79
ANALISIS PERBANDINGAN STARTING DOL DAN DYNAMIC VOLTAGE
RESTORER UNTUK PERBAIKAN KEDIP TEGANGAN AKIBAT MOTOR
INDUKSI TIGA FASA
Fajar Marchelio Windi Saputra1, Yuni Rahmawati2, Hari Putranto3
1,2,3Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Negeri Malang,
1 fmarchelio96@gmail.com, 2 yuni.rahmawati.ft@um.ac.id, 3 hari.putranto.ft@um.ac.id
Abstrak
Kedip Tegangan merupakan salah satu jenis gangguan yang dapat menurunkan kualitas daya pada sistem kelistrikan, karena pada umumnya variasi tegangan yang timbul karena adanya kedip tegangan pada sistem kelistrikan akan mempengaruhi kinerja yang sangat sensitif terhadap adanya perubahan tegangan. Pada umumnya kedip tegangan selalu dikaitkan dengan adanya gangguan pada sistem listrik akan tetapi kedip tegangan tidak hanya terjadi dikarenakan adanya gangguan pada sistem listrik, kedip tegangan juga dapat terjadi dikarenakan adanya starting motor berkapasitas besar dan pembebanan yang besar. Pada penelitian ini, dilakukan pemodelan dan simulasi sistem daya menggunakan Dynamic Voltage Restorer (DVR) untuk mengatasi kedip tegangan. Dynamic Voltage Restorer (DVR) adalah perangkat listrik yang berbasis elektronika daya yang digunakan untuk meningkatkan tegangan suplai ke beban selama terjadinya tegangan kedip. Penggunaan Dynamic Voltage Restorer (DVR) untuk memperbaiki profil tegangan terhadap penurunan tegangan sesaat yang di timbulkan oleh masalah starting motor pada industri. Hasil dari simulasi ini adalah nilai kedip tegangan saat menggunakan starting Direct On Line adalah sebesar 0.773684 pu, sedangkan kedip tegangan yang didapat sesudah pemasangan DVR adalah sebesar 0.986842 pu.
Kata kunci : kedip tegangan, starting motor, dynamic voltage restorer.
I. PENDAHULUAN
Faktor keamanan manusia dan peralatan yang terpasang terhadap gangguan pada sistem adalah syarat suatu keandalan suatu sistem kelistrikan. Kedua faktor tersebut berlaku pada kawasan industri maupun perkantoran yang membutuhkan ketersediaan listrik dengan tingkat keandalan yang tinggi. Pada kenyataannya banyak permasalahan-permasalahan yang dihadapi oleh suatu sistem kelistrikan dalam penyediaan energi listrik secara terus menerus. Semakin besar suatu sistem kelistrikan, maka semakin besar pula kemungkinan terjadinya gangguan pada sistem tersebut dan semakin besar kerugian yang dapat terjadi.
Salah satu gangguan yang sering terjadi pada sistem kelistrikan adalah gangguan kedip tegangan (voltage dip). Kedip tegangan menurut IEEE 1159-1995 adalah penurunan nilai tegangan efektif (rms) antara 0.1 sampai 0.9 per unit selama periode waktu 0,5 second sampai dengan satu menit. Dalam sistem kelistrikan diketahui bahwa pada saat sebuah motor induksi terhubung ke jaringan listrik, maka motor induksi tersebut akan menarik arus starting yang besar dari jaringan listrik sehingga jumlah total arus yang mengalir akan
menyebabkan terjadinya drop tegangan yang bertambah pada jaringan sistem utama. Drop tegangan sesaat akibat tarikan arus starting motor ini akan mempengaruhi besar tegangan pada sisi beban-beban yang lain yang tentunya akan mengalami penurunan tegangan sesaat. Drop tegangan pada sistem ini akan dapat menyebabkan gangguan pada peralatan lain, terutama pada peralatan-peralatan yang peka terhadap drop tegangan, seperti komputer. Drop tegangan sesaat akibat tarikan arus starting motor ini akan mempengaruhi besar tegangan pada sisi beban-beban yang lain yang tentunya akan mengalami penurunan tegangan sesaat.
