fast fourier transform (fft) untuk mendeteksi …
TRANSCRIPT
FAST FOURIER TRANSFORM (FFT) UNTUK MENDETEKSI
KERUSAKAN BOLA BEARING PADA MOTOR INDUKSI
MELALUI ARUS STATOR
Yogi Prasetyadi, Iradiratu D.P.K, Belly Yan Dewantara
Program Studi Teknik Elektro, Universitas Hang Tuah
Jalan Arief Rachman Hakim No. 150, Sukolilo, Surabaya 60111, Jawa Timur
Email: [email protected], [email protected], [email protected]
Abstract ⸺ Three phase induction motor is one type of
electric motor that is widely used in industry. Bearing
damage is one of the biggest types of damage that is often
encountered in induction motors. In this study the author
discusses the method of stator current analysis and
efficiency analysis to detect damage to induction motor
bearings on parts of ball bearings. The utilization of the
current generated due to damage in the 3 phase induction
motor using the FFT analysis (Fast Fourier Transform)
can detect the state of the motor.
Keywords: Induction motor, Stator current, Ball bearing,
Fast Fourier Transform (FFT).
Abstract ⸺ Motor induksi tiga phasa adalah salah satu
jenis motor listrik yang banyak dipakai di industri.
Kerusakan bearing merupakan salah satu jenis
kerusakan terbesar yang sering ditemui pada motor
induksi. Dalam penelitian ini penulis membahas
mengenai metode analisis arus stator dan analisis efisiensi
untuk melakukan deteksi kerusakan bearing motor
induksi pada bagian ball bearing. Pemanfaatan arus yang
dihasilkan akibat terjadinya kerusakan pada motor
induksi 3 phasa dengan menggunakan analisa FFT (Fast
Fourier Transform) dapat mendeteksi keadaan pada
motor.
Kata kunci: Motor induksi, Arus Stator, Ball bearing,
Fast Fourier Transform (FFT).
I. PENDAHULUAN
Motor induksi tiga phasa adalah salah satu jenis
motor listrik yang banyak dipakai di industri, karena
kontruksi sederhana dan perawatan mudah [1]. Bearing
memiliki fungsi yang sangat penting dalam
keberhasilan dan kinerja mesin tersebut [2]. Kerusakan
bearing merupakan salah satu jenis kerusakan terbesar
yang sering ditemui pada motor induksi. Hampir
sekitar 41-44% kerusakan motor induksi terjadi pada
bearing [3]. Gejala kerusakan motor induksi berupa
timbulnya getaran (vibrasi), bising (noise),
peningkatan suhu kerja serta adanya percikan bunga
api yang dapat membuat motor berhenti bekerja.
II. DETEKSI KERUSAKAN BEARING PADA
MOTOR INDUKSI
Bearing merupakan salah satu komponen dari
motor induksi yang membantu rotor agar dapat
berputar secara bebas. Secara umum konstruksi bearing
terdiri dari 4 bagian penting, yaitu outer race, inner
race, ball, dan cage. Setiap bagian tersebut memiliki
fungsinya masing-masing untuk membantu rotor agar
dapat berputar secara bebas. Konstruksi bearing dapat
dilihat pada Gambar 1 dibawah ini.
Gambar 1. Konstruksi Bearing Motor Induksi [4]
Sebuah survei telah dilakukan oleh Electrical
Power Research Institute (EPRI) yang menemukan
sekitar 44% dari total keseluruhan 6.312 kasus
kerusakan motor induksi diakibatkan karena masalah
pada bearing, sedangkan kerusakan yang terjadi pada
gulungan sejumlah 26%, kemudian kerusakan pada
rotor sejumlah 8% dan sisanya 22% terjadi pada bagian
lain di motor induksi. Jumlah ini diperkuat oleh data
dari IEEE-IAS yang juga melakukan survei dan
menemukan sekitar 41% dari total 1.141 kasus
kerusakan motor diakibatkan karena kerusakan pada
bearing. sedangkan kerusakan yang terjadi pada
gulungan sejumlah 36%, kemudian kerusakan pada
rotor sejumlah 9% dan sisanya 14% terjadi pada bagian
lain di motor induksi [5] .
