1
Abstrak - Proses motor starting dapat menyebabkan gangguan yang mengakibatkan sistem menjadi tidak stabil. Efek motor starting akan menyebabkan arus motor starting 5 hingga 10 kali arus nominal serta akan menyebabkan drop tegangan pada bus sistem. Penggunaan metode tahanan rotor ini dapat menurunkan arus starting dan memperbaiki drop tegangan. Metode tahanan rotor yang digunakan berupa tahanan liquid. Penggunaan starter berupa tahanan liquid ini akan merubah karakteristik torsi, arus, dan faktor daya. Perbedaan pemodelan statis dan dinamis adalah jika pada model statis, motor direpresentasikan sebagai impedansi rotor terkunci. Model dinamis digunakan untuk melihat lama waktu start motor serta menentukan tegangan kedip pada sistem akibat motor starting. Hasil simulasi dan analisis motor starting didapatkan perbedaan drop tegangan antara statis dan dinamis sebesar 17.3% untuk motor rooler mill, 16.5%untuk cement mill, dan 26.5% untuk rawmill fan.
Kata Kunci: Metode Tahanan rotor, Pemodelan Statis, Pemodelan Dinamis, Tegangan kedip.
1. PENDAHULUAN
ada saat ini listrik merupakan energi yang sangat penting untuk kebutuhan hidup manusia. Oleh karena itu kualitas listrik yang baik haruslah terpenuhi. Dalam hal ini kualitas tenaga listrik meliputi aspek kontinuitas pelayanan daya dan kualitas bentuk gelombang tegangan serta frekuensi. Gangguan merupakan salah satu faktor penyebab ketidakstabilan pada sistem tenaga listrik.
Gangguan pada sisi suplai dapat menyebabkan generator trip, dan hal ini akan mengakibatkan ketidakseimbangan antara jumlah suplai daya dengan daya beban. Selain itu efek motor starting akan mengakibatkan sistem tidak stabil.
Proses motor starting akan menyebabkan arus motor starting 5 sampai 10 kali nilai arus nominalnya dan akan menyebabkan penurunan nilai tegangan pada bus-bus. Pada Pabrik Tuban IV terdapat beberapa motor yang memiliki kapasitas cukup besar. Apabila motor-motor dengan kapasitas yang cukup besar tersebut di-start maka dapat mengganggu kestabilan dari sistem kelistrikan di Pabrik Tuban IV.
2. TEORI PENUNJANG
2.1 Konstruksi dan Prinsip Kerja Motor Induksi Motor induksi memiliki dua bagian konstruksi yaitu stator dan rotor. Kumparan stator berfungsi untuk menghasilkan medan putar yang digunakan untuk perputaran motor [1]. Kumparan rotor merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.
Berdasarkan bentuk konstruksi rotor, maka motor induksi dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu :
1. Rotor tipe sangkar (squirrel cage) 2. Rotor tipe belit (wound rotor)
Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator ke kumparan
rotornya. Ketika kumparan stator dihubungkan ke sumber 3 fasa maka akan terbentuk medan putar dengan kecepatan
Ns = (120.f)/P (2.1)
Setelah itu medan putar akan memotong batang konduktor rotor sangkar atau memotong belitan rotor belit sehingga akan menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) induksi. Dalam kondisi ini kumparan rotor merupakan rangkaian yang tertutup maka gaya gerak listrik (ggl) induksi akan menghasilkan arus I. Dengan adanya arus pada suatu medan magnet maka akan menimbulkan gaya F yang akan memutar rotor mengikuti arah medan putar stator.
2.2 Metode Starting Motor Induksi
Dalam melakukan starting motor induksi, terdapat beberapa metode yang digunakan untuk starting tersebut.
