ANALISIS KARAKTERISTIK DAN EFISIENSI DAYA

MOTOR INDUKSI TIGA FASA STANDAR NEMA D

MENGGUNAKAN MODEL KERANGKA REFERENSI

(PROPOSAL SKRIPSI)

diajukan oleh:

Ifat Fatmawati

NIM: 3332090810

KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

CILEGON

2013

1. Judul

Analisis Karakteristik dan Efisiensi Daya Motor Induksi Tiga Fasa Standar

NEMA D menggunakan Model Kerangka Referensi.

2. Latar Belakang

Penggerak utama pada sebagian besar industri menggunakan motor

induksi, karena motor induksi memiliki berbagai keunggulan dibanding dengan

motor listrik lainnya, diantaranya karena harganya yang relatif murah,

konstruksinya yang kuat dan sederhana sehingga tidak membutuhkan perawatan

yang banyak, serta karakteristik kerja yang baik yaitu menyediakan effisiensi yang

baik dan putaran yang konstan untuk tiap perubahan beban.

Luasnya penggunaan motor induksi dan kebutuhan operasi membutuhkan

informasi dari model motor induksi tiga fasa tersebut. Pada awalnya, analisa

mengenai unjuk kerja motor induksi secara konvensional menggunakan model

matematik suatu transformator, tetapi model tersebut memiliki beberapa

keterbatasan diantaranya, hanya dapat digunakan untuk parameter beban yang

konstan atau tidak dapat digunakan dalam kondisi transient, tegangan sumber

yang sinusoidal setimbang, dan kondisi steady state.

Dalam kondisi real ditemukan permasalahan tegangan sumber yang tidak

sinusoidal dan terjadinya perubahan beban. Oleh karena itu diperlukan suatu

model motor induksi yang dapat menyelesaikan permasalahan tersebut yaitu

dengan model d-q-n yang memerlukan metode kerangka referensi.

Motor induksi telah distandardisasi menurut karakteristik torsinya dari

NEMA (National Electrical Manufactures Association), seperti desain A, B, C, D,

atau F. Motor induksi dalam aplikasi industri dengan beban tak penuh memiliki

kerugian karena unjuk kerja motor yang menurun seperti faktor daya dan efisiensi,

hal ini juga akan mempengaruhi sistem listrik keseluruhan. Maka pada penelitian

ini digunakan motor desain D NEMA yang dirancang untuk mempunyai torsi start

tinggi dan arus start rendah. Motor-motor tersebut memiliki tahan rotor tinggi dan

bekerja antara 85% dan 95% dan kecepatan sinkron motor-motor tersebut

menggerakan beban kelembaman tinggi yang mengambil waktu relative lama

untuk mencapai kecepatan penuh. Selain itu potensi penghematan energi pada

motor induksi yang berbeban tidak penuh sudah mulai banyak dibicarakan dua

dekade yang lalu.

Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis terhadap karakteristik motor

induksi tiga fasa NEMA D dengan variasi tegangan kerja motor dan variasi nilai

beban untuk mendapatkan efisiensi daya atau penghematan energi, serta

memodelkan motor induksi tersebut dengan model kerangka referensi

menggunakan program MATLAB.

3. Perumusan Masalah

Pada uraian latar belakang yang telah dijelaskan, maka pada penelitian ini

dirumuskan beberapa masalah yang perlu diperhatikan:

1) Bagaimana memodelkan motor induksi tiga fasa NEMA D dengan metode

kerangka referensi menggunakan MATLAB?

2) Bagaimana analisis daya dan efisiensi terhadap karakteristik motor induksi

tiga fasa NEMA D?

4. Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah:

1) Mendapatkan model motor induksi tiga fasa NEMA D dalam kerangka

referensi dengan menggunakan MATLAB.

2) Mengetahui analisis daya dan efisiensi terhadap karakteristik motor

induksi tiga fasa NEMA D.

5. Manfaat Penelitian

Manfaat dari penelitian ini adalah:

1) Memberikan solusi model motor induksi tiga fasa NEMA D dengan

tegangan dan beban yang dapat bervariasi.

2) Memberitahukan potensi efisiensi daya pada motor induksi tiga fasa

NEMA D.

6. Batasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagi berikut:

1) Penelitian ini membahas studi analisis motor induksi tiga fasa NEMA D.

2) Model motor induksi tiga fasa disimulasikan mengggunakan software

MATLAB.

3) Rugi-rugi gesekan, rugi-rugi panas, dan rugi-rugi akibat kejenuhan

magnetis diabaikan.

