PENGARUH SATURASI INTI DARI BEBAN SISTEM ELEKTROMAGNETIK TERHADAP PERFORMANCE ARUS LISTRIK

(1)

PENGARUH SATURASI INTI DARI BEBAN SISTEM

ELEKTROMAGNETIK

TERHADAP PERFORMANCE ARUS LISTRIK

Oleh: Yakob Liklikwatil dan Robi Rohman

Lab.Mesin-Mesin Listrik-Teknik Tenaga Listrik, STT Mandala

ABSTRAK

Peralatan elektromagnetik seperti transformator dan motor listrik merupakan peralatan yang sangat penting dalam sebuah sistem tenaga listrik. Sesungguhnya peralatan seperti itu tergolong dalam peralatan nonlinear yang juga merupakan penyebab distorsi pada arus sumber, karena inti besi magnetik yang mempunyai sifat jenuh dan pemberian tegangan yang melebihi ratingnya maka performance arus listrik menjadi tidak sisusoida dan cacat. Pencatuan tegangan yang melebihi rating maksimum alat itu mengakibatkan bentuk gelombang tegangan atau arus gerak magnet (agm) menyerupai kotak (dengan puncak gelombang yang terpotong), sehingga alat beropersi dalam daerah yang melewati titik jenuhnya dan bisa merusakan alat ini sendiri., seperti yang terjadi pada pengaturan tegangan yang dilakukan pada sebuah ototransformer dalam rangka menormalkan tegangan di beban oleh karena tegangan turun akibat beban bertambah besar. Oleh karena itu tulisan ini membahas analisis sejauh mana pengaruh tegangan dan tegangan lebih terhadap gejala atau performance arus listrik saluran. Hasil pengujian laboratorium memberikan suatu gambaran yang benar bahwa peralatan trafo dan motor listrik terutama dalam keadaan saturasi inti magnetik menyebabkan perfoma arus tidak sinusoida. Sebagai objek pembahasan beban sistem elektromagnetik hanya dua peralatan saja yaitu transformator ukuran kecil dan motor induksi satu fasa. Data diambil melalui perconaan dilaboratorium dibatasi pada besaran tegangan dan arus sumber, dan analisa dilakukan dengan metoda Deret Fourier. Hasil percobaan menunjukkan bahwa saturasi inti sistem elektromagnetik terjadi pada tegangan diatas 220 volt dan arus mengalami distorsi dengan THD 62,32%, dengan kesimpulan bahwa pengaruh kejenuhan inti sistem elektromagnetik cukup signifikan terhadap arus sumber .

Kata kunci : Saturasi Inti, Peralatan Elektromagnetik, Arus listrik tidak sinus

1. Pendahuluan

Transformator dan motor listrik adalah dua sistem atau peralatan elektromagnetik yang secara praktis menggunakan bahan magnetik sebagai inti yang bertindak sebagai media untuk proses aliran fluks medan magnetik. Keterbatasan dari sifat bahan inti besi menghasilkan kejenuhan megnetik dengan karakteristik menyerupai garis melengkung pada daerah diatas titik

jenuhnya, oleh karena itu alat ini dioperasikan pada daerah linier sampai pada titik jenuhnya. Pemberian tegangan catu yang berlebih akan memaksa alat beroperasi pada daerah jenuh dan hal ini akan mengakibatkan arus eksitasi semakin tidak sinusoid meskipun tegangan catu adalah sinus, terlebih lagi jika tegangan

(2)

3. Rangkaian Dasar Magnetik

Tinjauan umum disini adalah pada sebuah rangkaian magnetik dengan inti terbuat dari bahan magnetik dengan permeabilitas yang tinggi, dan jauh lebih tinggi dari permeabilitas udara di sekitarnya, sehingga fluks magnetik dapat seluruhnya mengalir dan terkurung dalam inti tersebut. Kita amati sebuah rangkaian megnetik dasar pada gambar 1. Rangkaian ini dicatu oleh sebuah sumber arus gerak magnetik (agm)F. Rangkaian dengan kumparan terdiri dari lilitan N pada inti magnet dengan permeabilitasμ

