Simulasi dan Deteksi Hubung Singkat Impedansi Tinggi pada Stator Motor Induksi Menggunakan Arus Urutan Negatif

Muhammad Amirul Arif

2209100040 .

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industr

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Dosen Pembimbing :

1. Dimas Anton Asfani, ST., MT., Ph. D.

2. I G. N. Satriyadi Hernanda, ST., MT.

1

Presentasi ini berisi 1. Pendahuluan 2. Tujuan 3. Metodologi 4. Batasan masalah 5. Pemodelan yang digunakan 6. Simulasi dan analisa 7. Kesimpulan 8. Saran

2

PENDAHULUAN

36% ganggunan pada motor

induksi terjadi pada stator,

hal ini bisa disebabkan karena

hubung singkat pada belitan

stator.

Konstruksi Motor Induksi 3

Fasa yang Terhubung Singkat:

3

TUJUAN

Mendeteksi gangguan hubung singkat pada belitan stator motor induksi secara dini.

Mengetahui pemodelan yang tepat dan dapat mensimulasikan motor induksi tiga fasa yang tidak seimbang dengan menganalisa arus urutan negatif, positif, dan nol pada motor induksi tersebut.

Membandingkan arus mana yang paling baik mendeteksi kondisi hubung singkat pada belitan motor induksi.

4

METODOLOGI

Pengambilan data motor

Mulai

Menentukan parameter yang digunakan untuk pengujian untuk

Analisa data hasil simulasi

Simulasi dan pengumpulan data

Kesimpulan

Penulisan buku Tugas Akhir 5

1. Kondisi awal sumber tiga fasa diasumsikan seimbang. 2. Jenis simulasi adalah

A. Hubung singkat antar belitan stator (shorted turns). B. Hubung singkat antar belitan di stator (shorted turn)

dengan variasi impedansi C. Kondisi sumber pada stator motor tidak seimbang D. Kondisi belitan stator pada motor tidak seimbang E. Motor induksi diberi beban pada rotor

3. Fasa yang mengalami gangguan dan hubung singkat belitan adalah fasa A

4. Deteksi gangguan saat motor dalam operasi steady state

BATASAN MASALAH

6

PERMODELAN MOTOR INDUKSI TIGA FASA

7

Permodelan Ideal Motor Induksi 3 Fasa

as axis

+

.

+

+

+

+

+

-br

cr

-ar

br

-cr

ar

as

-as

cs

-cs

bs

-bsθr

ωr

M. Arkan, D. Kostic-Perovic, P. J. Unsworth, “Modelling and Simulation of Induction Motors with Inter-turn Faults for Diagnostic”, Elsevier, 2005. 8

9

Pemodelan dua fasa yang digunakan adalah qd0 stationary reference frame

Pemodelan dua fasa yang digunakan adalah qd0 stationary reference frame. Dimana pada qd0 stationary reference frame dimana .

[ ] (6)

21

21

21

32sin

32sinsin

32cos

32coscos

32)(

πθ πθ

πθ πθ

qdo

+

−

+

−

=θT 0== θω[ ]

21

21

21

23

230

21

211

32)(

−

−−

=

qdo θT

0==θω

Model motor induksi yang yang dihubung singkat pada belitan di q-axis

10

Hubungan antara q-axis sator dan rotor serta d-axis stator dan rotor bisa dilihat pada gambar dibawah ini.

rext

shqv-

-

--

-

+

+

+

+

+sqv

rqvr

dv

sqv

( ) )13(

)11(

dtirv

irpvv

shq

shq

shq

shq

sq

sq

sq

shq

sq

∫ −=

++=

λ

λSehingga

)12(shq

shq

shq

shq irpv −= λDimana

Dimana

=sss

sss

sss

sqd

rrrrrrrrr

r

333231

232221

131211

0

11

Jadi persamaan untuk fluks q-axis stator dan rotor adalah:

( )( ) )15(

)14(1211

dtir

dtirirvvrq

rr

rdr

rq

sd

ssq

sshq

sq

sq

∫∫

−=

−−−=

λωλ

λ

Jadi persamaan untuk fluks d-axis stator dan rotor adalah:

