analisis metode starting motor induksi star delta dan soft

1

Universitas Indonesia

Analisis Metode Starting Motor Induksi Star Delta dan Soft Starter Pada Air Compressor

Dwiky Febian, Dr. Ir. Ridwan Gunawan, M.T.

Program Studi Teknik Elektro, Departemen Teknik Elektro

Fakultas Teknik, Universitas Indonesia

Kampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia

[email protected], [email protected]

Abstrak

Ketika motor dalam keadaan pengasutan, akan tejadi lonjakan arus yang

tinggi dari arus nominalnya yang disebabkan oleh frekuensi dan reaktansi yang

tinggi dalam keadaan pengasutan. Hal ini dapat menyebabkan dampak yang buruk

bagi peralatan dan sistemnya. Skripsi ini mengambil topik tentang motor induksi

yang digunakan pada air compressor. Adapun pembahasan yang diteliti adalah

menganalisis metode pengasutan hubung bintang segitiga yang sudah terpasang di

motor induksi pada air compressor. Diajukan juga alternatif metode pengasutan

dengan menggunakan soft starter. Analisis yang dilakukan adalah

membandingkan kedua jenis metode pengasutan motor induksi tersebut terhadap

arus pengasutan yang terjadi dan juga dip tegangan yang terjadi pada sistem.

Analisis dilakukan dengan menggunakan metode perhitungan, pengukuran dan

juga menggunakan simulai perangkat lunak ETAP.

Analisis metode ..., Dwiky Febian, FT UI, 2016

2


Analysis of Induction Motor Starting Method Star Delta and Soft Starter On Air Compressor

Abstract

When the motor is in the starting state , happens to be a high surge of

nominal currents caused by high frequency and in a state reactance starting. This

can cause a negative effect on equipment and systems. This thesis take on the

topic of induction motors used on the Air Compressor. The discussion of the study

is to analyze the starting method star delta circuit which is mounted on an

induction motor one the air compressor. Also proposed an alternative method of

starting to use soft starter . Analysis was performed comparing the two types of

methods starting of the induction motor for starting currents that occur and also

the voltage dip that occurred in the system. The analyzes were performed using

the method of calculation, measurement and also using ETAP software

simulations .

Keywords : Induction Motor , methods of starting motors, soft starter , star delta , starting current

, voltage dip .

Pendahuluan

Sistem tenaga listrik merupakan sebuah sistem yang berkaitan dengan

pembangkitan, distribusi dan transmisi. Pada sistem tersebut terdapat beberapa

beban, salah satunya berupa motor listrik. Motor listrik dibagi menjadi dua yaitu

motor AC dan motor DC. Motor AC terdiri dari motor induksi dan motor sinkron,

sedangkan motor DC terdiri dari separately excited dan self excited.

Salah satu komponen listrik yang sangat penting pada sistem tenaga listrik

adalah motor induksi. Motor induksi merupakan jenis motor yang paling banyak


3


digunakan pada sistem tenaga listrik. Hal ini dikarenakan motor induksi memiliki

beberapa keunggulan jika dibandingkan dengan motor lainnya.

Salah satu aplikasi penggunaan motor induksi yaitu pada air compressor.

Pada sebuah unit air compressor umumnya terdapat motor induksi untuk

menggerakkan mekanikal, beberapa motor tersebut terdapat spesifikasi atau nilai

kapasitas yang berbeda-beda. Dari nilai tersebut maka nilai pengasutannya pun akan

berbeda-beda. Semakin besar nilai kapasitas motor induksi, maka akan semakin

besar nilai arus pengasutan motor induksi.