Gambar 1, Rangkaian magnetik dasar

Persamaan sumber arus magnet secara umum berdasar pada hukum maxwell adalah:

menurunkan arus eksitasi yang diperlukan untuk pengoperasian transformator. Dalam mesin-mesin listrik ia digunakan untuk memaksimalkan karakteristik penghasil momen (torsi) yang diinginkan. Pengaruhnya bisa diamati lewat hubungan rapat fluks B, intensitas atau gaya magnetisasi H dan permeabilitas efektif  dalam suatu karakteristik yaitu kurva B-H atau lingkaran histerisis seperti yang ditunjukan dalam gambar 2, adalah sebuah contoh kurva B-H untuk baja elektrik yang grain-oriented M-5 tebalnya hingga 12 inc.

Gambar 2, Kurva B-H untuk baja elektrik

3.2 Eksitasi Arus Bolak-Balik

Dalam sistem arus bolak–balik bentuk

FNi H_Cdl_CH_C.l_C

lc

Kerapatan Fluks magnet

(1) gelombang tegangan dan fluks sangat

menyerupai fungsi sinus . Pada bagian ini, model yang akan digunakan adalah seperti gambar 1

B=Hc (2)

Dan Fluks magnet yang melewati inti dengan luas penampang Acyaitu :

_c=B.Ac (3)

atau sebuah rangkaian transformator dengan inti magnet yang tertutup.

Dengan mengasumsikan bahwa fluks fungsi waktu berbentuk sinus

msint AcBmsint (4)

3.1 Sifat-Sifat Bahan Magnetik

Dalam peralatan elektromagnetik, dimana m  Amplitudo Fluks dari(t)

pembuatan bahan inti magnetik adalah sangat penting, dengan maksud untuk memperoleh rapat fluks yang besar dengan gaya magnetisasi yang relatif rendah tingkatnya. Dalam sebuah transformator ia digunakan untuk memaksimalkan kopling antara

B_m= Amplitudo rapat fluks dari B_c

 = Frekuensi sudut = 2f f = Frekuensi Hz

Berdasarkan hukum Faraday yaitu tegangan induksi atauemfadalah :

d kumparan-kumparan dan juga untuk eN

(3)

(2.8)

(2.9)

(2.10) dimana, E_mN_m2f.N.A_cB_m= amplitudo dariemf

Untuk menghasilkan medan magnet di dalam inti, diperlukan arus listrik dikumparan

3.4 Pandangan Umum Motor Arus Bolak-Balik

Diketahui bahwa motor induksi mempunyai eksitasi yang dikenal dengan arus eksitasi i__.

kemiripan dengan sistem pada sebuah Karena sifat magnetik yang tidak linier

menandakan bahwa bentuk gelombang arus eksitasi berbeda dari gelombang fluks yang sinusoid, seperti pada gambar 3a. Bentuk lingkaran histerisis yang bersesuaian ditunjukan pada gambar 3b.

Gambar 3, Gejala eksitasi

a. Tegangan, fluks dan arus eksitasi b. Lingkaran histerisis yang bersesuaian

Dari gambar tersebut diatas dapat dituliskan persamaan fluks dan arus eksitasi yaitu :Bc.lc

transformator, hanya bedanya adalah motor induksi merupakan peralatan konversi energi elektromekanik, parameter resisitansi, reaktansi dan tegangan induksi ke rotor dipengaruhi oleh frekuensi slip.

Sebuah model sistem magnetik yang mendasar dari sebuah motor induksi dengan celah udara seragam

yakni seperti pada gambar 5.

dan

i

Hclc

N (6)

Harga rms dari arus eksitasi adalah

I__,_rms  lc.Hrms

N ₍₇₎

3.3 Sistem Transformator Dasar

Sebuah trafo sederhana dibentuk dari dua bahan lilitan kawat konduktor pada suatu inti bahan magnetik. Kedua lilitan/kumparan tersebut bergandengan secara magnetik tidak secara listrik dan membentuk dua sisi primer dan sekunder atau sisi masukan dan keluaran yaitu mengkopel antara sumber dan beban.

