( A )
I
r1( A )
I
r2( A )
I
raI
rbI
rc0
4,90
4,90
4,89
4,90
0,00
1
5,33
5,31
5,20
5,28
0,04
2
5,89
5,81
5,49
5,73
0,12
3
6,28
6,26
5,70
6,08
0,19
4
6,64
6,73
5,95
6,44
0,25
5
7,31
7,58
6,44
7,11
0,34
C. Daya Poros dan Torsi Poros
Daya poros dan torsi poros pada tegangan tidak seimbang dengan ketidakseimbangan 0 sampai dengan 5 % `(persentase
ketidakseimbangan tegangan maksimum yang
direkomendasikan NEMA), ditentukan dengan menggunakan (3) dan (4) berdasarkan data kecepatan putaran dan arus rotor
pada tabel 2. Hasil analisis daya poros dan torsi poros pada tegangan tidak seimbang ini disajikan pada tabel 3 berikut ini.
Tabel 3Daya poros dan torsi poros pada tegangan tidak seimbang
F
v(%)
n
r(rpm)
P
sh(kW)
T
sh(N-m)
0
1421
1,031
6,92
1
1411
1,054
7,13
2
1399
1,085
7,40
3
1389
1,103
7,58
4
1377
1,107
7,68
5
1353
1,110
7,83
Pada kecepatan putaran yang sama, daya poros dan torsi poros yang dihasilkan motor pada tegangan seimbang nominal yang ditentukan dengan menggunakan (5) dan (6) ditunjukkan pada tabel 4 berikut ini.
Tabel 4Daya poros dan torsi poros pada tegangan seimbang
Hasil analisis pada tabel 4 dan tabel 5 diatas menunjukkan bahwa pada ketidakseimbangan tegangan 1 %, daya poros dan torsi poros masing-masing 1,054 kW dan 7,13 N-m pada kecepatan putaran 1411 rpm. Pada kecepatan putaran yang sama pada tegangan seimbang nominal, daya poros dan torsi poros yang dihasilkan motor masing-masing 1,132 kW dan 7,66 N-m, atau terjadi penurunan daya poros dan torsi poros masing-masing 6,89 dan 6,92 %. Pada ketidakseimbangan tegangan 2 %, daya poros dan torsi poros menurun masing- masing 12,50 dan 12,63 %, dan pada ketidakseimbangan tegangan 5 %, daya poros dan torsi poros menurun masing- masing 29,07 dan 29,14 %. Dengan demikian, makin tinggi ketidakseimbangan tegangan, daya poros dan torsi poros yang dihasilkan motor makin menurun.
D. Peningkatan Rugi Daya dan Penurunan Efisiensi. Persentase peningkatan rugi daya dan penurunan efisiensi motor pada tegangan tidak seimbang dengan daya keluaran motor 1 kW konstan, ditunjukkan pada tabel 5 berikut ini.
Tabel 5Persentase peningkatan rugi daya dan efisiensi
F
v(%)
P
i(kW)
P
ls(kW)
Peningkatan
rugi daya (%)
η
ls(%)
0
1,359
0,359
0
73,584
1
1,377
0,377
5,01
72,622
2
1,396
0,396
10,31
71,633
3
1,418
0,418
16,16
70,522
n
r(rpm)
P
sh(kW)
T
sh(N-m)
1421
1,035
6,95
1411
1,132
7,66
1399
1,240
8,47
1389
1,322
9,09
1377
1,412
9,79
1353
1,565
11,05
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi
4
1,446
0,446
24,23
69,156
5
1,482
0,482
34,26
67,476
Pada tabel 5 terlihat, pada ketidakseimbangan tegangan 1 %, rugi daya meningkat dari 0,359 kW menjadi 0,377 kW atau meningkat 5,01 %, dan efisiensi menurun 0,962 % dari 73,584 % menjadi 72,622 %. Pada ketidakseimbangan tegangan 5 %, rugi daya meningkat 34,26 % dan efisiensi menurun 6,108 %. Jadi makin tinggi ketidakseimbangan tegangan, rugi daya makin meningkat dan efisiensi motor makin menurun.
E. Peningkatan Suhu, Umur Isolasi dan Derating
Peningkatan suhu isolasi motor pada setiap persentase ketidakseimbangan tegangan ditentukan dengan menggunakan (10), dan umur isolasi ditentukan secara grafis berdasarkan gambar 1.
