B-29
PENGARUH ANGULAR DAN PARALLEL MISALIGNMENT
TERHADAP KONSUMSI ENERGI PADA MOTOR LISTRIK
Satworo Adiwidodo
JurusanTeknik Mesin, Politeknik Negeri Malang satworo.adiwidodo@polinema.ac.id,
Abstrak
Misalignment menyebabkan unbalance pada poros sehingga memperbesar kerugian energi pada sistem transmisi.
Penelitan ini bertujuan mengetahui pengaruh parallel dan angular misalignment terhadap besaran kerugian konsumsi energi pada motor listrik. Pengujian dilakukan menggunakan motor induksi (3,7 KW) yang dihubungkan ke generator sinkron (3KW) menggunakan trensmisi belt dan pulley. Variasi untuk parallel
misalignment(2, 4, 6, dan 8 mm serta untuk angular misalignment(0.1, 0.2, 0.3, 0.4 rad. Di gunakan 3 variasi pembebanan yaitu mode tanpa beban (0 watt), beban sedang (650 watt) dan beban tinggi (1300 watt). Untuk menentukan pengaruh misalignment poros terhadap konsumsi energi motor listrik, dilakukan pengukuran komponen daya masukan motor berupa arus, tegangan dan faktor daya.Hasil pengujian menunjukkan pada kondisi parallel misalignment 8 mm tanpa pembebana, kenaikan daya mencapai 19,88% (tertinggi dibandingkan pembebanan yang lain). Pada angular misalignment 0.4 rad tanpa pembebanan, kenaikan daya mencapai 16,72 %. Kenaikan daya tertinggi akibat angular misalignment terjadi pada pembebanan 650 watt mencapai 20,29%.
Kata kunci : konsumsi energi, alignment, parallel misalignment, angular misalignment, belt, pulley, unbalance.
1. Pendahuluan
Peralatan rotating machinery yang
menggunakan transmisi beltdanpulley banyak
dipakai dalam kegiatan produksi. Usaha
meningkatkan reliabilitas mesin, memperpanjang umur, mengurangi waktu maintenance, mengurangi
breakdown mesin dan meningkatkan produksi
memerlukan upaya untuk mengeliminasi dan mendeteksi adanya misalignment.
Misalignment adalah kondisi tidak sejajar atau
tidak satu sumbu antara transmisi penggerak dan transmisi yang digerakkan.Ada dua tipe dasar
misalignment pada sambungan poros, yaitu parallel misalignment (offset) dan angular misalignment(sudut)
[Piotrowsky,1995].Misalignment menyebabkan dua permasalahan pokok, yaitu kerusakan pada elemen mesin (bearing, seal, poros, belt, pulley) dan peningkatan konsumsi energi akibat kerugian transmisi. Penelitian ini menitikberatkan pengaruh terhadap konsumsi energi akibat misalignment.
Penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh
Budiono [2003] yang melakukan penelitian
misaligment pada poros dengan tansmisi coupling
menemukan bahwa angular misalignment
memberikan kerugian energi yang hampir sebanding dengan besar sudut angular yang dibentuk. Parallel
misalignment memberikan kerugian energi secara
kuadratik. Penambahan beban memberikan
kontribusi peningkatan kerugian gesekan akibat
misalignment.
Pada penelitian ini ingin diketahui pengaruh
misalignment yaitu parallel misalignment dan angular misalignmentpadatransmisi beltdanpulley
terhadap konsumsi daya yang diperlukan untuk menggerakkan motor listrik.
2. Tinjauan Pustaka
1. Alignment dan Misalignment
Alignment adalah kesejajaran sumbu pemutar
dan terhadap sumbu yang diputar. Proses alignment dilakukan pada saat bagian mesin yang berputar tidak sejajar dan tidak sebaris dengan sumbu porosnya.
Misalignment adalah ketidak sejajaran antara
pulley penggerak dan pulley yang digerakkan. Jika mesin yang dijalankan menggunakan transmisi dalam kondisi misalignment akan mengakibatkan gesekan berlebihan antara shaft dengan bearing,
shaft dengan packing atau mechanical seal, dan pada
bagian belt dan pulley [Gaberson,1998]. Semua gesekan tersebut menimbulkan panas, dan tentu memerlukan tenaga tambahan yang berarti tenaga listrik yang diperlukan bertambah. Akibat lain dari
misalignment adalah terjadinya getaran yang
belebihan pada sistem transmisi [Wowk, 2000].