A. Metode Analisa Arus Stator
Secara umum teknik monitoring dari bearing
tergantung pada arus motor dan vibrasi. Hubungan
antara keduanya telah dibuktikan secara ekperimen.
Kombinasi analisis didukung oleh fakta bahwa vibrasi
mekanik diasosiasikan dengan variasi dan air-gap
mesin secara fisik. Ketika ball bearing menyangga
rotor, kerusakan apapun pada bearingakan
menghasilkan gerakan radial antara rotodan stator.
Kerusakan mekanik pada bearing memberikan
komponen harmonic dalam spectrum arus pada
frekuensi :
fbng = fe ± m fv (1)
Dimana fbng merupakan frekuensi Prediksi kerusakan
bearing, fe merupakan frekuensi sumber listrik (50
atau 60 Hz), m merupakan Konstanta (1, 2, 3, . . .),
fv merupakan frekuensi kerusakan bearing.
Kerusakan yang terjadi pada bearing motor
induksi memiliki frekuensi kerusakan yang berbeda-
CITEE 2019 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 ISSN: 2085-6350
Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 69
beda tergantung letak kerusakannya. Frekuensi
kerusakan untuk setiap bagian dari bearing dapat
dilihat pada persamaan (2) sampai (5) berikut [4].
(2)
(3)
(4)
(5)
Dimana fo merupakan frekuensi kerusakan pada outer
race, fi merupakan frekuensi kerusakan pada inner
race, fb merupakan frekuensi kerusakan pada ball,fc
merupakan frekuensi kerusakan pada cage, NB
merupakan Jumlah Ball, frm merupakan frekuensi
kecepatan putaran rotor, DB merupakan diameter ball,
DP merupakan diameter antar ball, dan merupakan
sudut kontak ball (Diasumsikan 00).
B. Konsep Fast Fourier Transfrom (FFT)
Metode Fast Fourier Transfrom merupakan
pengembangan suatu metode perhitungan cepat dari
Discrete Fourier Transform (DFT). DFT merupakan
suatu metode perhitungan yang mengubah sinyal dari
domain waktu ke domain frekuensi. Biasanya DFT
digunakan untuk keperluan analisis spektrum dalam
domain frekuensi. Dengan menggunakan FFT, suatu
sinyal dapat dilihat sebagai objek dalam domain
frekuensi [5].
III. PERANCANGAN SISTEM DETEKSI
A. Konfigurasi Sistem
Pengujian sistem ini membutuhkan beberapa
peralatan pengukuran serta list program pengolah
sinyal dan sebuah software terprogram. Sistem
pengukuran dilakukan dengan memberikan
pembebanan mekanik dan elektrik kepada motor
induksi. Pembebanan dilakukan dengan cara motor
dikopel dengan generator yang sudah dibebani oleh
lampu. Konfigurasi sistem pada penelitian dapat dilihat
pada Gambar 2 dibawah ini.
Gambar 2. Konfigurasi Sistem Deteksi Kerusakan Bearing
Beberapa alat penunjang pada pengukuran arus
yaitu, komputer dengan software LabView,DIAdem,
dan NI DAQ-9246 sebagai akuisisi data. Perangkat
lunak LabView terintegrasi dengan NI DAQ-9246
untuk mempermudah dalam pemilihan frekuensi
sampling. Hasil dari pengukuran akan diolah dengan
metode FFT dengan menggunakan software DIAdem
atau MATLAB. Implementasi sistem deteksi kerusakan
bearing pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar3
dibawah ini
Gambar 3. Implementasi Sistem Deteksi Kerusakan Bearing
Pada penelitian ini menggunakan motor induksi
3 phasa jenis rotor sangkar merk Tatung dengan
kapasitas sebesar 2 HP atau setara dengan 1.5 kW.
Konfigurasi belitan yang digunakan adalah wye (Y)
sehingga motor induksi memiliki rating tegangan
sebesar 380 Volt dan rating arus sebesar 3.44
Ampere. Motor induksi yang digunakan memiliki
jumlah pasang kutub sebanyak 4 buah sehingga
memiliki kecepatan sinkron sebesar 1.500 rpm dan
kecepatan pada saat beban penuh sebesar 1.380 rpm.
