ANALISA PENENTUAN AIR GAP TERHADAP PERFORMANCE MOTOR AC
APLIKASI MARINE USE AGUNG GINANJAR M*)
*) Mahasiswa Teknik Sistem Perkapalan FTK-ITS
Abstrak
Motor induksi atau biasa kita sebut dengan motor asinkron pada prinsipnya dipengaruhi juga dengan medan putar, perputaran pada motor induksi (motor AC) ditimbulkan oleh adanya medan putar ( Fluk yang berputar ) yang dihasilkan oleh kumparan medan pada stator. Medan putar ini biasanya terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, umumnya 3 fasa. Hubungan dapat berupa hubungan bintang maupun delta.Motor induksi / motor asinkron adalah motor 3 Ø dan sistem supply adalah supply tegangan 3 Ø ( R,S,T)
Motor induksi merupakan motor arus bolak balik atau AC , arus motor induksi didapatkan dari arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dan putaran medan putar pada stator.Dalam aplikasinya motor AC itu sendiri ada yang digunakan mayoritas di darat (Land Use) namun ada pula yang dalam penggunaannya lebih dominan di laut (Marine Use) misal pada kapal-kapal laut ataupun di dermaga sebagai motor listrik penggerak pompa celup bawah laut. Untuk motor listrik AC aplikasi Marine Use ada beberapa perbedaan dengan penggunaan Land Use antara lain adalah system isolasinya.Pada aplikasi marine use system isolasinya lebih rapat untuk mencegah kemungkinan terjadinya korsleting jika terdapat rembesan air yang masuk ataupun adanya uap air karena kelembapan motor itu sendiri akibat factor lingkungan.
Banyak hal yang menyebabkan suatu motor listrik mengalami kerusakan sehingga perlu untuk dilakukannya proses reparasi. Spek awal motor ac itu sendiri pada saat keluar dari pabrik pembuatnya tentu telah memiliki ukuran struktur maupun daya output dengan ketepatan sesuai dengan perhitungan, termasuk penentuan Air Gapnya.Namun kendala akan muncul pada saat proses reparasi akibat kerusakaan dari motor ac itu sendiri. Dalam beberapa contoh kasus, di mana kerusakan pada motor listrik tersebut sudah fatal sehingga harus dilakukan High Repair, dengan penggantian koil maupun parts lain, akan terjadi perubahan baik itu daya atau lainnya yang tidak sesuai dengan spek awal. Untuk itu analisa yang akan dilakukan adalah penentuan besaran air gap yang optimal sehingga performance motor ac dapat ditingkatkan pada proses setelah motor direparasi. Proses reparasi yang dilakukan terhadap kerusakan motor itu sendiri masih banyak menggunakan tenaga manusia, pada kasus tersebut tentu akan dapat kita temukan Human Error. Samplenya adalah pada saat proses penyatuan rotor dan stator, penghitungan Air Gap yang pada awal perakitan di pabrik tentu memiliki ketepatan yang tinggi, sedang pada kasus reparasi manual ada beberapa masalah seperti permukaan rotor yang tidak simetris akibat proses isolasi, di mana rotor akan dicor dengan bahan tertentu untuk melindungi dari masuknya air. Tentu akan sedikit lebih rumit dalam pemasangannya, karena celah atau air gap itu sendiri memiliki range efektif yang nilainya cukup kecil.
Berdasar permasalahan itulah analisa terhadap penentuan air gap yang optimal terhadap performance motor ac yang telah direparasi akan dilakukan. Dengan memodelkan motor ac menggunakan gambar 3 D, kemudian analisa dengan CFD. Diharapkan permasalahan tersebut dapat diselesaikan. Namun sebelumnya akan kita amati pula proses reparasinya dari awal hingga akhir. Mulai dari identifikasi masalah hingga masuk dalam tahap pengujian motor. Semisal surge tes, hipot tes, core tes, dll. Dengan begitu diharapkan adanya sinkronisasi antara hasil dari analisa dengan menggunakan CFD terhadap kondisi real di lapangan.
1. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Motor listrik sudah menjadi kebutuhan kita sehari-hari untuk menggerakkan peralatan dan mesin yang membantu perkerjaan. Dalam dunia marine kita banyak menjumpai motor-motor listrik sebagai sumber daya untuk menjalankan berbagai peralatan serta mesin di kapal. Untuk itu sangatlah erat kaitannya antara motor ataupun generator listrik dengan dunia marine. Beberapa contoh aplikasinya yaitu penggunaan motor listrik sebagai penggerak crane, berbagai macam pompa hingga generator yang digunakan pada saat proses bongkar muat di kapal. Ada beberapa perbedaan spesifikasi pada motor listrik untuk aplikasi darat atau Land Use dengan aplikasi Marine Use. Menyesuaikan dengan kondisi yang lebih ekstrim dalam penggunaannya di dunia marine, motor listrik dibekali beberapa pelengkap untuk keamanannya antara lain : heater (biasa diaplikasikan pada motor listrik dengan kapasitas yang besar), system isolasi (biasanya motor listrik baik stator maupun rotornya dicor dengan bahan tertentu) untuk mencegah terjadinya loncatan fluks yang tidak semestinya dikarenakan adanya air yang masuk. Pada motor bakar, motor listrik digunakan sebagai motor starter. Penggunaan motor listrik ini semakin berkembang karena memiliki keunggulan dibandingkan motor bakar, misalnya: kebisingan dan getaran lebih rendah, kecepatan putaran motor bisa diatur, lebih bersih, lebih kompak, dan hemat dalam pemeliharaan.
Motor AC lebih banyak digunakan daripada motor DC karena arus AC dapat dibangkitkan dan didistribusikan dengan biaya yang lebih murah daripada arus DC. Selain itu, motor AC memiliki keunggulan dalam hal biaya, ukuran, berat, dan membutuhkan lebih sedikit perawatan dibanding motor DC. Motor induksi sangkar tupai adalah jenis motor AC yang paling banyak digunakan dalam industri. Motor ini dapat dioperasikan di tempat di mana banyak terdapat gas dan debu atau pada kondisi yang sangat lembab dan akan beroperasi dengan sangat baik dengan sedikit perhatian. Motor ini tidak memiliki
sikat dan komutator, dan konstruksinya kuat, sehingga mampu menahan lonjakan arus yang besar, dan mudah untuk perbaikan dan perawatan. Dalam banyak kasus kerusakan pada motor AC antara lain adalah terjadinya korsleting yang memicu terbakarnya motor, di samping itu juga ada beberapa kasus besarnya vibrasi pada motor AC itu sendiri. Vibrasi yang timbul disebabkan oleh beberapa hal, yaitu : rotor unbalance (karena ketidakseimbangan statis maupun dinamis), ketidakseimbangan gaya magnit antara stator dan rotor (yang disebabkan karena celah udara/air gap yang tidak simetris).
Hal – hal yang tersebut di atas sangat erat kaitannya dengan celah udara atau air gap antara rotor dan core pada stator. Celah ini memang harus ada, sehingga rotor dapat berputar tanpa bergesekan dengan core. Dalam kenyataannya jarak yang disisakan sebagai gap tidak begitu besar. Biasanya dalam hitungan mm. Dengan begitu dalam penentuan besaran Air Gap, akan dilakukan analisa percobaan maupun simulasi 3D, sehingga diharapkan akan didapat suatu kesimpulan mengenai analisa dalam penentuan air gap serta range efektifnya terhadap performance motor AC aplikasi Marine Use.
1.2. Perumusan Masalah
Permasalahan utama yang akan dijawab dalam analisa ini adalah bagaimana cara menentukan range efektif Air Gap pada motor ac yang telah direparasi sehingga dapat mengoptimalkan kinerjanya.
Untuk menjawab permasalahan tersebut dilakukan dengan menjawab detail permasalahan sebagai berikut :
Pemilihan motor AC tiga phase dengan range 5-10 HP spesifikasi Marine Use.
Melakukan testing machine untuk mengetahui permasalahannya. Setelah menemukan sumber
permasalahannya lalu mengamati proses reparasinya.
Setelah melewati beberapa tahap hingga masuk pada tahap penyatuan rotor dengan stator, catat data Air
Gap. Lalu pada saat proses trial, amati efektifitas kinerja motor. Buat kesimpulan atas data-data
tersebut. Buat dalam model 3 D analisis.