Metode yang dapat digunakan untuk melakukan starting motor induksi besar yaitu direct on-line, autotransformer, soft starter, wye-delta, primary resistor winding, dan adjustable frequency drives [2]. Metode starting ini menggunakan prinsip mengendalikan tegangan dan arus input yang berfungsi untuk menurunkan torsi starting yang juga dapat mencegah kerusakan pada beban.
Motor induksi tipe wound memiliki lilitan stator mirip dengan motor induksi sangkar bajing, tetapi lilitan rotor dihubungkan keluar dari motor dengan menggunakan slip ring dan sikat karbon. Tujuannya untuk menambahkan resistansi yang diseri dengan lilitan rotor selama proses starting. Setelah proses starting, resistansi tersebut di hubung singkat dengan menggunakan kontak. Keuntungan penambahan tahanan sekunder ini adalah mengurangi arus starting motor dan akan memperbaiki torsi saat proses starting.
Terdapat dua jenis tahanan yang digunakan, yaitu tahanan metal dan liquid. Tahanan metal memiliki prinsip menggunakan kontak metal untuk mengatur nilai tahanan.
Semakin jauh jarak kontak metal dari terminal input maka semakin besar nilai resistansinya. Kontak metal rawan meleleh akibat arus starting yang besar. Tahanan liquid memiliki prinsip cairan elektrolit yang merendam dua batang konduktor. Semakin tinggi cairan elektrolit maka semakin kecil nilai resistansinya. Tahanan liquid ini memiliki koefisien suhu terhadap nilai tahanan yang negatif sehingga semakin tinggi suhu maka nilai resistansinya akan mengecil hal inilah yang akan membatasi arus starting tahanan liquid [3]. Keuntungan tahanan liquid adalah pengaturan nilai resistansi tahanan liquid sangat halus karena tergantung pada tinggi rendaman cairan elektrolit dan tidak ada resiko kontak meleleh.
2.3 Standar Tegangan Kedip
Kedip tegangan didefinisikan sebagai fenomena penurunan magnitude tegangan efektif terhadap harga nominalnya selama interval waktu (t). Biasanya disebabkan oleh sistem fault, energization beban besar ataupun starting
P
PEMODELAN STATIS DAN DINAMIS PADA MOTOR STARTING UNTUK
ANALISIS STABILITAS TRANSIEN DENGAN MENGGUNAKAN SOFTWARE ETAP 7.0 (STUDI KASUS PT. SEMEN GRESIK TUBAN IV)
Firlian Widyananda, Ontoseno Penangsang, Adi Soeprijanto
Jurusan Teknik Elektro-FTI, ITS
2 dari motor-motor besar. Standar tegangan kedip yang digunakan yaitu SEMI F47.
Tabel 2.1 Standar tegangan kedip menurut standar SEMI F47
VOLTAGE SAG DURATION VOLTAGE SAG
Second (s) Cycles at 60 Hz
Cycles at 50 Hz
Percent (%) of Equipment Nominal Voltage
< 0.05 s < 3 cycles < 2.5 cycles Not specified 0.05 to 0.2 s 3 to 12
cycles
2.5 to 10 cycles
50 %
0.2 to 0.5 s 12 to 30 cycles
10 to 25 cycles
70 %
0.5 to 1.0 s 30 to 60 cycles
25 to50 cycles
80 %
>1.0 s > 60 cycles > 50 cycles Not specified
2.4 Rangkaian Pengganti Motor Induksi
Dalam melakukan starting dengan menggunakan tahanan rotor, maka diperlukan respon antara torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip. Untuk mendapatkan respon tersebut dibutuhkan data motor yang meliputi :
1. resistansi dan reaktansi stator 2. resistansi dan reaktansi rotor 3. nilai resistansi eksternal 4. kecepatan sinkron motor
5. daya nominal, tegangan nominal, dan faktor daya nominal
Langkah perhitungan dapat dilihat pada gambar 2.1 untuk mendapatkan respon torsi-slip, arus-slip, dan faktor daya-slip. Selain dengan menggunakan metode starter berupa liquid, pada tugas akhir ini akan dibahas juga mengenai perbedaan antara pemodelan statis dan dinamis.