7. Metodelogi Penelitian

Metode yang digunakan untuk memodelkan motor induksi tiga fasa

NEMA D adalah dengan metode kerangka referensi. Metode kerangka referensi

diperkenalkan pada akhir tahun 1920 oleh R.H. Park. Metode tersebut

mentransformasikan atau mengubah variabel stator ke kerangka referensi yang

tetap dalam rotor (reference frame fixed in rotor). Kemudian potensi penghematan

energi pada motor induksi tiga fasa NEMA D dilakukan dengan analisis daya

input pada beberapa kondisi tegangan dan nilai beban. Secara sederhana kasus ini

dapat dijelaskan melalui diagram alir pada gambar 1.

Gambar 1. Diagram Alir Perencanaan Penelitian

Metode yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari langkah-langkah berikut:

1) Mengumpulkan data

Data yang digunakan pada penelitian ini adalah parameter yang terdapat

pada motor induksi tiga fasa NEMA D. Pada penelitian ini digunakan motor

induksi desain D, motor ini memiliki karakteristik torsi start yang paling tinggi,

arus start dan kecepatan beban penuhnya rendah, nilai slip yang tinggi (5-

13%), sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan

perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Berikut ini grafik

karakteristik torsi-kecepatan motor induksi berdasarkan standar NEMA:

Gambar 2. Grafik Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Induksi Standar NEMA

Untuk mendapatkan parameter yang diperlukan untuk menghitung

performansi dari motor induksi dapat diperoleh dari berbagai pengujian,

diantaranya:

a. Pengujian tanpa beban

Pada pengujian tanpa beban akan diperoleh keterangan berupa

besarnya arus magnetisasi dan reaktansi magnetisasi (Xm), dengan

pengukuran tegangan, arus serta cos θ. Biasanya pengujian tersebut

dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan tiga

fasa dalam keadaan setimbang yang diberikan pada terminal stator.

Pembacaan diperoleh pada tegangan yang diizinkan setelah motor

bekerja cukup lama, agar bagian-bagian yang bergerak mengalami

pelumasan sebagaimana mestinya.

Gambar 3. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Pengujian Tanpa

Beban

b. Pengujian tahanan stator

Pengujian ini akan menentukan besarnya tahanan stator R1

dilakukan dengan test DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada

belitan stator motor induksi. Karena arus yang disuplai adalah arus

DC.maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian

rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam

keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena

itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator.

Gambar 4. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi pada Pengujian Tahanan

Stator

c. Pengujian rotor tertahan (block rotor test)

Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter-parameter

motor induksi, pada pengujian ini rotor dikunci atau ditahan sehingga

tidak berputar. Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai

ke stator dan arus yang mengalir diatur mendekati beban penuh.

Ketika arus telah menunjukan nilai beban penuhnya, maka tegangan,

arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur.

Gambar 5. Pengujian Rotor Tertahan

2) Perancangan simulasi model motor induksi tiga fasa NEMA D

Pada tahapan ini data parameter motor yang didapatkan dari berbagai

pengujian selanjutnya digunakan untuk memodelkan motor untuk simulasi

pada MATLAB. Metode yang digunakan untuk memodelkan motor tersebut

adalah metode kerangka referensi. Pada dasarnya pengaturan vektor

mentransformasikan elemen tiga fasa kerangka acuan tetap (a,b,c) menjadi

elemen dua fasa kerangka acuan tetap (α,β) kemudian menjadi elemen dua fasa

kerangka acuan bergerak (d,q). Tegangan, arus dan flux tiga fasa dari motor

AC dapat dianalisa dengan menggunakan kompleks ruang vektor. Dengan

asumsi bahwa ia, ib, ic adalah arus dari masing-masing fasa pada bagian stator

motor induksi, dengan definisi ī s=ia+αib+α 2ic dimana α=ej 23

π dan α=ej 4

3π

dimana (a, b, c) adalah sistem tiga fasa yang menggambarkan sistem sinusoidal

tiga fasa. Kemudian dari sistem tiga koordinat ditrransformasikan menjadi

sistem time invariant dua koordinat. Berikut kerangka acuan tiga koordinat :

Gambar 6. Kerangka Acuan Tetap Tiga Koordinat

Perubahan sistem tiga fasa menjadi sistem time invariant dua koordinat

dapat dipisahkan menjadi dua langkah:

a. (a, b, c) (α, β) (transformasi clarke)

b. (α, β) (d,q) (transformasi park)