B. Perancangan sistem pengukuran dan pengolahan
data
Dalam Penelitian ini, sistem pengukuran sinyal
arus stator dilakukan melalui software LabVIEW
dimana software ini digunakan sebagai program utama
untuk menampilkan dan memberikan perintah akuisisi
data sinyal arus stator pada motor induksi 3 fasa.
Sedangkan pengolahan sinyal arus stator dilakukan
melalui software MATLAB dengan menggunakan
algoritma Fast Fourier Transform (FFT) yang
mengubah sinyal arus stator dari domain waktu ke
domain frekuensi. Tujuan digunakannya algoritma FFT
adalah untuk melakukan deteksi hubung singkat pada
belitan stator melalui spektrum arus stator. Diagram
Alir Proses Pengolahan Sinyal Arus Stator dan
Monitoring Pada Motor Induksi dapat dilihat pada
Gambar 4 dibawah ini.
ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 CITEE 2019
70 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
Gambar 4. Diagram Alir Proses Pengolahan Sinyal Arus Stator dan Monitoring Pada Motor Induksi
Pengukuran daya keluaran dan daya masukan
pada motor induksi 3 fasa dilakukan dengan
menggunakan beberapa peralatan pengukuran analog
maupun digital. Daya keluaran yang terdiri dari torsi
dan kecepatan putaran rotor diukur dengan
menggunakan peralatan pembebanan yang terdiri dari
machine test system dan multi function machine. Nilai
torsi dan kecepatan putaran rotor dapat dilihat pada
display machine test system. Sedangkan daya masukan
diukur dengan menggunakan wattmater yang dipasang
pada setiap fasa motor induksi 3 fasa.
C. Rekonstruksi Kerusakan Bearing
Rekontruksi kerusakan bearing motor induksi
dilakukan dengan memberikan kecacatan pada bagian
ball bearing dengan pembuatan lubang yang bervariasi.
Kerusakan dilakukan dengan melepas 1 bola pertama
pada ball bearing, kemudian melepas bola kedua pada
ball bearing, dan yang terakhir adalah dengan
memecah salah satu bagian bola pada ball bearing dan
dapat dilihat pada Gambar 5.
(a) (b) (c) (d)
Gambar 5. Rekonstruksi Kerusakan Bearing (a) Normal, (b) bola
hilang1, (c) bola hilang2, (d) bola tergores
D. Pembebanan Mekanis dan Elektris
Pada penelitihan ini pembebanan mekanis yang
digunakan adalah generator sinkron. Motor induksi
dikopel dengan generator sinkron yang dibebani oleh
sebuah lampu dengan daya masing-masing sebesar 100
Watt. Pembebanan dengan lampu disebut dengan
pembebanan elektris. Ketika motor induksi terkopel
dengan generator dilakukan pembebanan dengan 3
tahapan, yaitu saat keadaan tanpa beban atau 0 Watt,
3 buah lampu atau 300 Watt, 5 buah lampu atau 500
Watt dan 8 buah lampu atau 800 Watt.
IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA
A. Deteksi Kerusakan Bearing Melalui Spectrum
Arus Stator
Pada penelitian ini membahas tentang deteksi
kerusakan bearing melalui spectrum arus stator dengan
memperbandingkan nilai dan bentuk gelombang antara
spectrum sinyal normal dan spectrum sinyal rusak.
Pada bagian sebelumnya telah dijelaskan bahwa
kerusakan bearing dapat menganggu kerapatan fluks
pada air gap sehingga muncul nilai spectrum arus yang
lebih tinggi dibanding kondisi normalnya pada tingkat
frekunsi kerusakan tertentu. Frekuensi kerusakan
bearing pada bagian Ball Bearing dapat ditentukan
dengan menggunakan persamaan (1) dan (4). Dimana
sebuah konstanta, Satu konstanta memiliki 2 nilai yang
berbeda yang disebut sideband. Untuk keperluan
analisis, dipilih konstanta 1 sampai 10. Pemilihan nilai
konstanta ini dirasa cukup untuk melakukan deteksi
kerusakan bearing karena akan diperbandingkan nilai
spectrum arus pada 20 frekuensi kerusakan yang
berbeda. Gambar 6, 7, dan 8 menjelaskan bahwa
sinyal spectrum arus No Load, Half Load, dan Full
Load tingkat variasi kerusakan yang berbeda. Untuk
tingkat variasi kerusakan pada spectrum arus No Load,
Half Load dan Full Load, dapat ditemukan adanya
kenaikan spectrum arus data rusak yang lebih tinggi
daripada spectrum arus sehat. Apabila diperhatikan,
bentuk gelombang antara spectrum No Load, half load
dengan spectrum Full Load rusak dapat terlihat
perbandingan. Hal ini disebabkan karena kerusakan
bearing merupakan kerusakan mekanis sedangkan
analisis yang dilakukan merupakan analisis secara
listrik sehingga masih sangat sulit untuk melakukan
deteksi kerusakan bearing dengan kondisi variasi
tingkat kerusakan yang berbeda.