Ketika motor dalam keadaan pengasutan, akan tejadi lonjakan arus yang

tinggi dari arus nominalnya yang disebabkan oleh frekuensi dan reaktansi yang

tinggi dalam keadaan pengasutan. Hal ini dapat menyebabkan dampak yang buruk

bagi peralatan dan sistemnya. Permasalahan pengasutan motor pada umumnya

merupakan arus awal yang tinggi. Arus asut yang tinggi ini berkisar antara lima

sampai delapan kali arus nominal. Untuk motor berkapasitas besar dengan tipe rotor

sangkar tupai tidak diperbolehkan menggunakan arus asut yang tinggi karena dapat

mengganggu jaringan dan dapat merusakan motor tersebut. Oleh karena itu

digunakan beberapa metode pengasutan motor untuk digunakan pada motor

berkapasitas besar tersebut.

Pada pembahasan skripsi ini yang akan dibahas adalah perbandingan

besarnya arus asut motor listrik berkapasitas besar dengan tipe rotor sangkar tupai

terhadap jatuh tegangan pada air compressor menggunakan metode pengasutan star

delta dan metode pengasutan soft starter.

Tinjauan Teoritis

1. Motor Induksi

Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (ac) yang paling luas

digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan

diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai

akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating

magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.


4


Belitan stator yang dihubungkan dengan satu sumber tegangan tiga fasa

akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron.

Medan putar pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada

rotor, sehingga terinduksi arus, dan sesuai dengan hukum Lentz, rotor pun akan

turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putar relatif antara stator

dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban akan memperbesar kopel motor, yang

oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor, sehingga slip

antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi, bila

beban motor bertambah, putaran rotor cenderung menurun.

Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari

baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai

adalah motor induksi tiga fasa dan motor induksi satu fasa. Motor induksi tiga

fasa dioperasikan pada sistem tenaga tiga fasa dan banyak digunakan di dalam

berbagai bidang industri. Adapun penggunaan motor induksi di industri ini adalah

sebagai penggerak, seperti untuk blower, kompresor, pompa, penggerak utama

proses produksi atau mill, peralatan workshop seperti mesin-mesin bor, grinda,

crane, dan sebagainya. Sedangkan motor induksi satu fasa dioperasikan pada

sistem tenaga satu fasa yang banyak digunakan terutama pada penggunaan untuk

peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan

sebagainya karena motor induksi satu fasa mempunyai daya keluaran yang

rendah.

Motor induksi tiga fasa banyak digunakan karena memeiliki banyak

keuntungan dan kelebihan. Keuntungan dan kelebihan dari motor induksi

meliputi:

1. Konstruksi yang sangat sederhana dan kuat (khususnya motor dengan

sangkar tupai).

2. Harganya murah dan dapat diandalkan.

3. Mempunyai effisiensi yang tinggi.

4. Tidak menggunakan sikat (borstel) sehingga faktor gesekan dapat

dihindari

(kecil).

5. Power Factor cukup baik.


5


6. Perawatannya lebih mudah.

7. Peralatan asutnya sangat sederhana.

Selain keuntungan dan kelebihan tersebut diatas, motor induksi juga

memiliki kekurangan/kerugian antara lain:

1. Untuk pengaturan kecepatannya tidak bisa dilaksanakan tanpa mengurangi

effisiensinya.

2. Kecepatannya turun dengan meningkatnya beban yang diberikan.

3. Arus asut yang dihasilkan sangat besar dan memberikan pengaruh juga

terhadap torsi asut yang kecil.

2. Prinsip Kerja Motor Induksi

Bila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, maka

pada kumparan stator akan timbul medan putar yang memiliki kecepatan. Medan

putar stator akan memotong konduktor yang terdapat pada sisi rotor, akibatnya

pada kumparan rotor akan timbul tegangan induksi ( ggl ) sebesar:

!!! = 44,4 f N Ø (2.1)

Dengan :

E = tegangan induksi ggl (Volt)

f = frekkuensi (Hz)

N = banyak lilitan

Ø = fluks (Weber)