Pada Fasilitas Instalasi yang ada di Lanud Abdulrachman Saleh terdapat motor induksi tiga fasa yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan industri di Lanud Abdulrachman Saleh. Suplai listrik yang ada di lanud di suplai dari gardu sentral dengan tegangan sebesar 20 kV dan kapasitas sebesar 1.200 kVA. Terdapat tujuh unit motor induksi tiga fasa yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan industri di Lanud Abdulrachman. Salah satu gangguan yang sering terjadi pada sistem kelistrikan Lanud Abdulrachman adalah gangguan kedip tegangan, untuk itu dilakukan suatu observasi untuk mengetahui solusi kedip tegangan ini. Salah satu solusi yang
80
tepat untuk mengatasi tegangan kedip ini adalah DVR (dynamic voltage restorer). Untuk mengetahui bagaimana efek DVR pada tegangan kedip, dilakukan suatu eksperimen untuk mengetahui efektivitas DVR dalam mengatasi tegangan kedip.
II. DASARTEORI A. Kedip Tegangan
Voltage sag/kedip tegangan adalah penurunan nilai rms tegangan atau arus pada frekuensi daya selama durasi waktu dari 0,5 cycles (0,01detik) sampai 1 menit [5]. Rentang perubahan dari 0,1 sampai 0,9 pu pada harga rms besaran tegangan atau arus [3][9]. Hal ini menyebabkan lepasnya (trip) peralatan-peralatan yang peka terhadap perubahan tegangan. Gambar 1. menunjukkan gangguan tegangan kedip.
Gambar 1. Kedip Tegangan
Sebuah dip tegangan juga dapat diartikan gangguan elektromagnetik multidimensi, yang tingkatnya ditentukan oleh besarnya kedip tegangan dan durasi kedip tegangan [4][6]. Besarnya kedip tegangan adalah nilai kedalaman tegangan ketika berada dibawah ambang batas normal. Sedangkan durasi kedip tegangan adalah lamanya waktu penurunan tegangan ketika tegangan rms berada dibawah ambang batas normal. Kedip tegangan berbeda dengan tegangan kurang. Durasi under voltage lebih dari 1 menit dan dapat dikontrol dengan peralatan regulasi tegangan. Kedip tegangan dapat disebabkan oleh hal-hal sebagai berikut:
• Gangguan pada sistem, seperti gangguan hubung singkat. Gangguan yang sering terjadi pada sistem adalah gangguan hubung singkat satu fasa ke tanah. • Pemikulan beban yang besar atau pengasutan motor
berkapasitas besar.
• Sesuatu yang terjadi pada saluran penyaluran daya, seperti kecelakaan saat perbaikan dalam keadaan bertegangan, sambaran petir dan benda jatuh yang menyebabkan gangguan ke tanah.
• Perubahan beban yang berlebihan/diluar batas kemampuan sistem daya
B. Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik
(alternating current) yang paling luas digunakan [10][12]. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.
C. Starting Motor Induksi
Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik (ac) yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan stator, antara putaran rotor dengan putaran medan pada stator terdapat selisih putaran yang disebut slip [13]. Pada motor induksi yang diam apabila tegangan normal diberikan ke stator, maka akan ditarik arus yang besar oleh belitan primernya. Motor induksi saatdihubung langsung akan menarik arus 5 sampai 7 kali dari arus beban penuh. Penarikan arus mula yang besar ini dapat mengakibatkan gangguan tegangan pada saluran, sehingga akan mengganggu pada peralatan lain yang dihubungkan pada saluran yang sama.
1. Metode Direct On Line
Direct On Line merupakan starting motor secara langsung. Pada metode Direct On Line (DOL), motor induksi menarik arus yang besarnya 5 sampai 7 kali arus nominalnya, sehingga mengakibatkan kondisi transient pada tegangan [12]. Namun setelah kecepatan putaran motor stabil maka arus akan berada pada kondisi nominalnya. Rangkain Starting DOL dapa dilihat pada gambar 2.