2. Belt
Panjang sabuk (L) yang diperlukan
dipengaruhi oleh diameter kedua pulley dan jarak kedua poros ( C ). Untuk jenis sabuk V, sabuk gilir, panjang sabuk digunakan untuk memilih tipe dan
B-30
standar sabuk yang akan digunakan. Selain daripada itu panjang sabuk sebagai dasar untuk menentukan jarakpengaturan pengendoran dan pengencangan (speling). Rumusan panjang sabuk untuk pasangan terbuka [Sularso,1983] adalah sebagai berikut :
C d d d d C L 4 ) ( ) ( 57 , 1 2 2 2 1 2 1 (1)
Penyetelan kekencangan sabuk V sangat perlu dilakukan untuk mengatasi terjadinya selip dan dengan adanya perbedaan kebutuhan panjang sabuk dan panjang sabuk standar maka jarak pulley perlu disesuaikan. Jika panjang sabuk V standar yang dipilih L dan panjang sabuk hasil perhitungn Lc, maka jarak sumbu pulley dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut :
2
Lc L C
Lc (2)
C = jarak poros pengambilan (m)
3. Karakteristik Motor Listrik
Torsi dihasilkan motor induksi oleh interaksi antara fluks stator dan rotor. Fluks yang dihasilkan oleh arus stator berputar pada kecepatan sinkron. Arus rotor dapat dapat diinduksi bilarotor berputar pada kecepatan yang lebih rendah daripada kecepatan sinkron.
Pada kondisi tersebut, slip rotor sangat kecil sehingga frekuensi rotor rendah. Tegangan rotor yang terinduksi pada kondisi tersebut kecil, sehingga menghasilkan arus stator yang rendah.
Frekuensi rotor yang sedemikian rendah
menyebabkan reaktansi rotor menjadi rendah sekali. Arus rotor hampir sefase dengan tegangan rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnetik rotor BR yang kecil dan fesenya tertinggal 90 dari arus rotor.
Stator memberikan arus pemagnetan yang cukup
besar untuk menghasilkan BS walaupun dalam
keadaan tanpa beban. Sudut antara BR dan BS
disebut power angel [Sen,1998].
Tind = k . BR . BS. sin (3)
Harga BR tanpa beban kecil, sehingga torsi
yang dihasilkan motor tanpa beban tidak
besar.Peningkatan beban menyebabkan slip motor membesar, sehingga tegangan rotor meningkat. Akibatnya, arus rotor meningkat dan menghasilkan
medan magnetik rotor BR yang lebih besar.
Peningkatan frekuensi rotor menyebabkan reaktansi rotor ( RLR ) menjadi besar, akibatnya fase arus rotor jauh tertinggal dari tegangan rotor. Pada
kondisi ini, arus rotor dan power angle)
meningkat.
Perhitungan daya motor listrik [Theraja,1998] dapat dilakukan menggunakan persamaan berikut:
cos
eff effI
V
P
(4) dimana :P = daya listrik ( Watt )
Veff = tegangan efektif ( Volt )
Ieff = arus efektif ( Ampere )
= beda sudut fase antara arus dan
tegangan bolak – balik
Alat ukur menyatakan nominal tegangan dan arus dalam harga RMS (Root Mean Square) atau harga efektifnya.
Daya listrik pada rangkaian satu fase dapat
dihitung dengan persamaan
P
V
effI
effcos
,dan untuk rangkaian tiga fase daya listrik dihitung dengan persamaan:
cos
.
3
V
effI
effP
(5)Persamaan di atas berlaku dengan syarat ketiga kawat pada rangkaian tiga fase memiliki harga Veff dan Ieff yang sama. Atau dengan kata lain harga sudut antar fase ( line ) berharga sama sebesar 120o. Hal tersebut terjadi bila masing – masing fase memiliki beban induksi yang sama besar.
3. Metode
Metode yang digunakan dalam penelitian ini adalah metode laboratory experimental, yaitu metode penelitian dengan membandingkan antara hasil percobaan kelompok kontrol dengan kelompok uji dengan memakai sarana eksperimen laboratorium sebagai basis dalam mencari data.
Independence variablepada penelitian ini
adalah; (a). tipe belt menggunakan V-belt, (b). besar misalignment , yaitu parallel misalignment(: 2, 4, 6, dan 8 (mm) serta angular misalignment(): 4, 8,12, 16 rad, (c) . besar pembebanan ( Pout ): tanpa beban (0 watt), beban sedang (650 watt), dan beban tinggi (1300 watt). Sedangkan dependence variable, yaitubesar tegangan (volt), arus (ampere) dan beda fase (cos motor.