Karena kumparan rotor merupakan kumparan rangkaian tertutup, maka tegangan

induksi akan menghasilkan arus ( I ). Adanya arus dalam medan magnet akan

menimbulkan gaya ( F ) pada rotor. Bila torsi awal yang dihasilkan oleh gaya F

pada rotor cukup besar untuk memikul torsi beban, maka rotor akan berputar

searah dengan arah medan putar stator. Untuk membangkitkan tegangan induksi

!!! agar tetap ada, maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan

medan putar stator (!!) dengan kecepatan putar rotor (!!). Perbedaan antara


6


Gambar 1 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa

kecepatan nr dengan ns disebut dengan slip ( S ). Jika !! = !! tegangan akan

terinduksi dan arus tidak mengalir pada rotor, dengan demikian tidak ada torsi

yang dapat dihasilkan. Torsi suatu motor akan timbul apabila !! > !!. Dilihat dari

cara kerjanya motor tiga fasa disebut juga dengan motor tak serempak atau

asinkron.

3. Sistem Pembangkitan

Dibawah kondisi kerja normal pada tegangan dan frekuensi konstan, rugi

inti pada motor induksi biasanya juga konstan. Dalam pandangan pada kenyataan

ini, tahanan rugi inti Rc yang mewakili rugi inti motor, dapat dihilangkan dari

rangkaian ekivalen motor induksi. Akan tetapi, untuk menentukan daya poros atau

torsi poros, rugi inti yang konstan harus diikut-sertakan dalam pertimbangan,

bersama dengan gesekan, rugi-rugi beban buta (stray-load losses) dan angin.

Semua karakteristik kinerja motor induksi tiga fasa dapat ditentukan dari

rangkaian ekivalennya (gambar 1). Dalam menganalisis rangkaian ekivalen

sebuah transformator, bagian paralel dari rangkaian yang terdiri dari Rc dan !"!

dapat diabaikan atau menggeser bagian paralel tersebut ke arah terminal primer.

Namun cara ini tidak diijinkan dalam menganalisis rangkaian ekivalen motor

induksi. Hal ini dikarenakan kenyataan bahwa arus penguatan pada transformator

berkisar antara 2% sampai 6% dari arus beban penuh dan juga reaktansi bocor

primer per unitnya juga sangat kecil. Sedangkan pada motor induksi, arus

penguatan berkisar antara 30% sampai 50% dari arus beban penuh dan juga

reaktansi bocor primer per unit cukup besar. Oleh sebab itu, apabila komponen

parallel rangkaian ekivalen motor induksi diabaikan maka akan terdapat kesalahan

yang besar dalam hal perhitungan daya dan torsi motor induksi.


7


4. Pengasutan Motor Induksi

Pengasutan motor atau lebih dikenal dengan istilah motor starting.

Ketika motor dijalankan,pada saat gerak (pengasutan) arus asutnya sangat tinggi.

Nilainya hingga 600% atau bahkan lebih besar dari arus beban penuh (nominal).

Arus asut yang besar ini merupakan penyebab beberapa gangguan, antara lain

sebagai berikut:

a. Tegangan pada sisi penyulang akan susut (drop) tiba-tiba, meskipun sesaat

selama periode pengasutan, hal ini akan mempengaruhi kinerja mesin mesin atau

peralatan listrik lainnya. Jika susut tegangan ini relatif besar, maka dapat

menggagalkan pengasutan motor. Oleh karena itu, kapasitas catu daya minimum

harus cukup untuk menanggung arus asut.

b. Nilai arus asut yang tinggi ini, juga akan membangkitkan torsi asut yang tinggi

pula, sehingga pada mesin-mesin tertentu, misal mesin kompresor torsi, akan

berpengaruh buruk, terutama pada kopling atau bantalan.

Gangguan-gangguan di atas akan berpengaruh buruk terhadap sistem,

termasuk penyediaan catu daya, penyediaan suku cadang, dan sebagainya. Karena

hal tersebut, maka dibuat metode atau cara pengasutan motor induksi tiga fasa.