Motor 3 P H A S E R S T F1 K1 TOR A1 A2 1 2 3 4 5 6
Gambar 2. Starting Direct On Line
81
D. Efek Kedip Tegangan Terhadap Motor Induksi
Motor listrik sangat toleran terhadap kedip tegangan dan kelebihan tegangan. Kecuali saat magnitude rmsnya sangat rendah atau sangat kecil, motor pada umumnya hanya bereaksi sedikit terhadap perubahan tegangan. Kecuali saat motor dikendalikan oleh kontrol elektronik, maka hal ini harus dipertimbangkan terlebih dahulu.
Jika magnitudenya besar, atau jika gangguan terjadi berulang kali, maka beberapa gejala akan muncul, yaitu:
• Berlebihnya tegangan akan menekan belitan stator secara elektris. Hal ini dapat berujung pada kerusakan motor secara prematur.
• Kedip tegangan yang besar dapat menyebabkan motor kehilangan inersia putaran yang berefek pada kinerjanya.
• Jika kedip tegangan terjadi cukup sering, motor akan menghasilkan inrush current yang lebih sering untuk mentripkan breaker.
E. Dynamic Voltage Restorer
Dynamic Voltage Restorer (DVR) merupakan peralatan yang digunakan untuk memulihkan tegangan atau memperbaiki kualitas tegangan disisi beban dan posisinya dipasang secara seri antara sumber dan beban [1][2]. Dengan demikian peralatan tersebut dapat mengendalikan tegangan beban sensitive dengan injeksi tegangan melalui transformator seri. Secara umum DVR dibagi menjadi enam bagian, yang terdiri dari regulator tegangan, penyimpan energy, inverter, filter, dan transformator seri. Bagian – bagian tersebut dapat disederhanakan seperti pada Gambar 3.
Filter Load VSC Charger Control System Vs VL VDVR
Gambar 3. Dynamic Voltage Restorer Sumber : Lauhil M. Hayusman
III. METODOLOGIPENELITIAN A. Kerangka Penelitian
Penelitian ini dengan tahap sebagai berikut.
Tahap pengumpulan Data
• Studi Literatur • Studi lapangan • Observasi Tahap Pengolahan Data
• Persiapan Data
• Penentuan parameter yang digunakan untuk DVR
Analisis Data
• Pembuatan Rangkaian Sstarting Motor DOL Dan Rangkaian DVR
• Pengujian Rangkaian Starting Motor DOL dan Rangkaian DVR
• Menganalisa besar kedip tegangan saat starting motor DOL dan Rangkaian DVR
Tahap Kesimpulan dan Saran
• Kesimpulan Simulasi Mulai
Selesai
Gambar 4. Diagram Alir Kerangkan Penelitian B. Data Penelitian
Sumber data pada penelitian ini dibagi menjadi tiga bagian yaitu studi literatur, studi lapangan, dan observasi. Data yang didapat adalah data motor induksi, data sumber tegangan, frekuensi, dan data parameter yang digunakan untuk merancang DVR. Pengambilan data diambil dari Lanud Abdurrahman Saleh Malang.
Tabel 1 SPESIFIKASI MOTOR INDUKSI TIGA FASA Motor
Induksi
Banyak Unit
Kekuatan Tegangan Frekuensi Motor
Induksi 1
82
Motor Induksi 1 3 15 KW 380 V 50 Hz Motor Induksi 1 1 75 KW 380 V 50 Hz C. Pengolahan DataPada tahap pengolahan data ini, persiapan data yang dilakukan adalah menentukan parameter-parameter yang digunakan untuk merancang starting Direct On Line dan rangkaian Dynamic Voltage Restorer. Berikut merupakan parameter-parameter yang digunakan untuk merancang rangkaian Dynamic Voltage Restorer dapat dilihat pada tabel 2.
