Analisis dan Simulasi Karakteristik Motor Induksi Lima Fasa
DAFTAR PUSTAKA
[1] G. Aroquiadassou, F. Betin dan A. Mpanda-Mabwe, ”Six Phase Induction Machine Drive Model for Fault Tolerant Operation”, IEEE International Symposium SDEMPED (Agustus 2009): 1-6
[2] V. Pant, G.K. Singh dan S.N. Singh, “Modeling of a Multi-Phase Induction Machine Under Fault Condition”, IEEE International Conference PEDS (Juli 1999): 92-97
[3] J.M. Apsley dan S. Williamson, “Analysis of Multi-Phase Induction Machines With Winding Faults”, IEEE International Conference on Electric
Machines and Drives (Mei 2005): 249-255
[4] G. Aroquiadassou, H. Henao dan G.A. Capolino, “Experimental Analysis of The dq0 Stator Current Component Spectra of a 42 V Fault Tolerant Six Phase Induction Machine Drive With Opened Stator Phases”, IEEE International Symposium SDEMPED (September 2007): 52-57 [5] T.M. Jahns, “Improved Reliability In Solid-State AC Drives By Means of
Multiple Independent Phase-Drive Units”, IEEE Transactions (Mei 1980): 321-331
[6] H.A. Toliyat, “Analysis and Simulation of Five Phase Variable Speed Induction Motor Drives under Asymmetrical Connections”, IEEE Transaction on Power Electronics (1998): 748-756
[7] H.A. Toliyat, T.A. Lipo dan J.C. White, “Analysis of a Concentrated Winding Induction Machine for Adjustable Speed Drive Application-part I (Motor Analysis)”, IEEE Transaction on Energy Conversion (1991): 679-683
(2)
[8] H.A. Toliyat, T.A. Lipo dan J.C. White, “Analysis of a Concentrated Winding Induction Machine for Adjustable Speed Drive Application-part II (Motor Design and Performance)”, IEEE Transaction on Energy Conversion (1991): 684-692
[9] P.G. Sharma dan S. Rangari, “Simulation of Inverter Fed Five Phase Induction Motor”, IJSR (2013): 127-132
[10] A. S. Nanoty dan A. R. Chudasama, “Design of Multiphase Induction Motor for Electric Ship Propulsion”, IEEE Transaction on Energy Conversion (2011): 283-287
[11] M.B. Astik, “Dynamic Modelling and Simulation of Five Phase Induction Motor”, IJAREEIE (2015); 1998-2005
[12] B.K. Bose, “Modern Power Electronics and AC Drives”, Pearson Education Pvt. Ltd., Delhi (2003): 3rd Edition
[13] Chee-Mun Ong, “Dynamic Simulation of Electric Machinery Using Matlab/ Simulink”, Prentice Hall PTR, New Jersey (1998)
(3)
BAB III
METODE PENELITIAN
III.1 Jenis Penelitian
Jenis penelitian yang diterapkan adalah penelitian dasar (basic research) dan akan disimulasikan dengan menggunakan software Matlab (Simulink).
III.2 Lokasi dan Waktu Penelitian
Penelitian akan dilakukan pada Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Penelitian akan dimulai 1 minggu setelah seminar proposal disetujui (minggu kedua Bulan Agustus) dan akan dilaksanakan selama 1 bulan.
III.3 Bahan dan Peralatan Penelitian
Adapun bahan yang digunakan dalam penelitian ini adalah data spesifikasi motor induksi lima fasa pada jurnal internasional. Sedangkan peralatan yang digunakan dalam penelitian berupa software Matlab (Simulink) R2013a.
III.4 Variabel atau Aspek Penelitian
Variabel yang diamati pada penelitian ini adalah: a) Variabel bebas
a) Tegangan per fasa pada motor induksi lima fasa b) Arus per fasa pada motor induksi lima fasa c) Jumlah fasa pada motor induksi
(4)
b) Variabel terikat
a) Torsi yang dihasilkan dari simulasi motor induksi lima fasa b) Kecepatan rotor yang dihasilkan dari simulasi motor induksi
lima fasa
III.5 Flowchart Penelitian
Mulai
Membuat Diagram Blok Simulink
Manghitung Torsi dan Kecepatan Memasukkan Data (V, Rr, Rs, Xr, Xs, J,
Xm, TL)
Menjalankan Simulasi
Berhenti
Menampilkan Hasil Torsi atau Kecepatan
(5)
III.6 Prosedur Penelitian
Berdasarkan gambar 3.1 teknik penghitungan, pengolahan data dan simulasi dapat dijabarkan sebagai berikut:
a) Membuat diagram blok Simulink b) Memasukkan data
Data-data yang dibutuhkan untuk menghasilkan torsi elektromekanik dan kecepatan putaran rotor dimasukkan setelah pemodelan selesai dibuat. Data yang diperlukan antara lain :
a) Tegangan stator
b) Resistansi rotor dan stator c) Impedansi rotor dan stator d) Momen inersia
e) Induktansi bersama c) Menjalankan simulasi
Sebelum menjalankan simulasi, dipilih terlebih dahulu variabel yang akan diamati. Kemudian disimulasikan, pada simulasi ini akan dilakukan otomasi perhitungan oleh software Matlab R2013a berdasarkan bentuk model yang telah dibuat.
d) Menghitung hasil
Perhitungan untuk menampilkan hasil torsi dan kecepatan dilakukan secara otomatis.
e) Menampilkan hasil
Software akan menampilkan hasil pengukuran torsi elektromekanik dan kecepatan putaran rotor dari motor induksi lima fasa.