Pada gambar 2.2a dan 2.2b menunjukkan rangkaian pengganti thevenin untuk motor induksi.
Gambar 2.1 Diagram alur penentuan karakteristik torsi, arus, dan Pf motor
Gambar 2.2a Rangkaian motor Gambar 2.2b Rangkaian thevenin
Hal pertama yang perlu dilakukan adalah mendapatkan rangkaian pengganti thevenin untuk menentukan parameter tersebut sehingga digunakan persamaan 2.2 dan 2.3 [4] :
v_th = v_phase*(xm/√(r1
2+(x1+xm)
2)) (2.2)
z_th = ((j*xm) * (r1 + j*x1)) / (r1 + j*(x1 + xm)) (2.3)
dengan keterangan r
1dan x
1adalah resistansi dan reaktansi stator, xm adalah reaktansi magnetisasi sedangkan v_th dan z_th adalah tegangan dan impedansi thevenin. Setelah rangkaian pengganti didapatkan selanjutnya menghitung respon torsi-slip dengan menggunakan persamaan 2.4 [4] :
R th r 2s
2
X ths X 2
2V 2th r 2 q1 ωS
T 1
(2.4)
Dengan keterangan q
1untuk jumlah phasa, ω
sadalah kecepatan sinkron (rps), R
thdan X
thadalah resistansi dan reaktansi pengganti thevenin, r
2dan X
2adalah resistansi dan reaktansi rotor. Langkah selanjutnya adalah menentukan respon arus-slip dengan menggunakan persamaan 2.5 [5] :
A Vrating
Z in
i / 3*
(2.5)
dengan keterangan
jx
jxm
s jx r
Z in r 2 2
1 1
(2.6)
keterangan untuk i(A) adalah arus starting dengan satuan Ampere dan Zin adalah impedansi input dengan satuan Ohm (Ω). Langkah terakhir yaitu dengan menentukan respon pf-slip dengan menggunakan persamaan 2.7 [5] :
CosPf
(2.7)
Penentuan respon torsi-slip, arus slip, dan pf-slip untuk starting motor dengan metode liquid dilakukan dengan mempertimbangkan bahwa pengaturan penurunan tahanan rotor dilakukan secara bertahap dengan 12 tingkat resistansi untuk studi kasus motor roolermill, cementmill, dan rawmill fan sehingga didapatkan 12 buah respon motor untuk setiap tingkat resistansi total rotor, penjumlahan dari resistansi lilitan rotor dengan resistansi eksternal, untuk kemudian digabungkan untuk setiap tingkatan kecepatan motor mulai dari keadaan start hingga kecepatan sinkron.
2.5 Perbedaan Model Statis dan Dinamis
Model statis yaitu suatu metode yang merepresentasikan motor sebagai impedansi rotor terkunci selama waktu starting yang akan menarik arus maksimum dari sistem. Setelah waktu akselerasi dari motor selesai, motor akan dirubah kedalam suatu beban kVA konstan.
Untuk model dinamis yaitu suatu metode yang merepresentasikan motor sebagai model dinamis untuk melihat waktu starting dari sebuah motor hingga mencapai kecepatan nominalnya serta digunakan untuk mengetahui pengaruh tegangan kedip pada sistem. Gambar 2.3 dan 2.4 menunjukkan perbedaan model statis dan dinamis.