Transformasi Clarke

Ruang vektor dapat dipresentasikan dalam dua sumbu tegak lurus (α, β),

dengan asumsi bahwa sumbu a dan sumbu α memiliki arah vektor yang sama, dari

proyeksi sistem tiga fasa menjadi dua dimensi tegak lurus (α,β) dengan penjelasan

sebagai berikut:

...(1.1)

Gambar 7. Transformasi Clarke

Transfomasi Park

Sedangkan untuk mempresentasikan kerangka acuan tetap (α,β) menjadi

kerangka acuan bergerak (d,q), maka digunakan transformasi Park. Dari proyeksi

sistem dua dimensi tegak lurus (α,β) menjadi sistem dua dimensi bergerak (d,q)

dengan penjelasan sebagai berikut:

...(1.2)

Gambar 7. Transformasi Park

Invers Park transformation

Sedangkan untuk mempresentasikan kerangka acuan bergerak (d,q)

menjadi kerangka acuan bergerak (α,β), maka digunakan transformasi park.

...(1.3)

Transformasi variabel pada rangkaian stasioner dalam kerangka referensi

untuk elemen resistif adalah:

Vqd0s = rsiqd0s ...(1.4)

Sedangkan untuk elemen induktif:

Vqd0s = ωλqds + pλqd0s ...(1.5)

dimana:

(λqds)T = [λds - λqs 0]

Pada pemodelan motor induksi tiga fasa ini terdapat persamaan motor

induksi dalam variabel kerangka referensi, dinyatakan sebagai:

vqs = rsiqs + ωλds + pλds

vds = rsids - ωλds + pλds

v0s = rsi0s + pλ0s ...(1.6)

v’qr = r’ri’qr + (ω – ωr) λ’dr + pλ’qr

v’dr = r’ri’dr + (ω – ωr) λ’qr + pλ’dr

v’0r = r’ri’dr + pλ’0r

dimana fluks gandeng dinyatakan dengan:

λqs = Llsiqs + M(iqs + i’qr)

λds = Llsiqs + M(ids + i’dr)

λ’qr = L’lsi’qr + M(iqs + i’qr) ...(1.7)

λ’dr = L’lri’dr + M(ids + i’dr)

λ’0r = L’iri’0r

Berikut rangkaian ekivalen mesin induksi tiga fasa dalam kerangka referensi:

Gambar 8. Rangkaian Ekivalen Mesin Induksi Tiga Fasa Dalam Kerangka

Referensi

Kemudian apabila induktansi dinyatakan dalam ohm (reaktansinya) maka

persamaan tegangan dan fluks gandeng menjadi

vqs = r siqs+ωωb

ψds+p

ωb

ψqs

vds = r sids+ωωb

ψqs+p

ωb

ψds

v0s = r si0 s+p

ωb

ψ0 s …(1.8)

v’qr = r 'r i 'qr+ω−ωr

ωb

ψ 'dr+p

ωb

ψ ' qr

v’dr = r 'r i 'dr−ω−ωr

ωb

ψ ' qr+p

ωb

ψ 'dr

v’0r = r 'r i '0 r+p

ωb

ψ ' 0 r

Dimana ωb adalah kecepatan sudut listrik dasar, maka fluks gandeng menjadi:

Ψqs = Xlsiqs + XM(iqs + i’qr)

Ψds = Xlsids + XM(ids + i’dr)

Ψ0s = Xlsi0s ...(1.9)

Ψ’qr = X’lri’qr + XM(iqs + i’qr)

Ψ’dr = X’lri’dr + XM(ids + i’dr)

Ψ’0r = X’lri’0r

Energi tersimpan dalam medan kopling motor induksi dinyatakan dengan:

Wf = 12

(iabc)T (Ls – LlsI)iabcs + (iabcs)T L’sr i’abcr + = 12

(i’abcr)T(L’r – L’lrI)iabcr

I adalah matrik identitas.

Perubahan energi mekanik dalam sistem yang berputar dirumuskan

sebagai:

dWM = -Tedϴrm

dimana Te adalah torsi elektromagnetik dan ϴrm adalah besarnya sudut pergeseran

rotor.