(6)
f) Memvariasikan data beban
Untuk mendapatkan kurva karakteristik torsi motor induksi lima fasa, maka perlu adanya variasi beban pada simulasi. Variasi ini akan menggunakan lima data beban yang berbeda, mulai dari beban nol hingga beban yang berat.
(7)
BAB IV
HASIL ANALISIS DAN SIMULASI
IV.1 Umum
Untuk mendapatkan hasil torsi dan kecepatan yang dihasilkan oleh motor induksi lima fasa maka perlu ditentukan dahulu tegangan input motor dan parameter resistansi, induktansi, dll. Dengan demikian, bentuk gelombang arus masing-masing fasa, kecepatan dan torsi dapat diperoleh dengan menghitung nilai setiap parameter dan tegangan yang didapat.
IV.2 Menentukan Tegangan Input
Sumber tegangan input untuk motor induksi digunakan sumber gelombang sinus seperti pada gambar 4.1.
Gambar 4.1 Blok model sumber tegangan
Besar tegangan yang digunakan yakni: !
!!! = 1,38 !!!!
(4.1) !
!!! = 1,38 .220=258,5 !"#$
Sehingga amplitudo maksimumnya sebesar: !! = 2 !
!!!
(8)
!! = 2 .258,5=365,57≅370 !"#$
Frekuensi yang dipakai adalah frekuensi jala-jala, yakni sebesar 50 Hz. Namun frekuensi ini harus dikonversi menjadi radian/sekon, sehingga:
!"#
! = 2 ! !"#$%
(4.3) !"#
! =2 ! 50=314,16≅315
Nilai dari parameter ini kemudian dimasukkan ke dalam blok model sumber tegangan lima fasa, seperti pada gambar 4.2. Sehingga akan terlihat bentuk gelombang output seperti pada gambar 4.3.
(9)
Gambar 4.3 Bentuk gelombang tegangan output
IV.3 Menetukan Parameter
Untuk parameter resistansi, induktansi, momen inersia dan jumlah kutub diperoleh dari jurnal internasional. Nilai dari masing-masing parameter ini ditunjukkan pada gambar 4.4. Namun asal dari masing-masing parameter akan dibahas berikut.
Gambar 4.4 Inisialisasi parameter motor induksi lima fasa
Penentuan masing-masing parameter didapat dari: a) Resistansi stator
Resistansi stator (RS) didapat dari percobaan DC, yaitu dengan menghubungkan sumber tegangan DC (VDC) pada dua terminal input dan
(10)
arus DC-nya (IDC) diukur. Di sini tidak mengalir arus rotor karena tidak ada tegangan yang terinduksi. Harga RS dapat diperoleh melalui persamaan:
!! = !!" 2∗!!" Dari jurnal diperoleh RS = 1,24 Ω
b) Resistansi rotor
Resistansi rotor (Rr) didapat dari percobaan Block Rotor, yakni pada pengukuran ini rotor dipaksa tidak berputar (slip = 1) . Nilai RC dan jXm dapat diabaikan, sehingga didapat impedansi per fasa sebesar:
!!" =!!+!
!+!(!!" +!!")
Dengan menggunakan data tegangan, arus, daya dan frekuensi percobaan dapat diperoleh XBR dan RBR sebesar:
!!" =
!!"
!!" = !! +!! Dari jurnal diperoleh Rr = 1,03 Ω
c) Reaktansi stator dan rotor
Kedua reaktansi juga didapat dari percobaan Block Rotor, sehingga didapat:
!!" = !!"! −!!"!
Sehingga diperoleh nilai induktansi stator dan rotor untuk rotor belitan, yakni:
(11)
!!" =!!"−!!"
Dari jurnal diperoleh XlS = 4,7 x 10-3 H dan Xlr = 1,7 x 10-3 H d) Induktansi magnetisasi
Induktansi ini didapat dari percobaan beban nol, yaitu saat motor dioperasikan pada tegangan rating dan tidak dihubungkan ke beban. Saat tegangan sumber disuplai, maka akan terbaca arus yang mengalir yakni sebesar:
!!" = !!"
!!"
Kemudian dapat dihitung impedansi “medan” beban nol, yakni sebesar:
!!"# =!!"− !!+!!!"
Sehingga harga Xm dapat diperoleh melalui persamaan:
!!= !!"#
!!
Dari jurnal diperoleh Xm = 0,045 Ω e) Momen inersia
Untuk momen inersia dari rotor dapat diperoleh melalui persamaan:
!= ! !! 4 + ! 3 ! 4 dimana,
m = massa silinder rotor D = diameter rotor l = panjang rotor
(12)
IV.4 Simulasi
Sebelum melakukan simulasi, pertama-tama perlu membuat model diagram blok dari motor induksi lima fasa pada Simulink. Isi dari diagram blok ini merupakan rumus perhitungan yang telah dijabarkan pada bab II. Sehingga penjumlahan, pengurangan, perkalian dan pembagian dilakukan secara otomatis dan dapat menghasilkan nilai arus, torsi dan kecepatan motor induksi. Berikut adalah diagram blok motor induksi lima fasa.
Gambar 4.5 Diagram Blok Motor Induksi pada Simulink
IV.4.1 Torsi Beban 1 Nm
Tampilan hasil perhitungan untuk gelombang arus masing-masing fasa ditunjukkan pada gambar 4.6. Pada start awal, arus yang dihasilkan cukup besar yakni sebesar 255,9 A. Namun, akan mencapai steady state pada detik ke-0.045.
(13)
Gambar 4.6 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 1 Nm)
Sedangkan untuk besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi ditunjukkan pada gambar 4.7.