Gambar 2.3 Model statis Mulai
Perhitungan rangkaian pengganti thevenin
Perhitungan torsi-slip motor
Perhitungan arus-slip motor
Perhitungan Pf-slip motor
Selesai
3
Gambar 2.4 Model dinamis
3. SISTEM KELISTRIKAN PT SEMEN GRESIK TUBAN IV
3.1 Sistem Kelistrikan PT. Semen Gresik Tuban IV Sistem kelistrikan pabrik Semen Tuban IV di suplai langsung dari sumber PLN sebesar 150 kV. Pada sistem kelistrikan ini tidak terdapat trafo step up untuk menaikkan tegangan output dari sumber. Tegangan output sumber langsung disalurkan ke masing-masing bus beban. Dari tiap- tiap bus ini tegangan akan diturunkan. Tegangan output diturunkan menjadi 400 Volt maupun 700 Volt tergantung tegangan beban motor yang beroperasi.
Gambar 3.1 Single line diagram pabrik Tuban IV
3.2 Electrical Room Pabrik Tuban IV
Sistem kelistrikan di Pabrik Tuban IV terbagi atas beban-beban yang dikelompokkan dalam 9 “Electrical Room” (ER) sesuai dengan proses produksi Pabrik Semen Tuban IV tersebut. Kesembilan ER beban tersebut disuplai oleh PLN 150 KV. Pembagian ER tersebut dapat ditunjukkan sebagai berikut :
Electrical Room - 23A : Limestone Crusher Electrical Room - 23B : Clay & Silica Crusher &
Storage
Electrical Room - 23C : Limestone Storage Electrical Room - 24 : Raw Mill
Electrical Room - 25 : Kiln, Pre-heater & Coal Mill Electrical Room - 26 : Cooler
Electrical Room - 27 : Finish Mill Electrical Room - 28 : Packer Electrical Room - 29 : Utility
4. SIMULASI DAN ANALISIS
4.1 Pemodelan Motor Roolermill (344RM01)
Motor roolermill merupakan motor yang memiliki kapasitas sebesar 5350 kW yang berada pada ER-24. Data motor dapat dilihat pada tabel 4.1.
Tabel 4.1 Data motor roolermill (344RM01)
Tegangan nominal 6300 V
Daya nominal 5350 kW
Kecepatan sinkron 600 rpm
Pf nominal 0.8
Tabel 4.1 Data motor roolermill (344RM01) (lanjutan)
Resistansi stator 0.580 Ω
Reaktansi stator 0.61 Ω
Resistansi rotor 0.0170 Ω
Reaktansi rotor 0.61 Ω
Reaktansi Magnetisasi 16.5
Lilitan stator/Lilitan rotor
(pendekatan) 1
Tingkatan resistansi eksternal (terukur)
No. Ω No. Ω No Ω No Ω
1 5.35 4 2.82 7 0.93 10 0.18 2 4.75 5 2.03 8 0.65 11 0.075
3 3.45 6 1.55 9 0.37 12 0
Dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB, maka akan didapatkan hasil respon torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip yang telah dihitung berdasarkan persamaan 2.2 hingga 2.7 ditunjukkan pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Respon motor roolermill dengan liquid starter
Slip % Torsi FL % I FL % PF
100 134.7 158.1 89.7
98.33 133.0 156.0 89.4
95 131.3 153.9 89.1
93.33 129.6 151.8 89.0
90 141.5 166.8 88.3
88.33 139.7 164.0 88.1
85 137.8 161.2 88.0
83.33 136.0 158.3 87.6
80 156.1 181.4 87.3
78.33 153.3 178.1 86.8
75 150.5 174.7 85.9
73.33 169.8 193.5 85.6
70 166.4 189.1 85.1
68.33 162.9 184.6 84.3
65 159.3 180.0 82.3
63.33 167.6 186.2 79.8
60 163.1 180.3 78.8
58.33 158.4 174.2 76.7
55 153.4 168.1 75.3