Gambar 5, Agm danHdari suatu lilitan langkah penuh terpusat

Gelombang arus gerak magnet (agm) atau magnetomotivforce (mmf) berbentuk segi empat pada kumparan N lilitan langkah penuh tunggal didalam suatu struktrur magnetik dengan sebuah rotor selinder terpusat, seperti pada gambar 5b. Bentuk gelombang diuraikan kedalam deret fourier dengan sejumlah gelombang sinusoid dengan frekuensi dan amplitudo yang berbeda. Pada gambar ditunjukan gelombang dasar dari agm dan kuat medan H dengan persamaan

(4)

(5)

Agmdasar yakni

F 4 Nicosθ

Gambar 6, Kurva magnetisasi dan garis celah udara Sumbu absis biasanya merupakan arus eksitasiif atau arus gerak ma₍g₂n_-1e₈t₎(agm) atau

1

π 2 (8) mmf F dalam amper-lilitan, sedangkan

sumbu ordinat merupakan tegangan tanpa Kuat medan magnetik secara umum adalah :

H F

beban Vo atau gaya gerak listrik Eo. Tangen

garis lurus bagian bawah kurva adalah garis g

Nilai komponen dariHadalah :

(9) celah udara, menunjukan bahwa agm yang dibutuhkan sebanding dengan reluktansi

H F 4Nicos F1_cos celah udara yang ₍d₂i_-a₁t₉a₎si. Jika tidak ada

g  2g g _{pengaruh kejenuhan inti magnetik maka garis}

atau _H

1 H1, mcos (10) celah udara akan (b2e-2r0im) pit dengan kurva

dimana :

N = jumlah lilitan kumparan i = arus penguatan

F₁ = harga puncak dari agm sinusoid

magnetisasi. Kejenuhan inti magnetik menyebabkan rapat fluks B akan menyerupai gelombang sinus yang puncaknya terpangkas

H1,m = harga puncak dari kuat medan magnetik celah udara

g = celah udara

Ө = Sudut listrik yang diukur terhadap sumbu magnet dari lilitan

3.5 Kejenuhan Magnetik

Telah kita ketahui bahwa bahan magnetik selalu tidak ideal. Pada saat fluks magnetiknya membesar, maka bahan mulai jenuh, sehingga permeabilitas bahan mulai berkurang, demikian juga efektivitasnya dalam memberikan kerapatan fluks keseluruhan pada mesin. Untuk agm tertentu pada lilitan, fluks akan bergantung pada reluktansi dari bagian besi rangkaian magnet dan pada celah udara, oleh karenanya kejenuhan magnetik bahan akan mempengaruhi karakteristik mesin. Biasanya untuk mengetahui karakteristik magnetisasi dari sebuah mesin listrik dan trafo dilakukan percobaan / pengetesan tanpa beban atau rangkaian terbuka yang dinamakan kurva magnetisasi atau kurva kejenuhan, seperti pada gambar 6.

atau datar seperti pada gambar 7, (tampilan dari sebuah mesin dengan kutub tonjol).

Gambar 7, Gelombang kerapatan fluks

3.6 Tinjauan Metoda Deret Fourier

(6)

π π

Gambar 8, Rangkaian dengan beban

Merupakan gabungan dari gelombang dasar sinus atau cosinus dannbuah gelom

Berdasarkan metode Fourier, bentuk gelombang yang tidak sinusoid akan mengandung sejumlah gelombang sinusoid komponen harmonisa genap maupun ganjil. Penguraiannya adalah sebagai berikut

~ ~

A Konstanta deret cosinus fourier

BnKonstanta deret sinus fourier s frekuensi sudut dasar (rad/detik)

Gambar 9, Bentuk gelombang arusi dan tegangan Vi beban linear

Jika arus eksitasi merupakan fungsi f(t) yaitu iφ, maka persamaan dapat ditulis menjadi :

~ ~

i_  A_n_,_i cosn_st B_n_,_isinn_st (14)