Gambar 4.7 Grafik Te vs TL (TL = 1 Nm)
Dari gambar dapat terlihat bahwa torsi terbesar yang mampu dihasilkan saat ini adalah 642,7 Nm. Adapun rotor berputar pada kecepatan tertinggi 639,2 rpm ditunjukkan pada gambar 4.8.
(14)
Gambar 4.8 Grafik ωr (TL = 1 Nm)
IV.4.2 Torsi Beban 5 Nm
Tampilan hasil perhitungan untuk gelombang arus masing-masing fasa ditunjukkan pada gambar 4.9. Pada start awal, arus yang dihasilkan tidak terlalu besar yakni sebesar 255,98 A. Namun, akan mencapai steady state pada detik ke-0,048.
(15)
Sedangkan untuk besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi ditunjukkan pada gambar 4.10.
Gambar 4.10 Grafik Te vs TL (TL = 5 Nm)
Dari gambar dapat terlihat bahwa torsi terbesar yang mampu dihasilkan saat ini adalah 629,9 Nm. Adapun rotor berputar pada kecepatan tertinggi 640,3 rpm ditunjukkan pada gambar 4.11.
(16)
IV.4.3 Torsi Beban 10 Nm
Tampilan hasil perhitungan untuk gelombang arus masing-masing fasa ditunjukkan pada gambar 4.12. Pada start awal, arus yang dihasilkan tidak terlalu besar yakni sebesar 255,5 A. Namun, akan mencapai steady state pada detik ke-0,049.
Gambar 4.12 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 10 Nm)
Sedangkan untuk besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi ditunjukkan pada gambar 4.13.
(17)
Dari gambar dapat terlihat bahwa torsi terbesar yang mampu dihasilkan saat ini adalah 624,9 Nm. Adapun rotor berputar pada kecepatan tertinggi 641,3 rpm ditunjukkan pada gambar 4.14.
Gambar 4.14 Grafik ωr (TL = 10 Nm)
IV.4.4 Torsi Beban 20 Nm
Tampilan hasil perhitungan untuk gelombang arus masing-masing fasa ditunjukkan pada gambar 4.15. Pada start awal, arus yang dihasilkan cukup besar yakni sebesar 255,6 A. Namun, akan mencapai steady state pada detik ke-0,053.
(18)
Gambar 4.15 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 20 Nm)
Sedangkan untuk besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi ditunjukkan pada gambar 4.16.
Gambar 4.16 Grafik Te vs TL (TL = 20 Nm)
Dari gambar dapat terlihat bahwa torsi terbesar yang mampu dihasilkan saat ini adalah 705,4 Nm. Adapun start awal rotor berbeda dari sebelumnya, yakni menghasilkan putaran pada kecepatan yang rendah, sebesar 638,7 rpm
(19)
Gambar 4.17 Grafik ωr (TL = 20 Nm)
IV.4.5 Torsi Beban 40 Nm
Tampilan hasil perhitungan untuk gelombang arus masing-masing fasa ditunjukkan pada gambar 4.18. Pada start awal, arus yang dihasilkan cukup besar yakni sebesar 255,4 A. Namun, akan mencapai steady state pada detik ke-0,058.
Gambar 4.18 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 40 Nm)
Sedangkan untuk besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi ditunjukkan pada gambar 4.19.
(20)
Gambar 4.19 Grafik Te vs TL (TL = 40 Nm)
Dari gambar dapat terlihat bahwa torsi terbesar yang mampu dihasilkan saat ini adalah 684,3 Nm. Adapun start awal rotor berbeda dari sebelumnya, yakni menghasilkan putaran pada kecepatan yang rendah, sebesar 642,3 rpm ditunjukkan pada gambar 4.20.
Gambar 4.20 Grafik ωr (TL = 40 Nm)
(21)
lima fasa tidak terlalu mempengaruhi kinerja motor tersebut yang ditampilkan pada tabel 1 dan ditunjukkan pada gambar 4.21.
Tabel 4.1 Hasil simulasi motor induksi lima fasa
Torsi Beban
Arus (Ampere)
Torsi Start (Nm)
Kecepatan Rotor (rpm) Waktu Steady (detik) Start Steady Start Steady
1 Nm 255,9 38,8 642,7 639,2 522,7 0,045 5 Nm 255,9 38,6 629,9 640,3 522,7 0,048 10 Nm 255,5 38,8 624,9 641,3 522,8 0,049 20 Nm 255,6 38,7 705,4 638,7 522,6 0,053 40 Nm 255,4 38,7 684,5 642,3 539,2 0,058
Gambar 4.21 Grafik Perbandingan Hasil Simulasi dari Setiap Torsi Beban 0 100 200 300 400 500 600 700 800
Start Steady Start Steady Arus (Ampere) Torsi Start
(Nm)
Kecepatan Rotor (rpm) Waktu Steady (detik) 1 Nm 5 Nm 10 Nm 20 Nm 40 Nm
(22)
BAB V PENUTUP
V.1 Kesimpulan
a) Besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi lima fasa bervariasi, yakni:
• Untuk TL = 1 Nm, torsi maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 642,7 Nm.
• Untuk TL = 5 Nm, torsi maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 629,9 Nm.
• Untuk TL = 10 Nm, torsi maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 624,9 Nm.
• Untuk TL = 20 Nm, torsi maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 705,4 Nm.
• Untuk TL = 40 Nm, torsi maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 684,3 Nm.
b) Kecepatan putaran rotor yang mampu dihasilkan motor induksi lima fasa bervariasi, yakni:
• Untuk TL = 1 Nm, putaran maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 639,2 rpm.
