerangka acuan bergerak (d,q)
menjadi kerangka acuan bergerak (α,β), maka digunakan transformasi park.
...(1.3)
Transformasi variabel pada rangkaian stasioner dalam kerangka referensi
untuk elemen resistif adalah:
Vqd0s = rsiqd0s ...(1.4)
Sedangkan untuk elemen induktif:
Vqd0s = ωλqds + pλqd0s ...(1.5)
dimana:
(λqds)T = [λds - λqs 0]
Pada pemodelan motor induksi tiga fasa ini terdapat persamaan motor
induksi dalam variabel kerangka referensi, dinyatakan sebagai:
vqs = rsiqs + ωλds + pλds
vds = rsids - ωλds + pλds
v0s = rsi0s + pλ0s ...(1.6)
v’qr = r’ri’qr + (ω – ωr) λ’dr + pλ’qr
v’dr = r’ri’dr + (ω – ωr) λ’qr + pλ’dr
v’0r = r’ri’dr + pλ’0r
dimana fluks gandeng dinyatakan dengan:
λqs = Llsiqs + M(iqs + i’qr)
λds = Llsiqs + M(ids + i’dr)
λ’qr = L’lsi’qr + M(iqs + i’qr) ...(1.7)
λ’dr = L’lri’dr + M(ids + i’dr)
λ’0r = L’iri’0r
Berikut rangkaian ekivalen mesin induksi tiga fasa dalam kerangka referensi:
Gambar 8. Rangkaian Ekivalen Mesin Induksi Tiga Fasa Dalam Kerangka
Referensi
Kemudian apabila induktansi dinyatakan dalam ohm (reaktansinya) maka
persamaan tegangan dan fluks gandeng menjadi
vqs = r siqs+ωωb
ψds+p
ωb
ψqs
vds = r sids+ωωb
ψqs+p
ωb
ψds
v0s = r si0 s+p
ωb
ψ0 s …(1.8)
v’qr = r 'r i 'qr+ω−ωr
ωb
ψ 'dr+p
ωb
ψ ' qr
v’dr = r 'r i 'dr−ω−ωr
ωb
ψ ' qr+p
ωb
ψ 'dr
v’0r = r 'r i '0 r+p
ωb
ψ ' 0 r
Dimana ωb adalah kecepatan sudut listrik dasar, maka fluks gandeng menjadi:
Ψqs = Xlsiqs + XM(iqs + i’qr)
Ψds = Xlsids + XM(ids + i’dr)
Ψ0s = Xlsi0s ...(1.9)
Ψ’qr = X’lri’qr + XM(iqs + i’qr)
Ψ’dr = X’lri’dr + XM(ids + i’dr)
Ψ’0r = X’lri’0r
Energi tersimpan dalam medan kopling motor induksi dinyatakan dengan:
Wf = 12
(iabc)T (Ls – LlsI)iabcs + (iabcs)T L’sr i’abcr + = 12
(i’abcr)T(L’r – L’lrI)iabcr
I adalah matrik identitas.
Perubahan energi mekanik dalam sistem yang berputar dirumuskan
sebagai:
dWM = -Tedϴrm
dimana Te adalah torsi elektromagnetik dan ϴrm adalah besarnya sudut pergeseran
rotor.