Persamaan tegangan dan arus dapat dituliskan

n1

dimana :VmdanImadalah harga amplitudo teganganVin

Harga efektif (rms)dari arusiφadalah :

~

dan arusi I,rms I

2

n1 ₍₁₅₎

Nilai distorsi harmonik total atau THD dari arus adalah :

Faktor daya adalah :

(16)

VsI cosst PF 1

V_sI_

(17)

Gambar 10, Satu bentuk nonsinusoid tegangan dan arus dengan beban nonlinear

Persamaan tegangan dan arus dapat dituliskan dalam bentuk deret fourier

(2-31)

dimana Vs = tegangan sumber

Iφ1= arus eksitasi komponen dasar

Iφ = arus eksitasi total

Ω s1 = 2πf1 = frekuensi sudut komponen dasar

(7)

(2-48)

Gambar 13, Rangkaian percobaan

3.7 Pengaruh Beban Magnetik Terhadap Arus Sumber dan Arus Beban Lain

Gambar 11, Rangkaian pembebanan pararel Keterangan gambar 11:

Vs = Tegangan sumber

Is = Arus sumber

BEL = Beban elektromagnetik

B* = Beban lain

I1 = Arus beban elektromagnetik

I2 = Arus beban lain Berdasarkan hukum Kirchoff

Vs= V1= V2 (18)

dan

Keterangan gambar :

TrB = Trafo beban/rangkaian megnetik 1

MI = Motor induksi beban/rangkaian magnetik 2

Vin = Tegangan masukan ke trafo slide

Vs = egangan sumber masukan alat elektromagnetik

A1 = Amper meter pengukuran arus eksitasi

V = Volt meter

Rb = Beban sekunder trafo (resistor variable)

I_s I₁ I₂ (19)

is = Arus sumber alat elekrtromagnetik = iφ(arus eksitasi)

adalah penjualan secara vektoris

Apabila beban lain B* adalah beban linier katakan alat pemanas yang bersifat resistif, sedangkan beban elektromagnetik BEL bersifat induktif,

dipasang pada sumber tegangan yang sama yaitu Vs. Arus yang mengalir pada

beban B* adalah sinusoid (tidak cacat), sedangkan arus yang mengalir pada beban BEL adalah tidak sinus (cacat),

misalkan kedua arus itu mempunyai bentuk gelombang seperti pada gambar 12.

Gambar 12, Bentuk gelombang Vs,i_s, i₁, i2 Arus pada beban lainB*tidak dipengaruhi oleh beban elektromagnetik

4. Percobaan

Dalam mengumpulkan data dilakukan percobaan dengan menggunakan rangkain seperti pada gambar 13.

BL= Lampu pijar sebagai beban lain (beban Linier)

Rsh,1= Resistor pendeteksi arus sumber atau arus eksitasi

Rsh,2= Resistor pendeteksi arus beban lain (lampu pijar)

iL = Arus beban lain (arus beban linier)

Prb 1= Probe channel 1 (oscilloscope)

Prb 2= Probe channel 2 (oscilloscope)

4.1. Hasil Percobaan dan Pengamatan 4.1.1 Untuk Beban Trafo dan Beban

Lampu Pijar

Gambar 14, Potret bentuk gelombang arus sumber dan tegangan sumber pada tegangan 240V.

(8)

 

3

 

 

4.1.2 Untuk Beban Motor Induksi Analisa Fourier hanya dilakukan pada 1/2 siklus yang positif dari gelombang. Dalam menganalisa 1/2 siklus gelombang tersebut dibagi kedalam 4 bagian waktu dalam bentuk interval waktu 0 s/d 10 ms yang didekatkan kepada bentuk-bentuk fungsi yang linier pada setiap bagiannya seperti pada gambar 17

yaitu sbb :

Gambar 16, Potret gelombang tegangan dan arus beban motor induksi pada tegangan 240V

5. Pembahasan

Pada bagian ini untuk menentukan distorsi harmonisa dalam arus sumber i s

atau arus eksitasi iφakibat pengaruh dari

beban elektromagnetik diambil dari

Penyelesaian bentuk fourier yaitu sbb :