• Untuk TL = 5 Nm, putaran maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 640,3 rpm.
• Untuk TL = 10 Nm, putaran maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 641,3 rpm.
(23)
• Untuk TL = 20 Nm, putaran maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 638,7 rpm.
• Untuk TL = 40 Nm, putaran maksimum yang mampu dihasilkan sebesar 642,3 rpm.
c) Beban yang bervariasi membuat kinerja motor induksi lima fasa juga turut berubah-ubah. Saat beban yang dipikul sangat ringan, arus, torsi dan kecepatan rotor yang dihasilkan cukup besar. Namun seiring bertambahnya beban akan membuat motor induksi lima fasa meningkatkan torsi awal, akan tetapi kecepatan rotor yang dihasilkan menjadi semakin menurun.
d) Untuk parameter motor induksi secara umum didapat dari jurnal internasional, parameter inilah yang menjadi dasar perhitungan tegangan d-q, arus masing-masing fasa dan distribusi fluks yang akhirnya akan menentukan nilai torsi dan kecepatan motor induksi.
V.2 Saran
a) Bagi para pembaca yang ingin melanjutkan penelitian ini disarankan untuk menentukan efisiensi motor induksi lima fasa.
b) Bagi para pembaca dapat melanjutkannya penelitian dengan membuat prototype nyata.
c) Bagi para pembaca dapat melanjutkan penelitian ini dengan membuat serta membandingkan dengan motor multifasa lainnya (contoh: 6 fasa, 9 fasa, dll) dan menentukan kinerja mana yang terbaik.
(24)
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Motor Induksi
II.1.1 Umum
Motor induksi merupakan motor arus bolak – balik (AC) yang paling luas digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa 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 arus stator.
Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki efisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Hampir semua motor AC yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian.
Motor induksi tiga fasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi ada juga kelemahannya. Keuntungan motor induksi:
1. Motor induksi sederhana dan kuat 2. Biayanya murah dan dapat diandalkan
3. Motor induksi memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal 4. Perawatannya mudah
(25)
BAB I PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Motor induksi (asinkron) merupakan salah satu elemen terpenting dalam dunia kelistrikan dan perindustrian. Motor jenis ini sangat luas penggunaannya dan mudah ditemui dimanapun. Motor induksi satu fasa dan tiga fasa sangat sering digunakan dikarenakan konstruksinya yang sederhana, ketahanannya dan performanya yang mumpuni. Akan tetapi motor induksi multifasa (lebih dari tiga) menjadi lebih terkenal dan telah dipelajari selama beberapa tahun terakhir. Hal ini disebabkan oleh keuntungan yang dimilikinya jika dibandingkan dengan motor induksi tiga fasa konvensional atau motor induksi yang memiliki jumlah fasa yang lebih sedikit. Beberapa keuntungannya adalah tingkat toleransi gangguan yang tinggi[1-4], efisiensi yang tinggi, riak arus yang rendah, ayunan torsi yang rendah, keandalan[5] dan besar torsi yang mampu dihasilkan dengan ukuran konstruksi yang sama[6-8]. Selain itu motor induksi multifasa mampu untuk mengurangi arus harmonis rotor per fasa tanpa menaikkan tegangan per fasanya[9].
Awalnya, motor multifasa ini jarang digunakan dikarenakan oleh ketidaktersediannya sumber multifasa. Namun seiring dengan perkembangan dan kemajuan di bidang elektronika daya, minat pada motor multifasa meningkat secara tajam. Bersamaan dengan itu, perangkat elektronika berdaya besar digunakan sebagai sakelar pada Voltage Source Inverter (VSI), hasil keluaran (output) dari VSI akan menjadi masukan (input) untuk motor multifasa. Penggerak (drive) multifasa ini diaplikasikan pada tempat yang spesial, dimana
(26)
keandalan yang tinggi dibutuhkan, seperti pada kendaraan listrik/ campuran (hybrid), aplikasi ruang angkasa, tenaga pendorong (propulsion) kapal dan daya tarik (traction) lokomotif kereta[10].
Pada tugas akhir ini, penulis akan menganalisis dan menyimulasi dari motor induksi lima fasa dengan menggunakan VSI sebagai sumbernya dengan menggunakan software Matlab (Simulink). Diharapkan melalui studi ini akan diperoleh hasil torsi, kecepatan dan parameter karakteristik dari motor induksi lima fasa.
I.2 Rumusan Masalah
Adapun rumusan masalah pada tugas akhir ini adalah:
1. Berapa besar torsi yang mampu dihasilkan motor induksi lima fasa? 2. Berapa besar kecepatan rotor yang mampu dihasilkan motor induksi
lima fasa ?
3. Apa pengaruh perubahan beban pada torsi dan kecepatan motor induksi lima fasa ?
4. Bagaimana parameter karakteristik pada motor induksi lima fasa ?
I.3 Batasan Masalah
Adapun batasan masalah yang penulis berikan pada tugas akhir ini adalah:
1. Analisis pemodelan dan simulasi motor induksi lima fasa
menggunakan software Matlab (Simulink) R2013a
2. Simulasi yang dilakukan tanpa mempertimbangkan adanya gangguan dan arus harmonis yang mungkin terjadi
(27)
4. Penelitian ini tidak membahas soal prinsip kerja dari inverter
5. Penelitian ini tidak membahas mengenai aliran daya dan efisiensi motor induksi
I.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penulisan tugas akhir ini sesuai dengan judul di atas adalah:
1. Mensimulasikan dan menganalisis torsi dan kecepatan motor induksi lima fasa
2. Menghitung parameter karakteristik motor induksi lima
I.5 Manfaat Penelitian
Melalui tugas akhir ini diharapkan bisa menjadi referensi bacaan yang akan menambah wawasan para pembaca. Selain itu tugas akhir ini diharapkan dapat digunakan sebagai bahan ajar pembanding dengan teori motor induksi tiga fasa, serta dapat digunakan sebagai referensi untuk pengembangan penelitian berikutnya.