Selanjutnya persamaan torsi dalam variabel kerangka referensi dinyatakan
dengan:
Te = ( 32 )( p
2 )( 1ωb
) (Ψ qr' idr
' −Ψ qr' iqr
' ) ...(1.10)
Hubungan antara torsi dan kecepatan diberikan oleh persamaan:
Te = Jd ωm
dt+Bm ωm+T L …(1.11)
dimana ωm adalah kecepatan sudut mekanis rotor dan untuk mesin dengan p
kutub:
ωm=2p
ωr
Sehingga:
Te = Jd ωm
dt+Bm ωm+T L
dimana: Te = torsi elektromagnetik (N.m)
J = momen inersia rotor (kg.m2)
ωr = kecepatan sudut listrik dari rotor (rad.detik)
Bm = koefisien gesekan (N.m.det/rad)
TL = torsi beban (N.m)
Dari persamaan (1.9) maka didapatkan arus:
iqs=1
X is(Ψ qs−Ψ mq )
ids=1
X is
(Ψ ds−Ψ md)
i0 s=1
X is
Ψ 0 s ...(1.12)
i ' qr=1
X 'ir
(Ψ ' qr−Ψ mq)
i ' dr=1
X 'ir
(Ψ ' dr−Ψ md)
i ' 0 r=1
X ' ir
Ψ ' 0 r
dimana:
Ψmq = XM (iqs + i’qr)
Ψmd = XM (ids + i’dr) ...(1.13)
Kemudian dari substitusi persamaan (1.12) dalam persamaan (1.8) fluks gandeng
dapat dinyatakan sebagai:
d ψ qs
dt=ωb ¿
d ψ ds
dt=ωb ¿
d ψ0 s
dt=ωb(v0 s−
r s
X ls
ψ 0 s)d ψ ' qr
dt=ωb ¿
d ψ ' dr
dt=ωb ¿
d ψ ' 0r
dt=ωb(v '0 r−
r ' r
X ' lr
ψ '0 r)Persamaan (1.13) sekarang dinyatakan:
Ψmq = X aq(ψqs
ψ ls
−ψ ' qr
ψ ' lr)
Ψmd = X ad(ψds
ψ ls
−ψ 'dr
ψ 'lr ) ...(1.14)
dimana:
Xaq = Xad
= ( 1Xm
+1X ls
+1
X 'lr )-1 ...
(1.15)
Persamaan untuk torsi elektromagnetik mengacu pada persamaan (1.10), yaitu:
Te = ( 32 )( p
2 )( 1ωb
) (Ψ qr' idr
' −Ψ qr' iqr
' )…(1.16)
Kecepatan sudut listrik motor dirumuskan dari persamaan (1.11), sebagai:
dωr
dt= p
2 J(T e−T L )−
Bm
Jωr …(1.17)
Kemudian untuk menyelesaiakan persamaan diferensial dalam analisis
motor induksi ini digunakan metode Runge-Kutta Felhberg. Rumus iterasi untuk
metode Runge-Kutta Fehlberg adalah:
y i+1= y i+( 25216
k1+14082665
k3+21974104
k 4−15
k 5)h… (1.18 )
dimana:
k1 = f(xi, yi)
k2 = f (x i+14
h, y i+14
hk1)k3 = f (x i+
38
h, y i+3
32hk1+
932
hk2)k4 = f (x i+
1213
h, y i+19322197
hk 1+72002197
hk2+72962197
hk3)k4 = f (x i+h, y i+
439216
hk1−8 hk2+3680513
hk 3−845
4104hk4)
k5 = f (x i+12
h,
y i−8
27hk1+2 hk2+
35442565
hk3−18594104
hk4−1140
hk5)Perkiraan kesalahan (error estimate) dirumuskan dengan:
Ea=( 1360
k1+128
4275k3+
219775240
k4−1
50k5+
255
k 6)h …(1.19)
Setelah didapatkan parameter dari motor, maka data hasil perhitungan tersebut
disimpan dan didapatkan pemodelan motor induksi tiga fasa serta
karakteristiknya.
3) Analisis karakteristik motor terhadap daya
Pada tahapan ini akan dianalisis perhitungan daya masukan yang
didapatkan dari variasi nilai tegangan dan beban pada torsi yang konstan
menggunakan karakteristik motor induksi torque-slip. Perhitungan dianalisis
dari tiap keadaan tegangan, beban, torsi dan akan didapatkan nilai slipnya,
sehingga daya masukan dapat dihitung dengan persamaan:
P = T x ω ...(1.20)
dimana:
T = torsi
ω = (ωsync – s.ωsync) ...(1.21)
Kemudian akan dihitung
Pout = s.Pin
Efisiensi = PoutPin
x100% ...
(1.22)
%hemat = Pin−Pout
Pinx100 % ...