( )( ) )17(

)16(2221

dtir

dtirirvrd

rr

rqr

rq

sd

ssq

ssd

sd

∫∫

+=

−−=

λωλ

λ

Persamaan stator dan rotor pada q-axis dan d-axis

12

Sehingga persamaan arus tiga fasa dalam pemodelan ini adalah:

ssd

sq

sc

ssd

sq

sb

ssq

sa

0

0

0

23

21

)19(23

21

iiii

iiii

iii

++−=

+−−=

+=

[ ] (18)

13

2sin3

2cos

13

2sin3

2cos

1sincos

)( 1

πθ πθ

πθ πθ

θ

qdo

+

+

−

−=−θT

0==θω

[ ]

=

−

0

10 )T

fff

(θ fff

d

q

qd

c

b

a

qd0 stationary reference frame dikembalikan ke fasa abc

Software Permodelan Motor Induksi 3 Fasa

13

Parameter Motor

Parameter Motor Daya (rating) 750 Watt

Pf 0.8 Resistansi stator 3.35 ohm Inersia rotor (J) 0.1kg/m2

Induktansi rotor 6.94 mH. Tegangan rating 200 Volt

Jumlah kutub 4 Frekuensi 60 Hz

Jumlah belitan perphasa 252 Resistansi rotor 1.99 ohm

I(rating) 2.7 A

Parameter motor yang digunakan untuk pemodelan :

14

Simulasi motor induksi dengan qd0 stationary reference frame

waktu

Plot Characteristic

Pers.

Pers.

Pers.

abc to qd0

q-axis

SC switch

mux

1

mux

d-axis

x

zero sequence

rotor

Load

x

qd0 to abc

m1

Damping Coefficient

120π

∃

15

SIMULASI DAN ANALISIS 16

MOTOR INDUKSI 3 FASA

SEIMBANG

MOTOR DALAM KONDISI BERBEBAN

TIDAK SEIMBANG

HUBUNG SINGKAT ANTAR BELITAN DI STATOR DENGAN

VARIASI IMPEDANSI

KONDISI SUMBER PADA MOTOR

TIDAK SEIMBANG HUBUNG SINGKAT ANTAR BELITAN

KONDISI BELITAN PADA STATOR

TIDAK SEIMBANG

Kondisi Motor Seimbang 18

Arus Urutan Positif, Negatif, dan Nol saat kondisi normal

19

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.02

4

6

8

10

12

14

16

18

Waktu (detik)

Arus

(A)

Arus Urutan Positif

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

Waktu (detik)

Arus

(A)

Arus Urutan Negatif

0 0.5 1.0 1.5 2.0-1

-0.5

0

0.5

1

Waktu (detik)

Arus

(A)

Arus urutan nolArus Urutan Negatif = 0 Arus Urutan Nol = 0

Arus Urutan Positif Muncul

Hubung Singkat pada Salah Satu Fasa 20

Kondisi Hubung Singkat Pada Salah Satu Fasa

ab

cShorted Turn Pada Belitan Fasa a

21

Arus Urutan Positif, Negatif, dan Nol saat 5 belitan dihubung singkat

0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.02

4

6

8

10

12

14

16

Waktu (S)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Positif

22

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0-2

-1

0

1

2

Waktu (detik)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Negatif

Muncul signifikan Muncul tidak

besar

Kondisi Belitan Dihubung Singkat Pada Fasa A

Hubung Singkat

(belitan)

Arus (A) Urutan Negatif

Urutan Positif

Urutan Nol

0 0.0000592 2.5 1.71E-09 1 0.0418 2.5413 1.67E-09 2 0.084 2.5484 4.8E-13 3 0.124 2.556 2.5E-09 4 0.167 2.556 1.75E-09 5 0.212 2.57 1.80E-09 10 0.431 2.66 5.11E-09 15 0.6515 2.68 2.98E-09 20 0.885 2.75 1.60E-09 25 1.1285 2.844 2.90E-09

23

KENAIKAN LINEAR DENGAN HUBUNG SINGKAT Dimana ARUS URUTAN NEGATIF NAIK LEBIH SIGNIFIKAN

Kondisi Belitan Dihubung Singkat Pada Fasa A

Hubung singkat

(belitan)