5. Rangkaian Pengasutan Dol (Direct On Line)

Rangkaian dol memiliki fungsi untuk melakukan start dan juga stop

motor dengan menggunakan sebuah rangkaian kontrol. Starter module pada

Motor Control Center (MCC) sering ditemukan di bidang industri. Ada dua

rangkaian yang bisa ditemukan di rangkaian DOL tersebut, yaitu rangkaian daya

dan rangkaian kontrol.

Rangkaian daya mengalirkan daya dari sumber tegangan kepada beban

motor, sedangkan rangkaian kontrol mengatur aliran daya dan tegangan tersebut.

Rangkaian kontrol menggunakan kontaktor, yang memutuskan dan mengalirkan


8


Gambar 2 Rangkaian Pengasutan Star-Delta

daya di rangkaian tersebut dari sumber tegangan ke motor.Kondisi Normally

Open (NO) sering digunakan di rangkaian tersebut.

6. Rangkaian Pengasutan Star Delta

Untuk mengurangi besarnya arus asut motor yang mendekati tujuh

kalinya arus nominal maka dapat dengan menggunakan metode pengasutan Star-

Delta. Dengan metode ini motor awalnya diatur pada asutan Star, setelah motor

mencapai kecepatan 80% kecepatan maksimal, sambungan diubah ke sambungan

Delta. Dengan cara ini maka torsi dapat dipertahankan sedangkan lonjakan arus

asut dapat ditekan. Berikut adalah gambar pengawatan dari Rangkaian Kontrol,

Rangkaian Power Star-Delta:

Fungsi dari rangkaian Star-Delta sendiri adalah untuk mengurangi arus

asut yaitu saat pertama kali motor di hidupkan Star delta adalah sebuah sistem

pengasutan motor yang paling banyak dipergunakan untuk pengasutan motor

listrik. Dengan menggunakan star delta starter, lonjakan arus listrik yang terlalu

tinggi bisa dihindarkan. Cara kerjanya adalah saat pengasutan awal motor tidak

dikenakan tegangan penuh hanya 0.58 dengan cara dihubung star. Dapat dilihat

pada gambar 2 setelah motor berputar dan arus sudah mulai turun dengan

menggunakan timer arus dipindahkan menjadi delta sehingga tegangan dan arus


9


Gambar 3 Rangkaian Pengasutan Dengan Menggunakan Autotransformator

yang mengalir ke motor penuh.

7. Rangkaian Pengasutan Autotransformator

Arus pengasutan motor tiga fasa dapat dibatasi atau dikurangi dengan

pengurangan tegangan penyulang yang diberikan pada belitan motor, seperti juga

pada pengasutan star delta. Contoh rangkaian Autotransformator dapat dilihat

pada gambar 3.

Pengasutan dengan transformator hampir tidak ada kerugian , tetapi

pengurangan setengah tegangan yang diberikan pada belitan motor dari

transformator memberikan pengurangan torka asut. Torka asut bervariasi sebagai

fungsi kuadrat pengurangan tegangan, sementara arus asut proporsional terhadap

pengurangan tegangan.


10


Gambar 4 Rangkaian Dasar Soft Starter

Jenis transformator yang cocok untuk metode ini adalah jenis tray

transformer, yaitu totransformator. Total sistem pengasutan ini juga mempunyai

faktor daya rendah. Detil untuk motor-motor berdaya poros yang sangat besar

dengan pengasutan transformator hanya dapat diperboleh dari pabrik

transformator.

8. Rangkaian Pengasutan Soft Starter

Soft starter merupakan metode pengasutan yang bekerja dengan cara

mengurangi tegangan pengasutan motor induksi dan kemudian menaikkan

tegangan secara bertahap sampai tegangan penuh. Metode soft starter ini menjadi

solusi atas tingginya nilai arus saat pengasutan motor induksi dan merupakan

metode yang nilai arus pengasutannya rendah.