(28)
ABSTRAK
Motor induksi merupakan mesin listrik yang paling sering dijumpai di dunia kelistrikan dan perindustrian. Umumnya motor induksi tiga fasa dipilih dan digunakan untuk beroperasi. Tentunya motor induksi ini memiliki banyak kelebihan, namun tidak terhindar oleh beberapa kekurangan. Oleh karena itu perlu adanya penelitian lebih lanjut untuk mengembangkan potensi motor induksi agar dapat digunakan secara maksimal. Seiring berkembangnya teknologi elektronika memungkinkan para peneliti mengembangkan motor induksi multifasa. Tugas akhir ini berisi tentang analisis dan simulasi karakteristik motor induksi lima fasa yang menampilkan bentuk tegangan input lima fasa 260 Volt, torsi dan kecepatan yang dapat dihasilkan, serta cara menentukan apa pengaruh perubahan beban pada kinerja motor induksi lima fasa. Adapun penelitian dilakukan dimulai dari membuat diagram blok simulink yang diperoleh dari pemodelan matematis hingga menampilkan hasil simulasi. Dari hasil simulasi didapat torsi yang dihasilkan sangat besar mencapai 704,5 Nm yang tertinggi, kecepatan putaran rotor mencapai 641,3 rpm, mencapai kondisi steady state dalam waktu 0,045 detik dan perubahan beban tidak terlalu mengubah kinerja motor induksi lima fasa.
(29)
TUGAS AKHIR
ANALISIS DAN SIMULASI
KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI LIMA FASA
Diajukan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada
Departemen Teknik Elektro Sub Konsentrasi Teknik Energi Listrik
Oleh
Josiah Jonathan Suatan NIM : 110402071
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
(30)
(31)
ABSTRAK
Motor induksi merupakan mesin listrik yang paling sering dijumpai di dunia kelistrikan dan perindustrian. Umumnya motor induksi tiga fasa dipilih dan digunakan untuk beroperasi. Tentunya motor induksi ini memiliki banyak kelebihan, namun tidak terhindar oleh beberapa kekurangan. Oleh karena itu perlu adanya penelitian lebih lanjut untuk mengembangkan potensi motor induksi agar dapat digunakan secara maksimal. Seiring berkembangnya teknologi elektronika memungkinkan para peneliti mengembangkan motor induksi multifasa. Tugas akhir ini berisi tentang analisis dan simulasi karakteristik motor induksi lima fasa yang menampilkan bentuk tegangan input lima fasa 260 Volt, torsi dan kecepatan yang dapat dihasilkan, serta cara menentukan apa pengaruh perubahan beban pada kinerja motor induksi lima fasa. Adapun penelitian dilakukan dimulai dari membuat diagram blok simulink yang diperoleh dari pemodelan matematis hingga menampilkan hasil simulasi. Dari hasil simulasi didapat torsi yang dihasilkan sangat besar mencapai 704,5 Nm yang tertinggi, kecepatan putaran rotor mencapai 641,3 rpm, mencapai kondisi steady state dalam waktu 0,045 detik dan perubahan beban tidak terlalu mengubah kinerja motor induksi lima fasa.
(32)
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis ucapkan ke hadirat Tuhan Yesus Kristus yang telah memberikan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini.
Tugas Akhir ini merupakan bagian dari kurikulum yang harus diselesaikan untuk memenuhi persyaratan menyelesaikan pendidikan Sarjana Strata Satu di Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Adapun judul Tugas Akhir ini adalah:
ANALISIS DAN SIMULASI KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI LIMA FASA
Tugas Akhir ini penulis persembahkan untuk kedua orang tua yang telah membesarkan penulis dengan kasih sayang yang tak ternilai harganya dan juga kepada kakak penulis yang selalu memberikan semangat dan mendoakan penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
Selama penulis menjalani pendidikan di kampus hingga diselesaikannya Tugas Akhir ini, penulis banyak menerima bantuan, bimbingan, dan dukungan dari berbagai pihak. Untuk itu dalam kesempatan ini penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada:
1. Tuhan Yesus Kristus yang selalu ada dimanapun, kapanpun dan bagaimanapun kondisi penulis. Dialah satu-satunya Tuhan, sahabat dan pemimpin terbaik yang penulis miliki yang tiada pernah berhenti mencintai, mengajar, menyatakan kesalahan, memperbaiki kelakuan, memberkati, melindungi, menemani dan menyertai penulis disetiap hari
(33)
sepanjang hidup penulis; mulai dari penulis lahir hingga saat ini dan sampai selama-lamanya.
2. David Alexander Suatan dan Melia selaku orang tua penulis yang tiada putus berdoa dan berjuang yang terbaik untuk penulis tetap melanjutkan belajar studi Strata Satu dan memberikan wejangan.
3. Alexandra Tatgyana Suatan, S.Gz selaku kakak penulis yang luar biasa dalam memberi panutan dan menunjukkan tanggung jawabnya dalam hidup penulis.