1.3. Tujuan
1. Untuk mengetahui pengaruh besarnya kecilnya gap udara di antara rotor dengan core pada stator. 2. Untuk menentukan range efektif air
gap pada motor ac yang telah direparasi.
3. Mengoptimalkan kinerja motor dengan membuat simulasi dari perhitungan range air gap.
4. Analisa panas pada rotor akibat perpindahan panas dari stator melewati media udara (Air Gap)
4.1. Batasan masalah
Adapun batasan masalah dalam pengerjaan skripsi ini adalah
1. Hanya dilakukan pada motor AC tiga phase dengan range 5-10 HP aplikasi Marine Use. 2. Tidak melakukan analisa
ekonomi.
3. Semua data-data diambil dari sample motor AC yang direparasi di ABB Sakti Industri Surabaya dan project guide di internet.
4. Akan dilakukan pemodelan serta analisa 3D.
5. Permasalahan yang akan diselesaikan adalah bagaimana menentukan range Air Gap yang efektif untuk meningkatkan performance motor AC.
1.5 Manfaat Skripsi
Manfaat yang diperoleh dari penulisan skirpsi ini adalah sebagai berikut
1. Dapat mengetahui tentang motor AC lebih mendalam
2. Dapat menentukan range efektif Air Gap pada motor AC dengan
pendekatan langsung ke lapangan maupun dengan simulasi 3D
3. Dapat mengoptimalkan kinerja motor AC
4. Dapat mencegah terjadinya rotor unbalance akibat air gap yang tidak simetris karena terjadinya rugi akibat panas pada rotor
5. METODOLOGI
Dalam menyelesaikan skripsi ini dibutuhkan tahapan-tahapan yang berupa proses yang dimulai dari mengidentifikasi masalah yang ada hingga hasil akhir yang diharapkan. Tahapan-tahapan proses yang dimaksud antara lain :
5.1. Identifikasi dan Perumusan
Masalah
Identifikasi masalah dilakukan dengan mempelajari secara langsung keadaan di lapangan dan bantuan secara langsung dari pihak PT. ABB Sakti Industri sebagai perusahaan Turbocharge dan Electrical, Surabaya. Setelah dilakukan identifikasi, permasalahan yang didapatkan adalah banyaknya motor maupun generator yang akan direparasi mengalami unbalance rotor. Hal itu berakibat pada bergesekannya rotor dengan core pada stator, sehingga dapat memicu terjadinya korsleting. Banyak faktor memang yang menjadi akar permasalahannya,semisal bearing yang retak dll. Namun pada Tugas Akhir ini penulis akan melakukan analisa optimasi terhadap Air Gap ataupun celah udara yang aman pada saat diterapkan terutama setelah motor Ac mengalami proses reparasi.
5.2. Studi Literatur
Study literatur dilakukan untuk mempelajari teori-teori dasar permasalahan yang diangkat dalam tugas akhir ini. Dengan tujuan untuk mendapatkan pengetahuan dasar dan penelitian-penelitian sebelumnya yang dapat digunakan sebagai acuan penelitian selanjutnya. Pada tahap ini dilakukan study terhadap referensi-referensi yang terdapat pada tugas akhir yang terdahulu, internet, jurnal, buku dan wawancara dari pihak perusahaan. Informasi yang dibutuhkan pada tahap ini diantaranya adalah mengenai pengetahuan tentang Motor AC, rumusan penghitungan Air Gap,
aplikasi model 3D yang akan berkorelasi dengan rumus penghitungan Air Gap, simulasi model 3D dengan memperhatikan pengaruh lingkungan semisal suhu dan kelembapan.
4.3. Pengumpulan Data Yang Dibutuhkan Untuk Proses Penghitungan
Data-data yang dibutuhkan pada proses perhitungan merupakan data pada motor AC yang digunakan untuk aplikasi Marine Use. Data-data yang dikumpulkan seperti dimensi motor AC, project guide motor AC, data kerusakan dan reparasi, dll.