53.33 184.9 180.5 74.2
50 175.7 183.2 72.2
48.33 165.5 197.1 70.6
45 154.3 183.4 69.5
43.33 182.3 185.8 69.1
40 179.3 188.5 68.3
38.33 176.3 191.1 67.9
35 173.1 193.7 65.0
33.33 201.2 200.6 64.2
30 196.1 197.5 63.4
28.33 190.5 194.3 62.8
25 184.6 193.5 62.7
23.33 150.9 192.0 61.8
4
Tabel 4.2 Respon motor roolermill dengan liquid starter (lanjutan)
Slip % Torsi FL % I FL % PF
20 152.6 191.1 62.2
15 154.4 187.9 61.1
10 156.3 188.5 68.3
5 148.3 186.6 79.2
3.33 143.0 152.9 87.9
1.67 165.3 145.4 91.3
0 10.0 53.6 70.6
Gambar 4.1 Respon torsi motor rooler mill dengan liquid starter
Gambar 4.2 Respon arus motor rooler mill dengan liquid starter
Gambar 4.3 Respon faktor daya motor rooler mill dengan liquid starter
4.1.1 Analisis Statis dan Dinamis Motor Roolermill (344RM01)
Pada tugas akhir ini akan dilakukan perbandingan untuk motor yang diberi liquid starter dengan ketika motor tidak diberi starter (DOL). Selain model statis, juga akan dilakukan model dinamis. Model dinamis digunakan untuk melihat lama waktu start dari sebuah motor.
Pada tabel 4.3 menunjukkan kondisi tegangan bus motor roolermill berdasarkan model statis dan dinamis. Dari tabel dapat terlihat perbedaan drop tegangan ketika motor di-start dengan statis secara direct online, statis ketika diberi liquid starter, dan dinamis. Pada model dinamis, lama waktu start dari motor roolermill ini adalah 5.04 detik.
Gambar 4.4 dan 4.5 merupakan respon tegangan bus dan arus starting berdasarkan model statis dan dinamis.
Tabel 4.3 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan dinamis
BUS MOTOR
Kondisi starting Sebelum
(%)
Selama Sesudah
(%) (%) Drop (%)
Statis (DOL) 98.87 25.1421 73.7279 95.2177 Statis (Liquid
Starter)
98.87 73.0142 25.8558 85.7955
Dinamis (Liquid Starter)
98.87 90.3171 8.5529 96.4975
Gambar 4.4 Tegangan bus motor roolermill berdasarkan model statis dan dinamis
Gambar 4.5 Arus starting motor roolermill berdasarkan model statis dan dinamis
4.2 Pemodelan Motor Cementmill (548RM01)
Motor cementmill ini memiliki karakteristik yang sama dengan motor roolermill. Motor ini memiliki kapasitas sebesar 5500 kW yang berada pada electrical room 27. Data motor cementmill dapat dilihat pada tabel 4.4.
Tabel 4.4 Data motor cementmill (548RM01)
Tegangan nominal 6300 V
Daya nominal 5500 kW
Kecepatan sinkron 1200 rpm
Pf nominal 0.8
Resistansi stator 0.780 Ω
Reaktansi stator 0.610 Ω
Resistansi rotor 0.01506 Ω
Reaktansi rotor 0.610 Ω
Reaktansi Magnetisasi 15
Lilitan stator/Lilitan rotor
(pendekatan) 1
Tingkatan resistansi eksternal (terukur)
No. Ω No. Ω No Ω No Ω
1 5.35 4 2.82 7 0.93 10 0.18
2 4.75 5 2.03 8 0.65 11 0.075
3 3.45 6 1.55 9 0.37 12 0
4.2.1 Analisis Statis dan Dinamis Motor Cementmill (548RM01)
Analisis yang dilakukan sama seperti motor roolermill
yaitu membandingkan antara model statis dan dinamis. Pada
tabel 4.5 menunjukkan kondisi tegangan bus motor yaitu
ER27-B834-MV272.