Perhitungan frekuensi prediksi kerusakan Ball
Bearing dirumuskan dengan :
Nilai frekuensi prediksi kerusakan ball bearing yang
didapat 15.52 Hz
Perhitungan fbng (frekuensi kerusakan ball bearing)
dengan parameter kondisi No load dirumuskan :
fbng = fe ± m fv
fbng = 50 ± 15.52 = 65.5
fbng = 50 ± 15.52= 34.5
CITEE 2019 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 ISSN: 2085-6350
Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 71
Gambar 6. Spectrum Arus No Load
Gambar 7. Spectrum Arus Half Load
Gambar 8. Spectrum Arus Full Load
Berdasarkan dari hasil spectrum sinyal arus
sehat dan spectrum sinyal arus rusak diatas maka dapat
diperoleh untuk berbagai variasi mulai dari variasi
tingkat kerusakan bearing yang berbeda pada bagian
Ball Bearing serta tingkat variasi kerusakan yang
berbeda, untuk keberhasilan deteksi pada kerusakan
bearing dengan variasi kerusakan yang berbeda dapat
dilihat pada Tabel 1.
TABELI. Keberhasilan Deteksi Kerusakan Bearing
Variasi tingkat
kerusakan
Amplitude(dB)
No Load Half Load Full Load
Sehat -39.27 -55.54 -45.95
Bolahilang1 -37.34 -45.95 -37.62
Bolahilang2 -36.42 -40.46 -37.32
BolaTergores -35.89 -38.00 -33.59
Pada penelitian ini yang dapat terdeteksi pada
variasi kerusakan yang menunjukkan dimana variasi
No Load, Half Load, dan Full Load kerusakan bola
hilang1 lebih besar daripada No Load, Half Load, dan
Full Load sehat.
V. KESIMPULAN
Dalam Penelitian ini Fast Fourier Transform
untuk mendeteksi kerusakan bearing pada bagian ball
bearing motor induksi melalui arus stator ini
dikarenakan metode ini memberikan perbandingan
sinyal spectrum arus No Load, Half Load, dan Full
Load sehat dan Rusak. Maka dari itu dimana sinyal
spectrum arus No Load,Half Load, dan Full Load rusak
lebih besar daripada sinyal spectrum No Load, Half
Load, dan Full Load sehat. Maka diperbandingan ini
terlihat dari perbedaan sinyal spectrum arus tersebut. Kerusakan tersebut dapat menyebabkan bearing
menjadi beban tambahan pada shalf karena bearing
sulit berputar sehingga kecepatan putaran rotor turun
dan konsumsi daya listrik meningkat karena daya
keluaran menjadi lebih besar.
VI. DAFTAR PUSTAKA
[1] Anugrah, Ageng Sapta dan Iradiratu. 2017. Perancangan Space Vector Pulse Width Modulation Voltage Source
Inverter (SVPWM VSI) Berbasis Fuzzy Logic Pada Motor
Induksi 3 Fasa Sebagai Alternatif Driver Yang Meminimalkan distorsi Harmonisa. Universitas Hang Tuah
Surabaya: Seminar Nasional Kelautan.
[2] Setiyadi, Muhamad Tesar dan Parno Raharjo. 2019.
Karakteristik Getaran Pada Bantalan Bola Menyelaras Sendiri Karena Kerusakan Sangkar. Politeknik Negeri
Bandung. Bandung.
[3] Da Silva. A, M. 2006. Induction Motor Fault Diagnostic
and Monitoring Method. Marquette University Milwaukee.