Arus (A) Urutan Negatif

Urutan Positif

Urutan Nol

30 1.3845 2.904 8.75E-10 40 1.9297 3.1211 9.58E-09 50 2.5045 3.4114 2.55E-09 60 3.1105 3.6676 3.21E-10 80 4.4445 4.679 2.19E-09 100 5.9587 5.4197 2.78E-09 120 7.5938 6.6704 2.60E-09 140 9.4029 8.0608 1.27E-10 150 9.9141 9.8776 1.58E-10 200 16.7238 16.7741 1.98E-09 252 17.5128 18.45 1.06E-09

24 KENAIKAN LINEAR DENGAN HUBUNG SINGKAT dimana ARUS URUTAN NEGATIF NAIK LEBIH SIGNIFIKAN

Grafik Perbandingan Arus Urutan Positif, Negatif, Nol Saat Belitan Dihubung Singkat

Pada Fasa A

25

0 50 100 150 200 250 300

02.383

10

15

20

Jumlah belitan yang dihubung singkatkan pada fasa A

Aru

s (A

)

Arus Urutan Positif, Arus Urutan Negatif, Arus Urutan Nol

Arus Urutan NegatifArus Urutan PositifArus Urutan Nol

Zooming

26

0 10 20 30 40 50-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Belitan

()

Arus Urutan Negatif, Positif, Nol

Arus Urutan NegatifArus Urutan PositifArus Urutan Nol

Arus Urutan Negatif naik lebih signifikan dari Arus Urutan Positif

Hubung Singkat Dengan Variasi Impedansi

27

Simulasi Hubung Singkat Dengan Variasi Impedansi

Parameter Impedansi : 1. Rf = 0.1 2. Rf = 0.5 3. Rf = 1 4. Rf = 2

28

Belitan Dihubung Singkat Di Fasa A Dengan Variasi Impedansi

Hubung Singkat Rf Arus Urutan

Negatif Arus Urutan

Positif Arus Urutan

Nol (belitan) Ω (A) (A) (A)

1 0 0.04174 2.541 1.31E-12 0.1 0.00752 2.535 2.52E-12 0.5 0.005459 2.531 4.86E-12 1 0.001139 2.538 9.80E-11 2 0.0007885 2.548 1.89E-11

5 0 0.2109 2.572 3.33E-09 0.1 0.092 2.55 1.25E-12 0.5 0.03737 2.54 7.64E-13 1 0.026669 2.538 1.51E-12 2 0.02097 2.537 3.51E-12

29

KENAIKAN IMPEDANSI BERBANDING TERBALIK DENGAN ARUS, Arus urutan negatif dengan hubung singkat pada belitan di fasa A walaupun dalam impedansi tinggi ,masih lebih besar arusnya dari kondisi tanpa hubung singkat yang bernilai 0.000059

Belitan Dihubung Singkat Di Fasa A Dengan Variasi Impedansi

Hubung Singkat Rf Arus Urutan

Negatif Arus Urutan

Positif Arus Urutan

Nol (belitan) Ω (A) (A) (A)

15 0 0.6565 2.677 2.73E-09 0.1 0.4459 2.62 2.68E-09 0.5 0.2126 2.569 3.21E-09 1 0.1414 2.555 5.76E-09 2 0.09569 2.547 1.07E-12

30 0 1.388 2.913 2.87E-09 0.1 1.109 2.807 4.10E-09 0.5 0.6358 2.66 2.69E-09 1 0.4334 2.61 3.86E-09 2 0.2584 2.578 5.14E-09

30 KENAIKAN IMPEDANSI BERBANDING TERBALIK DENGAN ARUS

Arus Urutan Positif, Negatif, Nol Saat Kondisi Belitan Dihubung Singkat Dengan

Variasi Impedansi

0 0.1 0.5 1 20

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Impedansi tinggi (ohm)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Negatif Dengan Perubahan Rf

Hubung singkat 1 belitanHubung singkat 5 belitanHubung singkat 15 belitanHubung singkat 30 belitanHubung singkat 60 belitan

0 0.5 1 1.5 2

2.5

3

3.5

4

Impedansi Tinggi (ohm)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Positif Dengan Perubahan Rf