Rangkaian soft starter dipasang seri dengan cara menyuplai tegangan ke

motor. Soft starter terdiri dari komponen solid state yang berupa SCR / thyristor

yang dipasang anti paralel diganti dengan triac karena triac adalah komponen

yang tersusun sedemikian rupa dari dua buah thyristor (gambar 4).

Dengan mengatur variasi sudut picu tegangan (α), Vo dapat divariasikan

dari 0 V sampai dengan Vs. Dengan rangkaian kendali yang tepat dapat dicapai

Pemicu thyristor

M Sumber tegangan 3 phasa

R

S

T


11


pengendalian arus motor atau waktu waktu percepatan yaitu dengan mengenakan

pulsa gerbang ke triac pada waktu yang berbeda dalam setiap setengah siklus

tegangan sumber. Untuk mendapatkan nilai tegangan bertahap dari nol sampai

tegangan penuh, maka pemicuan terhadap triac harus dimulai dari sudut 180°

sampai 0°.

Metodologi Penelitian

Metodologi penelitian pada skripsi ini dilakukan dengan melakukan

perhitungan arus asut menggunakan rumus dengan data yang sudah ada,

melakukan pengukuran pada PT PGN (persero) Tbk. dan membuat simulasi

dengan menggunakan software ETAP 12.6.0. Diharapkan dengan menggunakan

metode tersebut didapat hasil arus asut dan kedip tegangan pada motor induksi air

compressor.

Hasil Penelitian

1. Pengasutan Star Delta

Perhitungan arus asut pada metode star delta dapat dihitung dengan menggunakan rumus :

!!" =!

3 ! ! ! ! ! cos!

=55 ! 1000

3 ! 380 ! 0.952 ! 0.88

= 99,75 A

!! = 840% ! !!" ! !!

= 8.4 ! 99.75 ! 0.33

= 276,507 A

Dengan :


12


P : Daya motor induksi (W)

V : Tegangan motor induksi (V)

! : Effisiensi

cos! : Faktor daya

!!" : Arus nominal (A)

!! : Arus asut (A)

!! : Konstanta star delta

2. Pengasutan Soft Starter

Arus asut dapat dikurangi dengan menggunakan komponen soft starter. Soft

starter yang ada pada percobaan ini menggunakan metode current limiter. Arus

asut diatur pada 350% arus idealnya (99,75 A).

!!" =!"! ! 10003 ! ! ! ! ! cos!

=55 ! 1000

3 ! 380 ! 0,952 ! 0.88

= 99,75 A

!! = 350% ! !!"

= 3,5 ! 99,75

= 349,125 A

Dengan :

P : Daya motor induksi (W)

V : Tegangan motor induksi (V)

! : Effisiensi

cos! : Faktor daya

!!" : Arus nominal (A)

!! : Arus asut (A)


13


3. Pencatatan Hasil Pengukuran

Percobaan dilakukan sebanyak 10 kali pengasutan. Tabel 4.1 merupakan hasil

pengukuran secara langsung arus asut motor air compressor pada saat

dilakukannya switch over air ompressor A ke B. Dari hasil pengukuran didapat

nilai rata rata arus pengasutan motor air compressor sebesar 267,11 A

4. Pengasutan Star Delta Menggunakan ETAP 12.6.0

Setelah disimulasikan dengan menggunakan star delta, maka didapatkan hasil

arus asut sebesar 275.9 A (gambar 5), sedangkan nilai Full Load Ampere (FLA)

yaitu 99.75. Sehingga dari simulasi tersebut dapat dianalisis bahwa arus asut naik

2.76 kali arus nominal dan tegangan bus motor turun 4.28 % (gambar 6). Untuk

alarm, peringatan yang diinfokan hanyalah undervoltage pada motor. Hal ini

dikarenakan pada saat pengasutan motor hanya diberikan 0.57 tegangan nominal.