4. Grace Nikensari Ginting selaku teman khusus yang selalu setia mendampingi dan memberi banyak pelajaran baru serta dukungan moral dalam hidup penulis.
5. Bapak Ir. Syamsul Amin, M.S selaku dosen pembimbing penulis yang telah banyak meluangkan waktu dan memberikan bimbingan serta bantuan dalam menyelesaikan tugas akhir ini.
6. Bapak Ir. Eddy Warman, M.T dan Ibu Syiska Yana, S.T, M.T selaku dosen penguji penulis yang telah rela meluangkan waktu, tenaga, dan pikirannya untuk mengoreksi serta memberi kritik dan saran kepada penulis demi menyelesaikan tugas akhir ini dengan sebaik-baiknya.
7. Bapak Ir. Syahrawardi selaku Kepala Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi yang tiada henti-hentinya memberi semangat, dorongan, dan motivasi kepada penulis untuk berkarya dan belajar lebih lagi demi masa depan penulis.
8. Bapak Ir. Sihar P. Panjaitan, M.T selaku dosen wali penulis yang banyak memberikan masukan dan pengarahan selama perkuliahan.
(34)
9. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi S.T, M.T selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
10.Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
11.Keluarga Besar Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi FT USU : Sandro Levi Panggabean (a.k.a Juventini Cacat), Memory Hidyart (a.k.a Rival PES), Dewi Riska Sari Barus, Andi Hidayat, Wangto Ratta Halim dan Kentrick Pranoto.
12.Frans M. Silaban (a.k.a Propesong) yang banyak membantu penulis dalam mempelajari simulasi Matlab.
13.Keluarga besar S2-Eldas: Bpk. Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, Dpl. Ing, Bpk. Ir. Hasdari Helmi, M.T, Marthin Luther Tarigan, Arya Raja Pane, Jimme Jeje, Arthur Sagala, Friendly, Kak Nur, Dian Lesmana, Yohanes Butar-butar, Oloni Simanjuntak, Dea Reo Silalahi, Samuel Aland, Agustinus Ginting, Bobby B. Kewas, Sari Simanjuntak dan Latersia Makarona sebagai teman berbagi ilmu dan pengalaman.
14.Sahabat-sahabat seperjuangan: Emir L. Pahlevi (a.k.a Aceh Panevi), Rizky W Handalan (a.k.a Arab), Yoshua Bangun, Ferro Hudson (a.k.a Hercules Son of Zeus), Tidauccy S. M. H (a.k.a Leader Cupu), James Napitupulu (a.k.a Le-crot), Yosef D. S. Tarigan (a.k.a Bastanta), Ann Alberth Sitorus (a.k.a Udin Lento GoBet Tumor di P**tat), Frederik M. Silaban (a.k.a Tukang Ngembol), Andreas V. H. Simanjuntak (a.k.a Kapten), Riko Jogi
(35)
Pasaribu (a.k.a I.S Ketua IMTE Terbaik), Dedy W. Sitindaon, Yudha P. Simamora, Riandi F. Sembiring (a.k.a Saudara Persidangan), Canboy Doloksaribu, Riswanta Sembiring, Seprianti L. Hutasoit, Sakinah, Syahlan Hutagaol, M. Fikry Indra, M. Zein, Endrawan Surbakti, Aspar Nasution, Wahyu Yoga, M. Affandi Siagian, Angga Himawan, Faisal Idris, Hazijah Afni dan seluruh teman-teman angkatan 2011 yang tidak mungkin disebutkan satu per satu yang selalu memberi dukungan dan gelak tawa di saat penulis jenuh.
15.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan dan memperkaya kajian Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Medan, Januari 2016 Penulis,
(36)
DAFTAR ISI
Abstrak ……… i
Kata Pengantar ……… ii
Daftar Isi ……… vi
Daftar Gambar ……… viii
Bab I Pendahuluan I.1 Latar Belakang ……… 1
I.2 Rumusan Masalah ………... 2
I.3 Batasan Masalah ……… 2
I.4 Tujuan Penelitian ……… 3
I.5 Manfaat Penelitian ……… 3
Bab II Tinjauan Pustaka II.1 Motor Induksi ……… 4
II.1.1 Umum ……… 4
II.1.2 Konstruksi ……… 6
II.2 Sistem Kelistrikan Lima Fasa ……… 10
II.2.1 Umum ……… 10
II.2.2 Inverter Lima Fasa ……… 12
II.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Lima Fasa ……… 14
(37)
Bab III Metode Penelitian
III.1 Jenis Penelitian ……… 27
III.2 Lokasi dan Waktu Penelitian ……… 27
III.3 Bahan dan Peralatan Penelitian ……… 27
III.4 Variabel atau Aspek Penelitian ……… 27
III.5 Flowchart Penelitian ……… 28
III.6 Prosedur Penelitian ………... 29
Bab IV Hasil Analisis dan Simulasi IV.1 Umum ……… 31
IV.2 Menentukan Tegangan Input ……… 31
IV.3 Menetukan Parameter ……… 33
IV.4 Simulasi ……… 36
IV.4.1 Torsi Beban 1 Nm ……… 36
IV.4 2 Torsi Beban 5 Nm ……… 38
IV.4.3 Torsi Beban 10 Nm ……… 40
IV.4.4 Torsi Beban 20 Nm ……… 41
IV.4.5 Torsi Beban 40 Nm ……… 43
Bab V Penutup V.1 Kesimpulan ……… 46
V.2 Saran ……… 47