Tabel 2 PARAMETER DVR YANG DIGUNAKAN DALAM SIMULASI
Parameter Besar Parameter
Sumber Tiga Fasa 380V, 50 Hz
Resistan 3 Fasa 1Ω
Transformer Booster 106VA, 380V/380V
L Filter 8 mH
RC Filter 10Ω, 20µF
Konversi Sumber Tegangan IGBT Universal
Sumber Tegangan DC 5 kV
D. Analisis Data
Pada tahap ini dilakukan perancangan simulasi starting DOL motor induksi tiga fasa dan perancangan rangakain DVR dengan bantuan software. Rangkaian starting DOL motor induksi tiga fasa dapat dilihat pada gambar 5 dan rangkaian starting DOL motor induksi dengan menggunakan DVR dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 5. Rangkaian Starting DOL Motor Induksi Tiga Fasa
Gambar 6. Rangkaian Starting DOL dengan DVR Motor Induksi Tiga Fasa
Selanjutnya dilakukan pengujian rangkaian starting DOL motor induksi tiga fasa sebelum terpasang rangkaian DVR dan pengujian pengujian rangkaian starting DOL motor induksi tiga fasa setelah terapsang rangkaian DVR. Diagram alir pengujian simulasi dapat dilihat pada gambar 7 dan gambar 8 yaitu sebagai berikut.
Pengumpulan Data Mengambar Single LineStarting DOL
Running Simulasi Tampilan Grafik Mulai Memasukan Data-Data Sudah Terpenuhi Sudah Terpenuhi Selesai Cek Koneksi Cek Data Parameter
Ya Tidak
Ya
Tidak Analisa Hasil
83
Pengumpulan Data Mengambar Single
LineStarting DOL
Running Simulasi Tampilan Grafik Mulai Memasukan Data-Data Sudah Terpenuhi Sudah Terpenuhi Selesai Cek Koneksi Cek Data Parameter
Ya Tidak Ya Tidak Analisa Hasil Memasang DVR
Gambar 8. Flowchart Simulasi Starting DOL dengan DVR menggunakan Software
IV. HASILDANPEMBAHASAN
A. Analisa Kedip Tegangan Starting DOL
Pada hasil simulasi awal, sistem yang digunakan adalah sistem kelistrikan tanpa rangkaian Dynamic Voltage Restorer. Pada simulasi ini gangguan kedip tegangan pada sistem kelistrikan industri didapat dari starting motor induksi tiga fasa. Berikut adalah hasil simulasi yang dilakukan dengan bantuan software.
1. Analisa Kedip Tegangan Starting DOL tanpa Dynamic Voltage Restorer
Pada gambar 9 terlihat bahwa, pada saat t = 0 s – 0.16 s tegangan turun menjadi V = 315 Volt atau V = 0,828947 pu. Tegangan turun tersebut terjadi karena adanya starting motor induksi berkapasitas besar.
Gambar 9. Hasil Simluasi Tegangan dan Arus Starting DOL
2. Analisa Kedip Tegangan Starting DOL dengan menggunakan Dynamic Voltage Restorer
Pada gambar 10 terlihat bahwa pada saat t = 0 s – 0.16 s tegangan dapat dipulihkan oleh DVR menjadi V = 366 Volt atau V = 0,963157 pu. Gangguan kedip tegangan menyebabkan tegangan turun hingga setengah dari nilai nominal, namun peralatan DVR mampu memberi kompensasi dengan baik sehingga tegangan dapat kembali ke nilai yang diijinkan.
Gambar 10. Hasil Simulasi Tegangan dan Arus Starting DOL dengan DVR B. Perbadingan Hasil Simulasi Kedip Teganngan Tanpa
DVR dan Dengan DVR
Dari tabel 3 dapat dilihat bahwa rangkaian DVR dapat memperbaiki gangguan kedip tegangan yang di akibatkan oleh starting motor induksi tiga fasa. Walaupun tengangan yang dikompensasi tidak sampai pada 1 pu namun drop tegangan dari tegangan beban setelah pemulihan dengan DVR masih dalam range yang diijinkan yaitu sebesar 0.95 pu – 1.05 pu.
Tabel 3 PERBANDINGAN HASIL SIMULASI KEDIP TEGANGAN TANPA DVR DAN DENGAN DVR
84
Percobaan
Simulasi
Starting DOL tanpa DVR (pu)
Starting DOL dengan DVR (pu)
Simulasi 1 0,828947 0,963157
Simulasi 2 0,810526 0,978947
Simulasi 3 0,773684 0,986842
Pada tabel 3 terlihat saat terjadi gangguan kedip tegangan keadaan sistem jauh lebih baik pada saat menggunakan Dynamic Voltage Restorer dibandingkan keadaan sistem tanpa menggunakan Dynamic Voltage Restorer. Hal ini dapat dilihat pada saat sistem dalam keaadan steady state dan terjadi gangguan kedip tegangan. hal ini menunjukkan bahwa Dynamic Voltage Restorer bekerja sangat baik dalam melindungi beban kritis terhadapa gangguan keidp tegangan akibat motor induksi tiga fasa.