Terjadi perubahan nilai arus ketika perpindahan rangkaian star ke delta, dapat

dilihat pada tabel 2.

Tabel 1 Pengukuran Arus Asut Star Delta Air Compressor

Percobaan Arus Pengasutan

1 253.5

2 265.0

3 273.4

4 251.3

5 267.5

6 278.6

7 253.5

8 262.8

9 289.2

10 276.9


14


Tabel 2 Hasil Perhitungan Star Delta Dengan menggunakan software ETAP

Sesuai tabel 2 terjadi perubahan arus yang sangat besar yaitu 276,6 A menjadi

99,52 A. Pada saat itu terjadi perubahan rangkaian dari star menjadi delta. Pada

saat rangkaian delta arus kembali bernilai sama dengan arus nominalnya.


15


Gambar 5 Grafik Arus Motor Pengasutan Star Delta

Gambar 6 Grafik Tegangan Bus Pengasutan Star Delta

Arus (%)

Waktu (s)

Waktu (s)

Tegangan Bus (%)

Tegangan Bus

Arus Motor


16


Tabel 3 Pengaturan Arus Soft Starter

Tabel 4 Hasil Perhitungan Soft Starter Dengan Menggunakan Software ETAP

5. Pengasutan Soft Starter Dengan Menggunakan ETAP 12.6.0

Setelah dilakukan pengasutan menggunakan star delta, simulasi juga

mencoba menggunakan soft starter sebagai metode pengasutan. Soft starter yang

digunakan adalah soft starter yang menggunakan metode current control pada

350% arus asutnya. Didapat arus asut sebesar 349,125 A atau 3.5 kali arus

nominal (gambar 8). Sedangkan tegangan turun 3,93 % (gambar 7). Terjadi

perubahan nilai arus yang telah diatur (tabel 3) agar tidak terjadi kedip tegangan

yang tinggi, dapat dilihat pada tabel 4.


17


Sesuai tabel 4.5 terjadi perubahan arus yang turun dan naik secara perlahan

sesuai pengaturan pada tabel 4.4. Perubahan arus terjadi pada detik ke-2, 4 dan 5.

Dapat dilihat perubahan arus pada soft starter terjadi secara perlahan.


18


Gambar 7 Grafik Tegangan Bus Pengasutan Soft Starter

Gambar 8 Grafik Arus Motor Pengasutan Soft Starter

Waktu (s)

Waktu (s)

Arus (%)

Tegangan Bus (%)

Tegangan Bus

Arus Motor


19


Kesimpulan

1. Arus asut pada star delta bernilai 275.9 A, dan arus asut pada soft starter dengan

metode current limiter yang diatur pada 350% arus nominalnya bernilai 349,125 A.

2. Voltage dip pada star delta bernilai 4.28 %, dan voltage dip pada soft starter dengan

metode current limiter yang diatur pada 350% arus nominalnya bernilai 3,93%.

3. Soft starter dapat mengatur tegangan untuk mendapatkan arus asut sesuai beban pada

motor induksi dengan menggunakan SCR.

4. Star Delta dan soft starter terbukti dapat mengurangi arus asut motor induksi pada air

compressor.

Daftar Pustaka

Magnus Kjellberg, Soren Kling, Softstarter Handbook, ABB Automation Technology Product

AB, February 2003.

Wildhi, Theodore, Electrical Machines, Drives,And Power System 3rd, Prentince-Hall

International Inc, New Jersey, 1997.

Chapman, Stephen J, “Electrical Machinery Fundamental”, 4rd Edition, Mc Graw – Hill Company, Singapore, 2005

Wildhi, Theodore, Electrical Machines, Drives,And Power System 3rd, Prentince-Hall

International Inc, New Jersey, 1997.

P.C Sen, Principles of Electric Machines and Power Electronics, 2nd Edition, John Willey &

Sons, USA , 1997.

Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT. Gramedia, Jakarta, 1990.


analisis metode starting motor induksi star delta dan soft

Documents