1.Simulasi dengan CFD
Permasalahan yang telah diidentifikasikan, dimodelkan untuk disimulasikan dengan CFD ANSYS Software CFX v11. Dari hasil simulasi ini didapatkan data-data yang menarik diolah lebih lanjut untuk mendapatkan informasi yang sesuai dengan tujuan penelitian. Selain data numeric, dari simulasi ini juga bisa diperoleh visualisasi dari animasi aliran udara yang terinduksi di antara rotor dan core pada stator.
a) Tahap ICEM
Penggamba ran model motor induksi 3 phase yang terdiri atas rotor dan stator dalam 3 dimensi. Pada proses ini juga dilakukan Meshing . Convert file agar dapat dibaca pada tahap Pre-Processor. Untuk gambar juga diberikan surface.
Gambar Rotor, Stator dengan Arah Inlet serta Outlet
b) Tahap pre-processor
Tahap ini terdiri dari input problem
untuk program CFD dengan menggunakan operator - friendly interface.Input
problem tadi
ditransformasikan dalam bentuk yang sesuai dengan digunakan oleh solver.
Input parameter pada proses ini dilakukan lima macam variasi data air gap antara lain :
Air Gap 0.4 mm
Suhu Stator = 600,800,1300 C Suhu udara masuk = 330 C Putaran rotor 1750 RPM
Velocity udara = 1 m/s dan 3 m/s Bahan : copper (tembaga) Air Gap 1.5 mm
Suhu Stator = 600,800,1300 C Udara pada suhu 330 C Putaran rotor 1750 RPM
Velocity udara = 1 m/s dan 3 m/s Bahan : copper (tembaga) Air Gap 2 mm
Suhu Stator = 600,800,1300 C Udara pada suhu 330 C Putaran rotor 1750 RPM
Velocity udara = 1 m/s dan 3 m/s Bahan : copper (tembaga) Air Gap 3 mm
Suhu Stator = 600,800,1300 C Udara pada suhu 330 C Putaran rotor 1750 RPM
Velocity udara = 1 m/s dan 3 m/s Bahan : copper (tembaga) Air Gap 4 mm
Suhu Stator = 600 C Udara pada suhu 330 C Putaran rotor 1750 RPM
Velocity udara = 1 m/s dan 3 m/s Bahan : copper (tembaga)
c) Tahap CFX solver
Program solver CFD ini bertujuan untuk
melakukan proses
pengolahan data (running
progress) dengan
perhitungan numerik komputer dari semua parameter-parameter yang telah ditentukan pada domain dan boundary condition di atas.
Pada tahap ini, parameter yang digunakan adalah :
Iterasi = 100
Timescale control = Automatic time scale
a) Iterasi diatas
digunakan untuk
memperoleh konvergensi, yaitu kesesuaian (matching) antara input simulasi (boundary condition dan parameter lain) atau tebakan yang diberikan dengan hasil perhitungan yang diperoleh (kriteria output). Semakin kecil selisih konvergensi maka hasil yang diperoleh semakin akuratCFX - Visualise
Setelah melalui tahap pre-processor dan solver, maka tahap berikutnya adalah post - processor atau CFX - Visualise ini akan menghasilkan bentuk informasi yang dapat diambil berupa numerik dan grafis. Setiap titik yang disimulasikan akan meghasilkan data tentang variable-variable sifat-sifat fluida yang mengalir. d) Tahap Post Processor (Visualise) Tahap post ini bertujuan untuk menampilkan hasil pengolahan data yang telah dilakukan pada proses solver. Hasil yang diperolah dapat berupa data numerik maupun data visual. Data yang diperoleh akan digunakan sesuai dengan tujuan dari
percobaan yang dilakukan dan sebagai validasi. Untuk proses validasi, data yang digunakan adalah total temperature rotor yang diambil dari function calculator pada tahap post.
Berikut ini adalah contoh data visual yang diambil dari tahap post berdasarkan proses simulasi.
Gambar menunjukkan arah fluida yang melewati motor
2. Studi Tahap Validasi .
Proses penelitian pendekatan CFX melalui beberapa tahap validasi. Tahap validasi untuk mengetahui model itu sesuai dalam CFX.
a. Convergence.
Pada tahap ini proses iterasi perhitungan akan selalu dikontrol
dengan persamaan
pengendali. Jika hasil perhitungan sesuai dengan tingkat kesalahan yang ditentukan, maka komputasi akan terus berjalan.
b. Grid Independence.