C. Optimasi Tegangan Injeksi Dynamic Voltage Restorer Pada saat terjadi kedip tegangan dan rangkaian Dynamic Voltage Restorer belum terpasang, kondisi tegangan adalah sebesar 0,828947 pu dan setelah dilakukan pemasangan rangkaian Dynamic Voltage Restorer teagngan berubah menjadi 0,963157 pu. Dengan demikian tegangan yang diinjeksikan adalah sebesar 0.13421 pu. karena tegangan sumber adalah sebesar 380 V, maka tegangan optimasi Dynamic Voltage Restorer adalah (0.13421)(380) = 50,9998 V. Pada tabel 4 dapat dilihat hasil optimasi tegangan injeksi Dynamic Voltage Restorer pada simulasi yang dilakukan adalah sebagai berikut.
Tabel 4 HASIL OPTIMASI TEGANGAN INJEKSI DVR Percobaan Simulasi Optimasi Tegangan (V)
Simulasi 1 50,999
Simulasi 2 63,999
Simulasi 3 81
V. KESIMPULAN
Pemasangan Dynamic Voltage Restorer dapat memperbaiki kedip tegangan yang terjadi pada saat starting motor induksi tiga fasa. Ketika melakukan starting motor tegangan akan mengalami penurunan. Oleh karena itu dibutuhkan penambahan Dynamic Voltage Restorer untuk menjaga besar tegangan tetap pada kondisi nominalnya dan melindungi beban-beban sensitif yang ada pada industri agar tidak mengalami kerusakan.
REFERENSI
[1] R. Pratheeksha, K. M. Kavitha, N. H. Sridhar, K. J. Manaswi, Modeling & Simulation of a Dynamic Voltage Restorer (DVR), 2016, 1 2455-2631
[2] Kumari, Priyanka., Garg, Vijay Kumar, Simulation Of Dynamic Voltage Restorer Using Matlab To Enhance Power Quality In Distribution System, 2013, 3 1436-1441
[3] Matalata, Hendi., Analisa Kedip Tegangan Pada Saluran Udara 20 KV Akibat Gangguan Satu Phasa Ke Tanah Berdasarkan Jenis Konduktor Penyulang, 2018, 20 60-64
[4] Kumar , B. Sravan., Moinuddin, Khaja Khader Voltage Quality Improvement of Induction Motor Drive Using Hysteresis Controlled DVR, 2015, 07 1519-1524
[5] IEEE Recomemmended Practice for Monitoring Elektric Power Quality IEEE Std 1159 1995
[6] D. Y. Ohm, Dynamic Model of Induction Motors for Vector Control, 1997
[7] Yang , Kang Chia., Zen , Hushairi HJ., Ikhmar , Nur., Ayob, Najemeen Binti., Simulating Voltage Sag Using PSCAD Software, 2013, 7 1298-1302
[8] Muluk , Nizamul., Warsito , Agung., Juningtyastuti, Simulasi Pemulihan Kedip Tegangan Akibat Gangguan Arushubung Singkat Menggunakan Dynamic Voltage Restorer (DVR), 2017
[9] Abdul Kadir, Mesin Tak Serempak Edisi Kedua, 1986 [10] Zuhal. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, 1995 [11] Ismail, Analisis Kedip Tegangan Akibat Pengasutan Motor Induksi
Dengan Program Matlab, 2015, 29
[12] Pawawoi , Andi, Analisis Kedip Tegangan (Voltage Sags) Akibat Pengasutan Motor Induksi Dengan Berbagai Metode Pengasutan Studi Kasus Di PT. Abaisiat Raya, 2009, 32 49-56
[13] Saudin , Norshafinash Binti, Voltage Sags Mitigation Techniques Analysis, 2007