Dalam penelitian ini, motor induksi tiga fasa yang digunakan mempunyai isolasi kelas B dengan suhu maksimum yang dizinkan 130 ºC. Dalam operasi normal pada beban nominal, suhu operasi motor 80 ºC dan suhu sekeliling (ambient) sekitar 30 ºC, sehingga suhu isolasi motor 110 ºC dan umur isolasi motor 86000 jam
Peningkatan suhu, suhu isolasi dan umur isolasi motor pada setiap persentase ketidakseimbangan tegangan ditunjukkan pada tabel 6 berikut ini.
Tabel 6Peningkatan suhu, suhu isolasi dan umur isolasi
F
v(%)
Peningkatan
suhu (º C)
Suhu isolasi
(ºC)
Umur isolasi
(jam)
0
0
110
86000
1
2
112
75000
2
8
118
48000
3
18
128
22000
4
32
142
9000
5
50
160
2500
Pada tabel 6 terlihat pada ketidakseimbangan tegangan 1 %, suhu isolasi meningkat 2 ºC menjadi 112 ºC, dan umur isolasi motor berkurang dari 86000 jam menjadi 75000 jam; dan pada ketidakseimbangan tegangan 5 %, suhu isolasi meningkat 50 ºC menjadi 160 ºC dan umur isolasi motor berkurang menjadi 2500 jam. Jadi makin tinggi ketidakseimbangan tegangan, suhu isolasi makin meningkat dan umur isolasi motor makin berkurang.
Berdasarkan rekomendasi NEMA, pada ketidakseimbangan tegangan hingga 1 %, tidak perlu dilakukanderatingterhadap daya keluaran motor, karena pengaruh peningkatan arus tidak signifikan terhadap peningkatan suhu motor. Tetapi pada ketidakseimbangan tegangan lebih dari 1 sampai dengan 5 % sebagai batas toleransi ketidakseimbangan tegangan, NEMA merekomendasikan dilakukan derating (penurunan daya keluaran). Pada ketidakseimbangan tegangan 2 %, daya keluaran motor diturunkan menjadi 95 %, dan pada ketidakseimbangan 5 % , daya keluaran motor diturunkan menjadi 77 % [7].
F. Persentase Penurunan Kecepatan Putaran
Pada tegangan tidak seimbang, kecepatan putaran motor lebih rendah dibandingkan dengan kecepatan putaran motor pada tegangan seimbang nominal. Persentase penurunan kecepatan putaran motor dari kecepatan putaran nominal pada setiap persentase ketidakseimbangan tegangan ditunjukkan pada tabel 7 berikut ini.
Tabel 7 Persentase penurunan kecepatan putaran
F
v(%)
n
r(rpm)
Penurunan putaran (%)
0
1421
0
1
1411
0,70
2
1399
1,55
3
1389
2,25
4
1377
3,10
5
1353
4,79
Pada tabel 7 terlihat pada ketidakseimbangan tegangan 1 %, kecepatan putaran menurun dari 1421 rpm menjadi 1411 rpm atau menurun 0,7 %, dan pada ketidakseimbangan tegangan 5 %, kecepatan putaran menurun 4,79 %. Jadi makin tinggi ketidakseimbangan tegangan, kecepatan putaran motor makin menurun.
G. Dampak Ekonomi pada Industri
Dampak ekonomi sebagai akibat ketidakseimbangan tegangan masukan motor induksi tiga fasa yang secara langsung dapat dialami industri adalah meningkatnya biaya tenaga listrik dan berkurangnya hasil produksi.
Ketidakseimbangan tegangan di industri pakan ternak ayam PT. Charoen Pokphand Indonesia Makassar relatif kecil, yakni hanya 0,61 %, artinya hanya 61% dari persentase ketidakseimbangan tegangan 1 %.
Pada tegangan nominal seimbang, daya keluaran total dari keseluruhan motor induksi tiga fasa yang beroperasi dalam proses produksi di industri ini 1084,670 kW dan efisiensi nominal rata-rata 92,600 %, jadi daya masukan total 1171,350 kW dan rugi daya total 86,680 kW.
Pada ketidakseimbangan tegangan 0,61 %, rugi daya meningkat 3,056 % dari 86,680 kW menjadi 89,330 kW dan efisiensi menurun dari 92,600 % menjadi 92,391 %, atau rugi daya listrik meningkat 2,650 kW dan efisiensi menurun 0,209 %. Apabila ketidakseimbangan tegangan 0,61 % di industri ini merupakan ketidakseimbangan tegangan rata-rata dalam satu tahun, rugi tenaga listrik selama motor beroperasi dalam waktu 6000 jam per tahun adalah 15900 kWh. Berdasarkan Peraturan Presiden Republik Indonesia Nomor 8 Tahun 2011, tarif dasar listrik untuk industri ini adalah Rp.1020/kWh pada waktu beban puncak dan Rp.680/kWh diluar waktu beban puncak. Waktu beban puncak berlangsung selama 5 jam (20,83 %) dan waktu diluar beban puncak selama 19 jam (79,17 %). Dengan menggunakan (9), diperoleh peningkatan biaya tenaga listrik akibat ketidakseimbangan tegangan masukan motor induksi tiga fasa di industri ini, yakni Rp 11.938.070 dalam satu tahun.