(38)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 (a) Bentuk Fisik Motor Induksi ……… 5
(b) Isi Dalam Motor Induksi ……… 5
Gambar 2.2 Contoh Plat Nama pada Motor Induksi ………... 6
Gambar 2.3 (a) Stator dan Rotor Sangkar ……… 7
(b) Rotor Belitan ……… 7
Gambar 2.4 (a) Stator MI ……… 7
(b) Rotor MI Lima Fasa ………... 7
Gambar 2.5 Gambaran Sederhana Bentuk Alur/ Slot Motor Induksi …… 9
Gambar 2.6 Gambaran Sederhana Motor Induksi dengan 1 Kumparan Stator dan 1 Kumparan Rotor ……… 9
Gambar 2.7 Diagram Fasor Tegangan dan Arus Lima Fasa ……… 10
Gambar 2.8 Topologi Rangkaian Inverter Lima Fasa……… 12
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen saat Kondisi 0 ≤ ωt ≤ π/5 ……… 13
Gambar 2.10 Representasi Skematik Motor Induksi Lima Fasa ………… 15
Gambar 2.11 Sirkuit Motor Induksi Lima Fasa ……… 15
Gambar 2.12 Gelombang Fluksi 5 fasa ……… 16
Gambar 2.13 Gaya Resultan saat T1 dan T2 ……… 17
Gambar 2.14 Kaidah Tangan Kanan Fleming ……… 17
Gambar 2.15 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor … 18 Gambar 2.16 Konduktor Berarus dalam Ruang Medan Magnet …………... 19
Gambar 2.17 Pemodelan Mesin Lima Fasa pada Koordinat d-q ………… 21
(39)
Gambar 4.1 Blok Model Sumber Tegangan ……… 31
Gambar 4.2 Isi dari Model Blok Sumber Tegangan………... 32
Gambar 4.3 Bentuk Gelombang Tegangan Output……… 33
Gambar 4.4 Inisialisasi Parameter Motor Induksi Lima Fasa……… 33
Gambar 4.5 Diagram Blok Motor Induksi pada Simulink ……… 36
Gambar 4.6 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 1 Nm) ……… 37
Gambar 4.7 Grafik Te vs TL (TL = 1 Nm) ……… 37
Gambar 4.8 Grafik ωr (TL = 1 Nm) ……… 38
Gambar 4.9 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 5 Nm) ……… 38
Gambar 4.10 Grafik Te vs TL (TL = 5 Nm) ……… 39
Gambar 4.11 Grafik ωr (TL = 5 Nm) ……… 39
Gambar 4.12 Grafik arus setiap fasa (TL = 10 Nm) ……… 40
Gambar 4.13 Grafik Te vs TL (TL = 10 Nm) ……… 40
Gambar 4.14 Grafik ωr (TL = 10 Nm) ……… 41
Gambar 4.15 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 20 Nm) ……… 42
Gambar 4.16 Grafik Te vs TL (TL = 20 Nm) ……… 42
Gambar 4.17 Grafik ωr (TL = 20 Nm) ……… 43
Gambar 4.18 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 40 Nm) ……… 43
Gambar 4.19 Grafik Te vs TL (TL = 40 Nm) ……… 44
Gambar 4.20 Grafik ωr (TL = 40 Nm) ……… 44
(1)
9. Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan Bapak Rahmad Fauzi S.T, M.T selaku Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.
10.Seluruh staf pengajar Departemen Teknik Elektro yang telah memberikan bekal ilmu kepada penulis dan seluruh pegawai Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.
11.Keluarga Besar Laboratorium Teknik Tegangan Tinggi FT USU : Sandro Levi Panggabean (a.k.a Juventini Cacat), Memory Hidyart (a.k.a Rival PES), Dewi Riska Sari Barus, Andi Hidayat, Wangto Ratta Halim dan Kentrick Pranoto.
12.Frans M. Silaban (a.k.a Propesong) yang banyak membantu penulis dalam mempelajari simulasi Matlab.
13.Keluarga besar S2-Eldas: Bpk. Prof. Dr. Ir. Usman Baafai, Dpl. Ing, Bpk. Ir. Hasdari Helmi, M.T, Marthin Luther Tarigan, Arya Raja Pane, Jimme Jeje, Arthur Sagala, Friendly, Kak Nur, Dian Lesmana, Yohanes Butar-butar, Oloni Simanjuntak, Dea Reo Silalahi, Samuel Aland, Agustinus Ginting, Bobby B. Kewas, Sari Simanjuntak dan Latersia Makarona sebagai teman berbagi ilmu dan pengalaman.
14.Sahabat-sahabat seperjuangan: Emir L. Pahlevi (a.k.a Aceh Panevi), Rizky W Handalan (a.k.a Arab), Yoshua Bangun, Ferro Hudson (a.k.a Hercules Son of Zeus), Tidauccy S. M. H (a.k.a Leader Cupu), James Napitupulu (a.k.a Le-crot), Yosef D. S. Tarigan (a.k.a Bastanta), Ann Alberth Sitorus (a.k.a Udin Lento GoBet Tumor di P**tat), Frederik M. Silaban (a.k.a Tukang Ngembol), Andreas V. H. Simanjuntak (a.k.a Kapten), Riko Jogi
(2)
Pasaribu (a.k.a I.S Ketua IMTE Terbaik), Dedy W. Sitindaon, Yudha P. Simamora, Riandi F. Sembiring (a.k.a Saudara Persidangan), Canboy Doloksaribu, Riswanta Sembiring, Seprianti L. Hutasoit, Sakinah, Syahlan Hutagaol, M. Fikry Indra, M. Zein, Endrawan Surbakti, Aspar Nasution, Wahyu Yoga, M. Affandi Siagian, Angga Himawan, Faisal Idris, Hazijah Afni dan seluruh teman-teman angkatan 2011 yang tidak mungkin disebutkan satu per satu yang selalu memberi dukungan dan gelak tawa di saat penulis jenuh.