Hubung singkat 1 belitanHubung singkat 5 belitanHubung singkat 15 belitanHubung singkat 30 belitanHubung singkat 60 belitan

0 0.1 0.5 1 2

-4

-2

0

2

4

x 10-4

Impedansi Tinggi (ohm)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Nol Dengan Perubahan Rf

Hubung singkat 1 belitan

Hubung singkat 5 belitan

Hubung singkat 15 belitan

Hubung singkat 30 belitan

Hubung singkat 60 belitan

31

Motor Dengan Pembebanan 32

Motor Dengan Pembebanan

Dalam simulasi ini, rotor pada motor induksi diberikan pembebanan dengan kondisi 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, dan 100% maka akan dilihat kondisi dari arus urutan negatif, arus urutan positif, dan arus urutan nol pada motor tersebut.

33

Arus Ketika Motor Diberi Pembebanan

Load(%) Negative Sequence Positive Sequence Zero Sequence 10 3.01E-05 2.54 6.00E-09 20 8.07E-05 2.548 2.59E-09 30 4.98E-05 2.548 9.89E-10 40 4.74E-05 2.573 4.05E-09 50 1.56E-04 2.589 8.46E-10 60 1.07E-04 2.608 3.57E-10 70 8.72E-05 2.63 8.38E-11 80 8.06E-05 2.653 1.02E-10 90 1.27E-04 2.679 1.89E-10

100 1.11E-04 2.708 7.26E-11

34 ARUS URUTAN POSITIF LINEAR DENGAN PEMBEBANAN

Arus Urutan Positif , Negatif Dan Nol Saat Motor Diberi Pembebanan

35

0 20 40 60 80 100-1

0

1

2

3

4

Pembebanan (%)

Arus

(A)

Arus Urutan Positif, Negatif, Nol

Arus Urutan NegatifArus Urutan PositifArus Urutan Nol

Arus Urutan Negatif dan Arus Urutan Nol yang

Arus Urutan Positif naik linier dengan besar beban yang diberikan Arus Urutan Negatif tetap bernilai nol Arus Urutan nol tetap bernilai nol

Kondisi Motor Dengan Sumber Yang Tidak Seimbang

36

Kondisi Motor Dengan Sumber Yang Tidak Seimbang

C

A

B

a

37

Kondisi Sumber Pada Fasa A Tidak Seimbang

Nilai Vs Negative Sequence Positive Sequence Zero Sequence

50% 3.372 2.11 0.003403 60% 2.698 2.195 0.002723 70% 2.024 2.28 0.002042 80% 1.349 2.365 0.001361 90% 0.6748 2.45 0.0006806 100% 0.0000622 2.535 1.16E-09 110% 0.6749 2.619 0.0006806 120% 1.35 2.701 0.001361 130% 2.025 2.787 0.002042 140% 2.7 2.871 0.002723 150% 3.375 2.955 0.003403

38

Ketika mendekati kondisi sumber seimbang arus urutan negatif mengecil sedangkan arus urutan positif membesar mengikuti besar tegangan

Grafik Arus Urutan Positif, Negatif dan Nol Ketika Kondisi Sumber Tidak Seimbang

0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6-1

0

1

2

3

4

Sumber tidak seimbang (%)

Aru

s (A

)

Arus Urutan Positif, Negatif, Nol

Arus Urutan NegatifArus Urutan PositifArus Urutan Nol

39

Kondisi Belitan Pada Fasa A Tidak Seimbang Dengan Fasa Yang Lainnya

40

Kondisi Belitan Pada Fasa A Tidak Seimbang Dengan Fasa Yang Lainnya

a

Na ≠ Nb Nb = Nc

41

Arus Ketika Kondisi Belitan Pada Fasa A Tidak Seimbang

Na Negative sequence positive sequence zero sequence 0 29.27 25.64 7.66E-09 1 28.93 25.25 4.29E-09 2 28.6 24.86 9.85E-10 3 28.26 24.47 5.93E-09 4 27.93 24.09 5.32E-09 5 27.62 23.71 4.16E-09 10 26.03 21.92 5.99E-09 15 24.54 20.27 5.81E-09 20 23.13 18.75 7.73E-10 25 21.79 17.35 5.16E-09