Selanjutnya persamaan torsi dalam variabel kerangka referensi dinyatakan

dengan:

Te = ( 32 )( p

2 )( 1ωb

) (Ψ qr' idr

' −Ψ qr' iqr

' ) ...(1.10)

Hubungan antara torsi dan kecepatan diberikan oleh persamaan:

Te = Jd ωm

dt+Bm ωm+T L …(1.11)

dimana ωm adalah kecepatan sudut mekanis rotor dan untuk mesin dengan p

kutub:

ωm=2p

ωr

Sehingga:

Te = Jd ωm

dt+Bm ωm+T L

dimana: Te = torsi elektromagnetik (N.m)

J = momen inersia rotor (kg.m2)

ωr = kecepatan sudut listrik dari rotor (rad.detik)

Bm = koefisien gesekan (N.m.det/rad)

TL = torsi beban (N.m)

Dari persamaan (1.9) maka didapatkan arus:

iqs=1

X is(Ψ qs−Ψ mq )

ids=1

X is

(Ψ ds−Ψ md)

i0 s=1

X is

Ψ 0 s ...(1.12)

i ' qr=1

X 'ir

(Ψ ' qr−Ψ mq)

i ' dr=1

X 'ir

(Ψ ' dr−Ψ md)

i ' 0 r=1

X ' ir

Ψ ' 0 r

dimana:

Ψmq = XM (iqs + i’qr)

Ψmd = XM (ids + i’dr) ...(1.13)

Kemudian dari substitusi persamaan (1.12) dalam persamaan (1.8) fluks gandeng

dapat dinyatakan sebagai:

d ψ qs

dt=ωb ¿

d ψ ds

dt=ωb ¿

d ψ0 s

dt=ωb(v0 s−

r s

X ls

ψ 0 s)d ψ ' qr

dt=ωb ¿

d ψ ' dr

dt=ωb ¿

d ψ ' 0r

dt=ωb(v '0 r−

r ' r

X ' lr

ψ '0 r)Persamaan (1.13) sekarang dinyatakan:

Ψmq = X aq(ψqs

ψ ls

−ψ ' qr

ψ ' lr)

Ψmd = X ad(ψds

ψ ls

−ψ 'dr

ψ 'lr ) ...(1.14)

dimana:

Xaq = Xad

= ( 1Xm

+1X ls

+1

X 'lr )-1 ...

(1.15)

Persamaan untuk torsi elektromagnetik mengacu pada persamaan (1.10), yaitu:

Te = ( 32 )( p

2 )( 1ωb

) (Ψ qr' idr

' −Ψ qr' iqr

' )…(1.16)

Kecepatan sudut listrik motor dirumuskan dari persamaan (1.11), sebagai:

dωr

dt= p

2 J(T e−T L )−

Bm

Jωr …(1.17)

Kemudian untuk menyelesaiakan persamaan diferensial dalam analisis

motor induksi ini digunakan metode Runge-Kutta Felhberg. Rumus iterasi untuk

metode Runge-Kutta Fehlberg adalah:

y i+1= y i+( 25216

k1+14082665

k3+21974104

k 4−15

k 5)h… (1.18 )

dimana:

k1 = f(xi, yi)

k2 = f (x i+14

h, y i+14

hk1)k3 = f (x i+

38

h, y i+3

32hk1+

932

hk2)k4 = f (x i+

1213

h, y i+19322197

hk 1+72002197

hk2+72962197

hk3)k4 = f (x i+h, y i+

439216

hk1−8 hk2+3680513

hk 3−845

4104hk4)

k5 = f (x i+12

h,

y i−8

27hk1+2 hk2+

35442565

hk3−18594104

hk4−1140

hk5)Perkiraan kesalahan (error estimate) dirumuskan dengan:

Ea=( 1360

k1+128

4275k3+

219775240

k4−1

50k5+

255

k 6)h …(1.19)

Setelah didapatkan parameter dari motor, maka data hasil perhitungan tersebut

disimpan dan didapatkan pemodelan motor induksi tiga fasa serta

karakteristiknya.

3) Analisis karakteristik motor terhadap daya

Pada tahapan ini akan dianalisis perhitungan daya masukan yang

didapatkan dari variasi nilai tegangan dan beban pada torsi yang konstan

menggunakan karakteristik motor induksi torque-slip. Perhitungan dianalisis

dari tiap keadaan tegangan, beban, torsi dan akan didapatkan nilai slipnya,

sehingga daya masukan dapat dihitung dengan persamaan:

P = T x ω ...(1.20)

dimana:

T = torsi

ω = (ωsync – s.ωsync) ...(1.21)

Kemudian akan dihitung

Pout = s.Pin

Efisiensi = PoutPin

x100% ...