(1.23)
Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan akan diperoleh analisis
karakteristik tegangan kerja dan nilai beban terhadap efisiensi daya, serta
kecepatan motor induksi. Kemudian dapat ditentukan nilai tegangan kerja, nilai
beban, serta nilai torsi yang terbaik untuk menghasilkan daya yang paling
efisien.
4) Pengujian hasil simulasi
Pada tahapan ini dilihat respon dari karakteristik motor yang telah
dirancang simulasi modelnya dengan menggunakan software Simulink Toolbox
MATLAB. Hal ini dilakukan untuk menunjukan apakah simulasi dapat
digunakan dan benar. Parameter untuk mengetahui respon dari sistem yang
telah dirancang adalah apakah model motor induksi dapat digunakan dengan
variasi tegangan kerja dan nilai beban lalu diuji hasil dari analisis karakteristik
motor induksi terhadap efisiensi dayanya.
8. Daftar Pustaka
1. Adisuryo, Soekardi, “Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan
Constructive Backpropagation” Jurusan Teknik Elektro ITS, 2011.
Tersedia dari:
http://power-system.ee.its.ac.id/research/graduate/pemodelan-motor-
induksi-tiga-fasa-meggunakan-constructive-backpropagation.html [URL
dikunjungi pada 27 februari 2013 pada pukul 22:21]
2. Ali anang lubis, Muh., Gigih, Prabowo., Arman, Jaya., dan Era, Purwanto,
“Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa dengan Teknik Artificial
Intelegent Berbasis Vektor Kontrol” Politeknik Elektronika Surabaya ITS,
Surabaya.
3. A. Siregar, Henry, “Pengaruh Tegangan Tidak Seimbang Terhadap Torsi
dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa” Jurusan Teknik Elektro Fakultas
Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan, 2008.
4. Chapman Stephen J, 1985, “Electric Machinery Fundamentals”,
International Edition, Electrical Engineering Series, Mc Graw-Hill
International Edition, Singapore.
5. “Control of Motor Characteristic by Squirrel-Cage Rotor Design”
Tersedia dari:
http://www.mhhe.com/engcs/electrical/chapman/fundamentals/
ind_motor.pdf [URL dikunjungi pada 23 Februari 2013 pada pukul 15:56]
6. Finayani, Yaya dan Muhammad, Alhan. “Analisis Karakteristik Motor
Induksi 3 Fase NEMA D Untuk Melakukan Penghematan Energi” Jurusan
Teknik Elektro Politeknik Pratama Mulia, Surakarta, 2011.
7. Heru Purnomo, Isnanto. “Analisis Motor Induksi 3 Fasa Dengan Metode
Kerangka Referensi” Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas
Diponegoro, Semarang, 2011.
8. Http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-8668-2205100054-
Chapter1.pdf [URL dikunjungi pada 27 Februari 2013 pada pukul 22:13]
9. Http://kurniawanpramana.wordpress.com/2012/06/27/transformasi-clarke-
dan-transformasi-park/ [URL dikunjungi pada 27 Februari 2013 pada
pukul 21:29]
10. Http://www.engineeringtoolbox.com/nema-a-b-c-d-design-d_650.html
[URL dikunjungi pada 23 Februari 2013 pada pukul 00:13]
11. Prasetyo, Eko. “Analisis Pengaruh Jatuh Tegangan Jala-jala Terhadap
Unjuk Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai” Jurusan
Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan,
2009.
12. “Torque Characteristics of NEMA Design A, B, C, D & E Motors”
Tersedia dari: http://www.landbelectric.com/ [URL dikunjungi pada 23
Februari 2013 pada pukul 00:15]
13. Wijaya Mochtar, 2001, “Dasar-dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta
14. Y. Yanawati , I. Daut , S. Nor Shafiqin , I. Pungut , M. N. Syatirah , N.
Gomesh , A. R. Siti Rafidah , N. Haidar, “Efficiency Increment on 0.35
mm and 0.50 mm Thicknesses of Non-oriented Steel Sheets for 0.5 Hp
Induction Motor” International Journal of Materials Engineering, 2012.
Tersedia dari: http://article.sapub.org/10.5923.j.ijme.20120202.01.html
[URL dikunjungi pada 05 Maret 2013 pada pukul 17:10]