[4] Hamdani, Muhammad Heikal. 2014. Deteksi Kerusakan
Outer Race Bearing Pada Motor Induksi Menggunakan
Analisis Arus Stator. Institut Teknologi Sepuluh November: Fakultas Teknologi Industri.
[5] Yudha, Ryan. 2015 . Deteksi Kegagalan Motor Induksi Jenis Squirrel Cage Berbasis Motor Cuurent Signature
Analysis (MCSA). ISSN : 2302-3805. AMIKOM
Yogyakarta : Februari 2015.
[6] Alham, Nur Rani dkk. 2018. Analysis Of Load And
Unbalance Voltage on Air Gap Eccentricity in Detection of Three pahse Induction Motor. Departemen of Electrical
Engineering. Institus Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya.
ISSN: 2085-6350 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 CITEE 2019
72 Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM
[7] Rahayu, Tendi dan Abdul Multi. 2017. Pengaruh Missaligment Terhadap Arus Dan Getaran Pada Motor
Induksi. Universitas Muhammadiyah Jakarta: Seminar
Nasional Sains dan Teknologi.
[8] Bima, Maulana. 2015. Perancangan dan Simulasi SVPWM
Two Level Inveter Sebagai Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa [Skripsi]. Surabaya : Universitas Hang
Tuah, Surabaya.
[9] Benbouzid. Mohamed El Hachemi. 2000. A Riview of
Induction Motors Signature Analysis as a Medium for
Faults Detection. IEEE Transactions On Industrial Electronics. Germany.
[10] Candra B S dan Iradiratu D P K. 2017. “Aplikasi Adaptive Fuzzy Logic Sebagai Base Space Vector Pulse Width
Modulation (Svpwm) Untuk Meminimalkan Distorsi
Harmonisa Pada Motor Induksi 3 Fasa”, Universitas Hang Tuah, Surabaya.
[11] Schoen, RR dkk. 1994. Motor Bearing Damage Detection Using Stator Current Monitoring. Georgia Institute of
Technology. School of Electrical and Computer
Engineering.
12] Dikhrillah, Bima Maulana. 2015. Perancangan Dan Simulasi
Svpwm Two Level Inverter Sebagai Pengendali Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa. Teknik Elektro Universitas Hang
Tuah. Surabaya.
[13] Setiawan, Candra Bagus. 2017. Aplikasi Adaptive Fuzzy
Logic Sebagai Base Space Vector Pulse Width Modulation
(Svpwm) Untuk Meminimalkan Distorsi Harmonisa Pada Motor Induksi 3 Fasa . Teknik Elektro Universitas Hang
Tuah. Surabaya.
[14] Yudiastawan, I Gusti Putu. 2009. Deteksi Kerusakan
Bearing dan Eccentricity Pada Motor Induksi Tiga Fasa
Dengan Current Sgnature Analysis. Universitas Indonesia : Fakultas Matematikadan Ilmu Pengetahuan Alam.
[15] Anugrah, Ageng Sapta. 2017. Perancangan Space Vector Pulse Width Modulation Voltage Source Inverter (Svpwm
Vsi) Berbasis Fuzzy Logic Pada Motor Induksi 3 Fasa
Sebagai Alternatif Driver Yang Meminimalkan Distorsi Harmonisa. Teknik Elektro Universitas Hang Tuah.
Surabaya.
BIOGRAFI PENULIS
Yogi Prasetyadi dilahirkan di
Surabaya pada tanggal 04
Januari 1997. Penulis adalah
putra kedua dari dua
bersaudara pasangan Suwoto
dan Murtiasih. Selama 12
tahun penulis mengenyam
pendidikan di SD
Kendangsari 3 Surabaya,
SMP Budi Sejati Surabaya,
dan SMK PGRI 1 Surabaya
hingga lulus tahun 2015.
Pada tahun yang sama,
penulis masuk ke Jurusan Teknik Elektro FTIK-
Universitas HangTuah dan mengambil bidang
studi Teknik Sistem Tenaga.
CITEE 2019 Yogyakarta, 24-25 Juli 2019 ISSN: 2085-6350
Departemen Teknik Elektro dan Teknologi Informasi, FT UGM 73