42 KENAIKAN BERBANDING TERBALIK DENGAN JUMLAH LILITAN

Arus Ketika Kondisi Belitan Pada Fasa A Tidak Seimbang

Na Negative sequence positive sequence zero sequence

30 20.53 16.07 5.08E-09 40 18.23 13.84 4.28E-09 50 16.19 11.98 1.35E-09 60 14.38 10.43 4.23E-09 80 11.34 8.077 4.26E-09 100 8.898 6.436 4.89E-09 120 6.922 5.275 2.02E-09 140 5.301 4.443 4.14E-09 150 4.598 4.117 3.98E-09 200 1.877 3.059 4.10E-09 252 0.0001331 2.535 3.36E-09

43 KENAIKAN BERBANDING TERBALIK DENGAN JUMLAH LILITAN

Grafik arus urutan positif, negatif, nol ketika belitan pada fasa A tidak seimbang

44

0 50 100 150 200 250 300-5

0

5

10

15

20

25

30

Belitan di fasa A

Aru

s

Arus Urutan Positif, Negatif, Nol

Arus Urutan NegatifArus Urutan PositifArus Urutan Nol

Dari kelima percobaan diatas didapat tabel seperti dibawah ini

Simulasi kondisi motor Arus urutan negatif Arus urutan positif Arus urutan nol

Hubung singkat pada fasa A seimbang 0.000592 2.5 1.71E-09

Tidak seimbang 100% 17.5128 18.45 1.06E-09

Hubung singkat pada fasa A

dengan variasi resistansi

Hubung singkat 60 impedansi 0 Ω 3.1105 3.6676 3.21E-10

Hubung singkat 60 impedansi 2Ω 0.8984 2.712 7.43E-10

Sumber pada fasa A seimbang 6.22E-05 2.535 1.16E-09

tidak seimbang 50% 3.375 2.955 0.003403

Belitan pada fasa A seimbang 0.0001331 2.535 3.36E-09

Tidak seimbang 100% 29.27 25.64 7.66E-09

Motor berbeban seimbang beban 100% 3.01E-05 2.54 6.00E-09 45

Kesimpulan & Saran 46

Kesimpulan 1. Arus urutan negatif dapat mendeteksi kondisi hubung

singkat pada motor induksi di fasa A dengan baik karena arus urutan negatif bernilai mendekati nol saat kondisi tidak ada hubung singkat dan bernilai 17,5128 A saat hubung singkat 100% lebih signifikan dari arus urutan positif. Yang bernilai 2.5A pada saat tidak ada hubung singkat dan bernilai 18.5A saat kondisi hubung singkat 100%

2. Arus urutan negatif masih punya kelemahan yaitu arus tersebut masih terpengaruh kondisi sumber tidak seimbang dan belitan tidak seimbang sehingga bila dipakai langsung metode ini bisa menimbulkan salah deteksi hubung singkat dengan ketidak seimbangan yang lain.

47

Saran

Simulasi yang dirancang dapat di aplikasikan untuk pendeteksian hubung singkat di belitan stator motor induksi secara dini, tapi masi butuh metode lain agar arus urutan negative tidak terpengaruh oleh kondisi tidak seimbang saat terjadi hubung singkat.

48

TERIMA KASIH

49

Permodelan Motor Induksi 3 Fasa

50

( )

)3(.............3

2cos

)2(.............3

2cos

)1(.......................cos

+=

−=

=

πω

πω

ω

emgc

emgb

emga

vv

vv

vv

(rps)statorsinkronmedanPerputaransumberTegangan

fasamasingmasingTegangan,,

e

m

===

−=

b

gc

gb

ga

vvvv

ωω

51

( ) ( )

[ ] ( )

( ) ( )9...........31

8....................3

1

7............21

32

0gs

gc

gb

ga

s

gc

gb

sd

gc

gb

ga

sq

vvvvv

vvv

vvvv

−++=

+−=

+−=

( )

bbgs

sc

sb

sag

s

gs

zc

dtiiic

v

ω×=

++= ∫50

)10(............1Dimana