Dalam hal ini deret dianggap hanya mengandung fungsi-fungsi ganjil atau deret sinus fourier dengan konstanta deret yaitu Bn.

sebuah gambar bentuk gelombang arus

hasil pemotretan dengan beban trafo dan Bn = 2

1.103





0,6t.sinntdt



5.103

0,025t0,575 sinntdt

sebuah gambar potret gelombang arus 7,5.10



dengan beban motor induksi satu fasa

5.103

0,2t 0,3 sinntdt 0,48t

7,5.103 4,8 sinntdt yang keduanya pada tegangan sumber Vs

adalah 240 volt yaitu gambar 14 dan gambar 16. Untuk memudahkan dalam pembahasan, maka dilakukan modifikasi gambar secara pendekatan kedalam

2) (20)

Penyelesaian Koefisien deret di atas diperoleh persamaan deret arus yaitu

bentuk yang lebih sederhana seperti pada is(t)=102 ~ 4,8

gambar 17 dan 18. n1100n

cos



n.1350



_

cos



n.1800



_

 

 



_

 sinn.1800 sinn.1350 5.1 Pembahasan Untuk Beban Trafo

Dari gambar potret 15 dimodifikasi menjadi gambar 17, padaVs= 240 dan i s

Dengan menentukan nilain= 1 s/d……,maka persamaan arus adalah :

Untukn= 1

(9)

Untukn= 4

(10)

3

NilaiRMSdari deretan hinggan= 5 adalah :

n0 _n_{ } _n_ ₁₀₀₀_n_{ }

In,1 In, 2 In,3 In, 4 In,5 Dari persamaanBndi atas dapat ditentukan sbb :

IS     

 2  2    2    2    2

2 2 2 2 2 sin



n



, untukn= 1,5,9,dan seterusnya bernilai positif

0,49234  0,84 0,9568  0,7643 0,574 2

               2

 2   2   2   2   2  n.10

 0,12120,35280,45770,2920,16474 n = 3,7,11,dan seterusnya bernilai negatif sedangkan n = 2,4,6,.dan seterusnya bernilai nol

 1,38844 1,17832A ₍₂₂₎



1031



cosn, Untukn= 1,3,5,.dst bernilai positif Dan distorsi harmonisa total adalah :

2

Untukn= 2,4,6,..dst bernilai negatif

  2

Untukn= 2,6,10,…dst bernilai negatif 1,17832212



1 X100%

(23) Untukn= 4,8,12,…dst bernilai positif sin



n



, Berharga nol untuk semua nilain

62,32% n.102

5.2 Pembahasan Untuk Beban Motor Induksi

5.3 Analisa

Dari uraian deret fourier untuk Dari gambar 16 dimodifikasi menjadi gambar

18, pada Vs = 240 V dan arus i s = 2.9 A.

Gelombang didekatkan kepada bentuk segitiga sama kaki

Gambar 18, Bentuk gelombang arusi smodifikasi

dari gambar 4.12

Koefisien deret fungsi sinusoid : Perhitungan dilakukan hanya 1/2 gelombang positif

beban trafo akan mempunyai banyak nilai spektrum amplitudo dari deret fourier dibanding dengan untuk beban motor induksi pada harga tegangan yang sama yaitu 240 V. Kedua jenis beban ini memberikan pengaruh negatif yang lebih besar terhadap arus sumber.

Dari hasil pembahasan dengan beban transformator pada tegangan 240 volt menghasilkan arus sumber atau arus eksitasi yang mengalami distorsi harmonisa yang sangat kuat atau sangat cacat artinya mengadung sangat banyak harmonisa dengan nilai THD = 62,32%.