Eksperiment set updan peralatan uji disajikan pada Gambar 1 dan Gambar 2.
LAMPU BEBAN GENERATOR SINKRON MOTOR INDUKSI 3 FASA
3 FASA FLEXIBLE
COUPLING
DUDUKAN MESIN PENGATUR KEDUDUKAN MOTOR
V-Belt
Pulley Pulley
B-31
Gambar 2. Peralatan uji
Prosedur reverse indikator digunakan dalam eksperimen ini. Setting awal adalah membuat instalasi
alignment, kemudian merubah instalasi secara
bertahap menjadi parallel misalignment dan angular
misalignment. Pengatur kedudukan motor membantu
proses setting peralatan.Gambar 3 sampai dengan Gambar 5 menjelaskan proses reverse indikator yang dilakukan. Motor Generator = 0 = 0 C Gambar 3.Alignment(=0, =0) Motor Generator > 0 = 0 C
Gambar 4.Parallel misalignment(>0, 0)
Motor Generator
= 0
> 0 C
Gambar 5.Anggular misaligment(>0, 0)
Mulai Running instalasi Setting Pembebanan Pengukuran: 1.Beban 2. Vrms, Irms (Input) 3. Vrms, Irms (Output) Setting: 1. Alignment 2. Parallel misalignment 3. Angular misalignment Pembebanan Selesai Setting dan Selesai Selesai Ya Tdk Tdk Ya Gambar 6. Langkah - langkah pengambilan data
4. Hasil dan Pembahasan
Misalignment menyebabkan peningkatan daya
input motor. Sub-bab ini akan membahas hubungan beberapa parameter yang menjelaskan fenomena tersebut. 1) Motor listrik 2) Generator synkron 3) Puli motor 4) Puli generator 5) Sabuk V 6) Dudukan motor 7) Dudukan generator 8) Display Pembebanan 9) Saklar motor
B-32
Kebutuhan torsi rotor akibat pembebanan
merupakan penyebab peningkatan daya input.
Peningkatan torsi dapat terjadi bila medan magnet rotor membesar akibat penambahan arus rotor. Penambahan arus rotor dapat terjadi bila medan magnet stator bertambah. Peningkatan medan magnet stator dapat dipenuhi bila arus input (arus stator) bertambah. Di bawah ini disajikan grafik kenaikan arus input sebagai efek misalignment.
Gambar 7. Arus input motor terhadap variasi parallel
misalignment
Gambar 8.Arus input motor denganvariasiangularmisalignment
Gambar 7 dan 8memperlihatkan pada semua pembebanan, semakin besar nilai misalignment maka semakin besar pula kebutuhan arus input. Peningkatan arus input angular misalignment hampir linier, berbeda dengan apa yang diperlihatkan pada percobaan dengan variasi parallel misalignment.
4.1 Faktor Daya Sebagai Salah Satu Parameter Kenaikan Beban
Faktor daya ( cos ) pada variasi beban 0 – 1300 Watt meningkat, namun efek misalignment terhadap kenaikan faktor daya dari grafik 9 dan 10 menunjukkan kurang begitu signifikan.
Gambar 9.Faktordaya input terhadapvariasiparallelmisalignment
Gambar 10.Faktordaya input terhadapvariasiangularmisalignment
Beda fase antara arus dan tegangan input ( ) mengecil bila arus input mengalami peningkatan. Perubahan arus input yang kecil menyebabkan
perubahan yang kecil. Peningkatan akibat
misalignment tidak signifikan. Harga relatif konstan pada berapa pembebanan.
4.2 Kenaikan Daya Input Akibat Misalignment
Daya input dihitung dengan asumsi pada kumparan motor terjadi pembeban yang seimbang pada masing-masing fase. Perhitungan daya input perfase mengikuti persamaan Pin/fase = Vrms.Irms Cos . Motor yang digunakan dihubungkan dengan input tiga fase, maka perhitungannya mengikuti persamaan Pin/fase = 3.Vrms.Irms Cos . Gambar 11dan 12 menunjukkan hubungan antara daya input dengan
misalignment.