(1.22)

%hemat = Pin−Pout

Pinx100 % ...

(1.23)

Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan akan diperoleh analisis

karakteristik tegangan kerja dan nilai beban terhadap efisiensi daya, serta

kecepatan motor induksi. Kemudian dapat ditentukan nilai tegangan kerja, nilai

beban, serta nilai torsi yang terbaik untuk menghasilkan daya yang paling

efisien.

4) Pengujian hasil simulasi

Pada tahapan ini dilihat respon dari karakteristik motor yang telah

dirancang simulasi modelnya dengan menggunakan software Simulink Toolbox

MATLAB. Hal ini dilakukan untuk menunjukan apakah simulasi dapat

digunakan dan benar. Parameter untuk mengetahui respon dari sistem yang

telah dirancang adalah apakah model motor induksi dapat digunakan dengan

variasi tegangan kerja dan nilai beban lalu diuji hasil dari analisis karakteristik

motor induksi terhadap efisiensi dayanya.

8. Daftar Pustaka

1. Adisuryo, Soekardi, “Pemodelan Motor Induksi Tiga Fasa Menggunakan

Constructive Backpropagation” Jurusan Teknik Elektro ITS, 2011.

Tersedia dari:

http://power-system.ee.its.ac.id/research/graduate/pemodelan-motor-

induksi-tiga-fasa-meggunakan-constructive-backpropagation.html [URL

dikunjungi pada 27 februari 2013 pada pukul 22:21]

2. Ali anang lubis, Muh., Gigih, Prabowo., Arman, Jaya., dan Era, Purwanto,

“Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Fasa dengan Teknik Artificial

Intelegent Berbasis Vektor Kontrol” Politeknik Elektronika Surabaya ITS,

Surabaya.

3. A. Siregar, Henry, “Pengaruh Tegangan Tidak Seimbang Terhadap Torsi

dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa” Jurusan Teknik Elektro Fakultas

Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan, 2008.

4. Chapman Stephen J, 1985, “Electric Machinery Fundamentals”,

International Edition, Electrical Engineering Series, Mc Graw-Hill

International Edition, Singapore.

5. “Control of Motor Characteristic by Squirrel-Cage Rotor Design”

Tersedia dari:

http://www.mhhe.com/engcs/electrical/chapman/fundamentals/

ind_motor.pdf [URL dikunjungi pada 23 Februari 2013 pada pukul 15:56]

6. Finayani, Yaya dan Muhammad, Alhan. “Analisis Karakteristik Motor

Induksi 3 Fase NEMA D Untuk Melakukan Penghematan Energi” Jurusan

Teknik Elektro Politeknik Pratama Mulia, Surakarta, 2011.

7. Heru Purnomo, Isnanto. “Analisis Motor Induksi 3 Fasa Dengan Metode

Kerangka Referensi” Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas

Diponegoro, Semarang, 2011.

8. Http://digilib.its.ac.id/public/ITS-Undergraduate-8668-2205100054-

Chapter1.pdf [URL dikunjungi pada 27 Februari 2013 pada pukul 22:13]

9. Http://kurniawanpramana.wordpress.com/2012/06/27/transformasi-clarke-

dan-transformasi-park/ [URL dikunjungi pada 27 Februari 2013 pada

pukul 21:29]

10. Http://www.engineeringtoolbox.com/nema-a-b-c-d-design-d_650.html

[URL dikunjungi pada 23 Februari 2013 pada pukul 00:13]

11. Prasetyo, Eko. “Analisis Pengaruh Jatuh Tegangan Jala-jala Terhadap

Unjuk Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai” Jurusan

Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara, Medan,

2009.

12. “Torque Characteristics of NEMA Design A, B, C, D & E Motors”

Tersedia dari: http://www.landbelectric.com/ [URL dikunjungi pada 23

Februari 2013 pada pukul 00:15]

13. Wijaya Mochtar, 2001, “Dasar-dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta

14. Y. Yanawati , I. Daut , S. Nor Shafiqin , I. Pungut , M. N. Syatirah , N.

Gomesh , A. R. Siti Rafidah , N. Haidar, “Efficiency Increment on 0.35

mm and 0.50 mm Thicknesses of Non-oriented Steel Sheets for 0.5 Hp

Induction Motor” International Journal of Materials Engineering, 2012.

Tersedia dari: http://article.sapub.org/10.5923.j.ijme.20120202.01.html

[URL dikunjungi pada 05 Maret 2013 pada pukul 17:10]