Pada tegangan sumber 220 Volt, bentuk gelombang arus sumber dengan beban trafo mempunyai kesamaan dengan bentuk gelombang tegangan sumber, artinya bahwa pada harga

25 4,4t 10 4,4 10 _

tegangan ini hanya mempunyai sedikit

B_n  _



sinntdt 



 t.sinntdt 



8,8 sinntdt_

T _₀ 5 ₅ 5 ₅ _ harmonisa pada arus. Akan tetapi untuk

beban motor induksi, gelombang arus

Bn= 2.8,810 .sinn. 2

sinn (24) tetap mampunya(i5-1b2e)ntuk yang mirip

n.2 5n.102

n  dengan pada tegangan 240 V.

(11)

Hasil perhitungan untuk beban trafo, nilai arus hingga n = 5 adalah 1,178 A, sedangkan hasil pengukuran arus adalah 1 A. Ini berarti harmonisa menjadikan arus lebih tinggi. Hasil perhitungan deret arus hingga harmonisa ke 5, arus sumber rsm adalah 1,17832 A. Jika perhitungan diteruskan hinggga harmonisa yang lebih tinggi, maka akan diperoleh arus harmonisa yang lebih besar.

Pembebanan sumber dengan motor induksi menunjukan harmonik yang sedikit lebih rendah dibanding berbeban trafo. Namun pengaruh penurunan tegangan masukan belum tampak jelas hingga pada tegangan 180 Volt. Akan tetapi besar arus sumber mengalami penurunan cukup besar, namun saya berkesimpulan bahwa dengan memperkecil tegangan masuk, maka inti besi motor tidak akan mengalami kejenuhan, sehingga arus sumberpun akan kurang dipegaruhinya.

6.1.6. Kesimpulan

Dari analisis menyatakan bahwa tegangan rating trafo ini adalah sebesar 220 V, karena performance arus sumber menyerupai tegangan sumber. Arus sumber dapat dikatakan hampir atau tidak mengalami distorsi harmonisa karena trafo beroperasi pada harga tegangan nominalnya (ratingnya). Artinya bahwa trafo belum saturasi (atau hampir saturasi). Sedangkan pada tegangan diatas 220 volt trafo mengalami saturasi, arus mengalami perubahan bentuk tidak linear dengan tegangan ini terlihat terutama pada tegangan 240 volt. Dengan kata lain bahwa semakin tinggi tegangan operasi diatas tegangan ratingnya, maka arus eksitasi

akan makin tinggi sehingga alat

elektromagnetik ini (trafo) mengalami kondisi lewat jenuh dan akibatnya arus sunber akan semakin cacat.

Secara keseluruhan hasil percobaan mengatakan bahwa pengoperasian peralatan elektromagnetik di atas harga tegangan nominalnya atau maksimumnya, maka peralatan akan mengalami saturasi yang dan berdampak distorsi harmonisa pada arus

sumber atau arus eksitasinya dan akan mempengaruhi perlatan yang lainnya.

7. Saran

Oleh karena itu kami menyarankan agar dalam mengoperasikan peralatan elektromagnetik seperti trafo dan/atau motor-motor listrik perlu memperhatikan tegangan operasi terutama apabila alat ini mengalami pembebanan berat atau lebih. Maka dari itu kita harus menaikan tegangan operasi agar selalu pada kondisi nominal. Pada keadaan-keadaan seperti itu, alat perlu dioperasikan pada tegangan dibawah harga tegangan ratingnya, sehingga tidak mempengaruhi arus sumber maupun peralatan itu sendiri serta bebannya (pada trafo).

8. Daftar Pustaka

1. Gerald, Fitz., 1983, “ Electric Machinary”, 4th.Edition,.

2. Margunadi, A.R., 1986, “ Pengantar Umum Elektroteknik”,.

3. Seippel, Robert G. 1976, “

Fundamentals Of Electricity”.

4. Gonan, Toran, 1986, “Electric Power Distribution System Engineering”. 5. Sen, S.K. Dr., Electric machinery. 6. Leach, Donald P., 1976, “Basic Electric

Circuits”.

9. Riwayat Penulis

1. Liklikwatil, Yakob., adalah dosen tetap pada STT Mandala, Lulusan Pasca Saejana ITB.

Jl.Kiaracondong, Kebon Kangkung IX/5A,BDG