Hasil produksi industri ini sama dengan kapasitas produksi mixer, yaitu 25 ton per jam atau 150000 ton per tahun pada putaran nominal 1470 rpm. Pada ketidakseimbangan tegangan 0,61 %, kecepatan putaran menurun 0,427 % menjadi 1464
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi
rpm, dan dengan menggunakan (11), diperoleh hasil produksi dalam satu tahun 149388 ton, atau terjadi penurunan 612 ton. Apabila diasumsikan keuntungan industri 10 % dari harga jual rata-rata produknya, yaitu 10 % dari Rp 5000 per kg, maka dengan menggunakan (12) diketahui kerugian industri akibat penurunan kecepatan putaran adalah Rp 306.000.000 dalam satu tahun.
.
V. KESIMPULANDANSARAN
Berdasarkan pemaparan diatas, dapat disimpulkan bahwa makin tinggi ketidakseimbangan tegangan masukan; kecepatan putaran, daya poros dan torsi poros yang dihasilkan motor induksi tiga fasa makin menurun, rugi daya listrik dan suhu isolasi motor makin meningkat.
Ketidakseimbangan tegangan 0,61 % di industri pakan ternak ayam PT. Charoen Pokphand Indonesia Makassar menyebabkan peningkatan biaya tenaga listrik Rp 11.938.070 dan kerugian akibat berkurangnya hasil produksi Rp 306.000.000 dalam satu tahun.
Disarankan beban-beban satu fasa didistribusikan secara merata pada ketiga fasa saluran pelayanan agar ketidakseimbangan tegangan menjadi lebih rendah; dan apabila ketidakseimbangan tegangan masukan cukup besar, disarankan daya keluaran motor induksi tiga fasa diturunkan dengan cara menurunkan beban, agar peningkatan arus dan suhu isolasi motor menjadi lebih rendah.
DAFTARPUSTAKA
[1] K.S. Shandu and V. Chaudhary. (2009, February). Steady State Modelling of Induction Motor Operating With Unbalanced Supply System.WSEAS Trans. Circuits and Systems. [Online]. 8(2). pp. 197-205. Available: http://www.wseas.us/elibrary/transaction/
circuit/2009/28843.pdf.
[2] B.L.Theraja and A.K. Theraja, Electrical Technology. New Delhi: Nirja Construction & Development Co, 1991, pp.866-925. [3] I.Plummer, “Asymmetry In Distribution Systems: Causes,
Harmful Effects and Remedies,” M.S.thesis, Dept. Electrical and Computer Eng., Louisiana State Univ., Louisiana, USA, 2011. [Online]. Available: http:eds-isu.edu/doc/etd-04292011-090330/ unrestricted/plummer_thesis.pdf.
[4] Schneider Electric. (2006, April). Monitoring Induction Motor For Power Quality (part 1). [Online]. 8 (1). pp. 1-5. Available: http://www.ops-ecat/3000HO0602_part1.pdf
[5] A. von Jouanne and B.Banerjee. (2001, Oktober). Assessment of Voltage Unbalance. IEEE Trans. Power Delivery. [Online].16(4). pp.782-789. Available: http://www.cpdee.ufmg.br/-selenios/artigo4.
pdf.
[6] C.F. Wagner and R.D. Evan, Symmetrical Components.New York: Mc Graw–Hill Book Company, 1933, pp. 13-21, 345-351.
[7] G.A. McCoy, T.Litman and J.G.Douglass. (1993, January). Energy-Efficient Electric Motor Selection Handbook, Revision 3. [Online]. pp. 15-41. Available: http://wetbook.net/ freestuff/
motor_selection.pdf.
[8] A.E.Fitzgerald, C.Kingsley dan S.D. Umans, Mesin–Mesin Listrik. Edisi Keempat. Terjemahan oleh Djoko Achyanto.Jakarta:Penerbit Erlangga, 1990, hal. 439-466.
[9] Sen, P. C..Principles Of Electric Machines And Power Electronics. New York: John Wiley & Sons, 1997, pp. 222-237.
Prosiding Seminar Nasional Rekayasan Material, Sistem manufaktur dan Energi