5
Tabel 4.5 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan dinamis
BUS MOTOR
Kondisi starting Sebelum
(%)
Selama Sesudah
(%) (%) Drop (%)
Statis (DOL) 101.185 32.7952 68.3898 99.7887 Statis (Liquid
Starter)
101.185 76.4201 24.7649 99.7891
Dinamis (Liquid Starter)
101.185 93.6279 8.2221 99.7666
Pada saat motor di-start pada detik ke-1, waktu start yang dibutuhkan hingga motor mencapai keadaan steady state selama 6.1 detik. Kondisi tegangan bus motor akan ditunjukkan pada gambar 4.6.
Gambar 4.6 Tegangan bus motor cementmill berdasarkan model statis dan dinamis
Arus starting dari sebuah motor juga cukup berbahaya terhadap sebuah sistem. Oleh sebab itu dilihat pula respon arusnya terhadap. Pada gambar 4.7 menunjukkan respon arus starting motor cementmill.
Gambar 4.7 Arus starting motor cementmill berdasarkan model statis dan dinamis
4.3 Pemodelan Motor Rawmill Fan (344FN03) Motor rawmill fan ini merupakan jenis fan yang memiliki kapasitas paling besar di pabrik Tuban IV yaitu 8000 kW. Data motor ditunjukkan pada tabel 4.6.
Tabel 4.6 Data motor rawmill fan (344FN03)
Tegangan nominal 6300 V
Daya nominal 8000 kW
Kecepatan sinkron 1800 rpm
Pf nominal 0.8
Resistansi stator 0.2834 Ω
Reaktansi stator 0.420 Ω
Resistansi rotor 0.0270 Ω
Reaktansi rotor 0.420 Ω
Reaktansi Magnetisasi 15.5
Tabel 4.6 Data motor rawmill fan (344FN03) (lanjutan) Lilitan stator/Lilitan rotor
(pendekatan) 1
Tingkatan resistansi eksternal (terukur)
No. Ω No. Ω No Ω No Ω
1 3.55 4 0.93 7 0.27 10 0.043
2 2.93 5 0.65 8 0.15 11 0.023
3 1.85 6 0.48 9 0.077 12 0
Setelah data motor didapat, maka dilakukan plot respon karakteristik torsi-slip, arus-slip, dan pf-slip. Gambar 4.8 sampai 4.10 merupakan hasil plot respon.
Gambar 4.8 Respon torsi motor rawmill fan dengan liquid starter
Gambar 4.9 Respon arus motor rawmill fan dengan liquid starter
Gambar 4.10 Respon faktor daya motor rawmill fan dengan liquid starter
4.3.1 Analisis Statis dan Dinamis Motor Rawmill Fan (344FN03)
Motor rawmill fan ini terletak di bus yang sama dengan motor roolermill yaitu bus ER24-C834-MV241.
Dengan kapasitas yang cukup besar inilah yang akan
menyebabkan sistem mengalami gangguan pada saat motor
di-start. Pada saat motor rawmill fan ini starting, motor
akan kembali steady state selama 20.92 detik. Kondisi
tegangan bus saat motor rawmill fan start dapat ditunjukkan
pada tabel 4.7.
6
Tabel 4.7 Tegangan bus motor berdasarkan model statis dan dinamis
BUS MOTOR
Kondisi starting Sebelum
(%)
Selama Sesudah
(%) (%) Drop (%)
Statis (DOL) 98.87 26.8971 71.9729 94.5728 Statis (Liquid
Starter)
98.87 66.9763 31.8937 98.6271
Dinamis (Liquid Starter)
98.87 93.504 5.366 97.9029
Dari tabel 4.7 dapat dilihat efek yang diakibatkan motor starting ketika tanpa diberi starter yang akan menyebabkan drop tegangannya besar. Pada gambar 4.11 menunjukkan respon tegangan bus motor dan gambar 4.12 menunjukkan respon arus starting motor.
Gambar 4.11 Tegangan bus motor rawmill fan berdasarkan model statis dan dinamis
Gambar 4.12 Arus starting motor rawmill fan berdasarkan model statis dan dinamis