B-33
Gambar 12. Daya input terhadap angular misalignment Gambar 11 dan 12 menampilkan kondisi tanpa beban, beban sedang (650 Watt) dan beban tinggi (1300 Watt). Daya input menunjukkan peningkatan terhadap parallel atau angular misalignment. Pada kondisi parallel misalignment 8 mm dan tanpa
pembebanan kenaikan daya mencapai 19,88%
(tertinggi dibandingkan pembebanan yang lain). Pada
angular misalignment 0.4 rad tanpa pembebanan,
kenaikan daya mencapai 16,72%. Kenaikan daya tertinggi pada pembebanan 650 watt mencapai 20,29%.
Peningkatan daya input hampir tidak nampak pada kondisi tanpa beban, sehingga grafiknya mendekati konstan. Pembebanan yang lebih tinggi menyebabkan peningkatan daya input lebih kentara.
Peningkatan beban menyebabkan torsi yang
dibutuhkan lebih tinggi. Peningkatan torsi
menyebabkan gaya normal yang bekerja pada permukaan kontak membesar, sehingga gaya gesek yang terjadi meningkat. Penampakan pengaruh misalignment terhadap daya input motor akan ditunjukkan dengan grafik perubahan arus input motor ( Imis.).
%
100
x
I
I
I
I
alignment alignment mis mis
(6)Perubahan arus input untuk setiap variasi
misalignment dapat dilihat pada grafik di bawah ini.
Gambar 13.Perubahan arus input motorterhadap
parallel misalignment
Gambar 14.Perubahan arus input motorterhadap
angular misalignment
Hasil pengujian menunjukkan pada
pembebanan 1300 W dan parallel misalignment 8 mm, meningkatkan arus input sebesar 3,09%. Pada kasus
angular 0.4 rad dan beban 1300W, meningkatkan arus
input terbesar mencapai 2,32 persen.
Arus input merupakan salah satu parameter yang menentukan daya input (konsumsi energi). Faktor daya dan tegangan merupakan parameter lain yang menentukan besar daya input. Faktor daya yang telah dibahas terdahulu menunjukkan peningkatan yang kecil terhadap variasi misalignment, bahkan cenderung konstan. Tegangan input motor induksi pada beberapa literatur dapat dianggap konstan terhadap kenaikan beban karena efek penurunan
tegangan akibat pembebanan sangat kecil
[Piotrovsky,1995].
5. Kesimpulan dan Saran 5.1 Kesimpulan
Kesimpulan yang bisa diambil dari penelitian ini:
1. Peningkatan arus input akibat parallel
misalignment 8 mm lebih besar daripada angularmisalignment 0.4 rad.
2. Peningkatan arus input akibat parallel
misalignment 8 mm 3.09% dan
angularmisalignment 0.4 rad. sebesar 2.32%
3. Kerugian energi akibat angular misalignment
sebanding dengan sudut angularnya. Kerugian energi akibat parallel misalignment naik secara kuadratik (polynomial).
4. Penambahan beban memberikan kontribusi
peningkatan kerugian gesekan akibat
misalignment. Dari hasil penelitian daya input
menunjukkan peningkatan beban berakibat
peningkatan daya input baik pada parallel maupun angular misalignment.
5.2 Saran
Pengaruh misalignment poros terhadap
kerugian energi motor listrik mungkin tidak signifikan dibandingkan dengan kerugian lain berupa umur
B-34
operasi elemen mesin seperti bearing, poros atau seal. Penelitian mengenai pengaruh misalignment terhadap vibrasi yang ditimbulkan dan umur operasi elemen mesin akan dapat memberikan gambaran yang lebih jelas mengenai dampak misalignment terhadap kerugian instalasi mesin.
Daftar Pustaka:
Piotrowski, John (1995):Shaft Alignment Hand Book, 2nd edition, Marcel Dekker Inc, New York. Budiono, Teguh (2003):Studi Eksperimental Pengaruh
Misalignment Poros Terhadap Konsumsi Energi Motor Listrik, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember, Surabaya
Gaberson A Howard., Cappillino Ray (1998):Rotating
Machinery Energy Loss Due To Misalignment,
US Naval Facilities Engineering Service Center. Wowk, Victor (2000):Machine Vibration : Alignment,
1st edition, Mc Graw – Hill Companies Inc., New York.
Sularso & Kiyokatsu Suga (1983):Dasar Perencanaan
dan Pemeliharaan Elemen Mesin, Jakarta.
Sen P. C (1998)Electric Machines And Power
Electronics, John Wiley & Sons, New York.
Theraja B.L., Theraja A.K (1997):A text Book of
Electrical Technology Volume 1, S. Chand &