15.Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu per satu.
Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan adanya kritik dan saran yang bertujuan untuk menyempurnakan dan memperkaya kajian Tugas Akhir ini. Akhir kata penulis berharap Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca.
Medan, Januari 2016 Penulis,
(3)
DAFTAR ISI
Abstrak ……… i
Kata Pengantar ……… ii
Daftar Isi ……… vi
Daftar Gambar ……… viii
Bab I Pendahuluan I.1 Latar Belakang ……… 1
I.2 Rumusan Masalah ………... 2
I.3 Batasan Masalah ……… 2
I.4 Tujuan Penelitian ……… 3
I.5 Manfaat Penelitian ……… 3
Bab II Tinjauan Pustaka II.1 Motor Induksi ……… 4
II.1.1 Umum ……… 4
II.1.2 Konstruksi ……… 6
II.2 Sistem Kelistrikan Lima Fasa ……… 10
II.2.1 Umum ……… 10
II.2.2 Inverter Lima Fasa ……… 12
II.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Lima Fasa ……… 14
(4)
Bab III Metode Penelitian
III.1 Jenis Penelitian ……… 27
III.2 Lokasi dan Waktu Penelitian ……… 27
III.3 Bahan dan Peralatan Penelitian ……… 27
III.4 Variabel atau Aspek Penelitian ……… 27
III.5 Flowchart Penelitian ……… 28
III.6 Prosedur Penelitian ………... 29
Bab IV Hasil Analisis dan Simulasi IV.1 Umum ……… 31
IV.2 Menentukan Tegangan Input ……… 31
IV.3 Menetukan Parameter ……… 33
IV.4 Simulasi ……… 36
IV.4.1 Torsi Beban 1 Nm ……… 36
IV.4 2 Torsi Beban 5 Nm ……… 38
IV.4.3 Torsi Beban 10 Nm ……… 40
IV.4.4 Torsi Beban 20 Nm ……… 41
IV.4.5 Torsi Beban 40 Nm ……… 43
Bab V Penutup V.1 Kesimpulan ……… 46
V.2 Saran ……… 47
(5)
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 (a) Bentuk Fisik Motor Induksi ……… 5
(b) Isi Dalam Motor Induksi ……… 5
Gambar 2.2 Contoh Plat Nama pada Motor Induksi ………... 6
Gambar 2.3 (a) Stator dan Rotor Sangkar ……… 7
(b) Rotor Belitan ……… 7
Gambar 2.4 (a) Stator MI ……… 7
(b) Rotor MI Lima Fasa ………... 7
Gambar 2.5 Gambaran Sederhana Bentuk Alur/ Slot Motor Induksi …… 9
Gambar 2.6 Gambaran Sederhana Motor Induksi dengan 1 Kumparan Stator dan 1 Kumparan Rotor ……… 9
Gambar 2.7 Diagram Fasor Tegangan dan Arus Lima Fasa ……… 10
Gambar 2.8 Topologi Rangkaian Inverter Lima Fasa……… 12
Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen saat Kondisi 0 ≤ ωt ≤ π/5 ……… 13
Gambar 2.10 Representasi Skematik Motor Induksi Lima Fasa ………… 15
Gambar 2.11 Sirkuit Motor Induksi Lima Fasa ……… 15
Gambar 2.12 Gelombang Fluksi 5 fasa ……… 16
Gambar 2.13 Gaya Resultan saat T1 dan T2 ……… 17
Gambar 2.14 Kaidah Tangan Kanan Fleming ……… 17
Gambar 2.15 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor … 18 Gambar 2.16 Konduktor Berarus dalam Ruang Medan Magnet …………... 19
Gambar 2.17 Pemodelan Mesin Lima Fasa pada Koordinat d-q ………… 21
(6)
Gambar 4.1 Blok Model Sumber Tegangan ……… 31
Gambar 4.2 Isi dari Model Blok Sumber Tegangan………... 32
Gambar 4.3 Bentuk Gelombang Tegangan Output……… 33
Gambar 4.4 Inisialisasi Parameter Motor Induksi Lima Fasa……… 33
Gambar 4.5 Diagram Blok Motor Induksi pada Simulink ……… 36
Gambar 4.6 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 1 Nm) ……… 37
Gambar 4.7 Grafik Te vs TL (TL = 1 Nm) ……… 37
Gambar 4.8 Grafik ωr (TL = 1 Nm) ……… 38
Gambar 4.9 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 5 Nm) ……… 38
Gambar 4.10 Grafik Te vs TL (TL = 5 Nm) ……… 39
Gambar 4.11 Grafik ωr (TL = 5 Nm) ……… 39
Gambar 4.12 Grafik arus setiap fasa (TL = 10 Nm) ……… 40
Gambar 4.13 Grafik Te vs TL (TL = 10 Nm) ……… 40
Gambar 4.14 Grafik ωr (TL = 10 Nm) ……… 41
Gambar 4.15 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 20 Nm) ……… 42
Gambar 4.16 Grafik Te vs TL (TL = 20 Nm) ……… 42
Gambar 4.17 Grafik ωr (TL = 20 Nm) ……… 43
Gambar 4.18 Grafik Arus Setiap Fasa (TL = 40 Nm) ……… 43
Gambar 4.19 Grafik Te vs TL (TL = 40 Nm) ……… 44
Gambar 4.20 Grafik ωr (TL = 40 Nm) ……… 44