Besarnya jumlah cell yang kita gunakan dalam perhitungan akan menentukan keakuratan hasil yang didapat. Tetapi tidak selamanya dengan jumlah cell yang banyak akan menambah keakuratan hasil perhitungan . Dengan demikian pengguna dituntut untuk dapat menentukan jumlah cell yang optimum, agar waktu dan memori computer yang terpakai tidak terlalu besar.
4.4 Analisa dan Kesimpulan Setelah dilakukan proses analisa yang meliputi analisa meshing, analisa data, analisa grafik, analisa sifat fluida selanjutnya adalah menarik kesimpulan dari hasil penelitian. Dan kemudian adalah
memberikan saran-saran yang berupa masukan dan pertimbangan bagi pihak PT. ABB Sakti Industri agar penentuan Air Gap dapat optimal pada motor AC yang direparasi serta meminimalkan kerusakan yang dapat terjadi.
` Gambar hasil data air gap 2 mm, 1m/s air flow, 800C Menunjukkan fungsi kalkulasi untuk menghitung total temperature (dalam hal ini pada rotor). Hasil pada proses CFX Post : Panas pada rotor akibat perpindahan atau transfer panas dari stator = 52.0440 C
Analisa Data dari Proses Simulasi
Pada tahap analisa ini, data yang diperoleh dari proses simulasi diambil untuk menentukan proses validasi dan variasi dari percobaan yang dilakukan. Dapat dilihat dari gambar, baik dari data pertama maupun kedua. Panas yang bersumber pada stator, dalam hal ini lilitan pada stator menggunakan vahan dari copper/tembaga. Memiliki angka constan pada 235.
Transfer panas terus menerus akan mengurangi effisiensi dari motor itu sendiri. Kedekatan jarak air gap di sini memiliki dua
peran ganda,di satu sisi dengan posisinya yang mendekati rapat maka flux yang terjadi akibat perbedaan medan putar stator dengan dapat terjaga dan mempertahankan effisiensi. Di sisi lain adalah panas yang tercipta di stator dapat dengan mudah merambat pada rotor, sehingga akan terjadi rugi-rugi tembaga rotor dan lain-lain. Pada suatu saat dapat menurunkan kinerja motor, misal memperberat kinerja bearing yang memiliki batas suhu yang ideal dalam pengoperasiannya. Maka dalam beberapa kasus terdapat masalah pada komponen mekanikal ini.
Kesimpulan
1. Secara garis besar jarak air gap memang penting di mana ada suatu range dalam penentuannya untuk dapat memperoleh effisiensi yang baik. Range berkisar antara 0.4 mm hingga 4 mm.
2. Dengan pengamatan di lapangan (PT. ABB SAKTI INDUSTRI Surabaya), proses terjadinya kerusakan pada motor adalah karena kerusakan pada bearing. Di mana bearing gagal akibat terjadinya panas berlebih pada motor
secara terus menerus. Ditengarai penggunaan motor melebihi waktu batas pemakaian (Duty = 60 menit). 3. Untuk membuktikan hal tersebut
memang terjadi adalah dengan simulasi CFD, dengan input parameter sebanyak lima macam variasi data Air Gap. Kemudian mengamati perpindahan panas yang dihasilkan stator ke rotor melewati Air Gap (0.4 mm, 1.5 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm). Transfer tersebut cukup banyak menimbulkan rugi-rugi,salah satunya rugi tembaga rotor.
4. Rugi tembaga rotor juga cukup berpengaruh terhadap komponen mekanikal seperti bearing, jika terjadi dalam kurun waktu tertentu dapat mempercepat gagalnya suatu komponen yang berhubungan langsung utamanya.
5. Terjadinya slip motor adalah salah satu pengaruh pada timbulnya flux yang menghasilkan medan magnet. Karena perbedaan Nr dan Ns.
Saran
1. Penelitian lebih lanjut dengan menggunakan finite element, untuk lebih mengetahui efek yang terjadi pada benda yang dilakukan heat analysis.
2. Menyeimbangkan elemen elektrik dengan mekanik untuk mendapatkan hasil effisiensi motor yang baik.
