Studi dan Analisis Pengasutan Motor

Apa itu Studi & Analisis Pengasutan Motor?

Pengertian studi dan analisis pengasutan atau starting motor listrik adalah kegiatan untuk menentukan dan menganalisis perilaku motor selama tahap pengasutannya. Studi ini biasanya diterapkan pada motor besar. Analisa pengasutan motor mencakup evaluasi arus asut (starting current) motor, jatuh tegangan (drop voltage), dan waktu start yang dibutuhkan. Studi analisis starting motor dilakukan pada sistem komersial dan industri besar di mana motor induksi, sinkron, dan sebagainya, yang berkapasitas besar dapat menimbulkan konsekuensi yang tidak diinginkan pada kinerja motor, sistem, dan peralatan di sekitarnya – Omazaki Engineering adalah konsultan yang melayani jasa konsultasi studi dananalisis pengasutan atau starting motor. Jika Anda mencari perusahaan konsultan studi pengasutan atau starting motor berbagai jenis seperti motor induksi dan sinkron untuk proyek atau fasilitas sistem tenaga Anda di Indonesia dan Asia Tenggara, hubungi Omazaki Engineering dengan mengirim email ke cs@omazaki.co.id atau mengisi formulir dalam kontak. Sebagai konsultan kami melakukan studi dan analisis starting motor menggunakan perangkat lunak ETAP.

Kapasitas motor listrik yang dipakai pada sistem industri modern makin hari menjadi semakin besar. Motor dikategorikan sebagai “besar” dengan membandingkan rating atau kapasitas motor (kW) dibandingkan dengan total kapasitas terpasang sumber listrik pada suatu sistem. Pengasutan motor besar dapat menyebabkan gangguan parah pada motor dan beban yang terhubung secara lokal, dan juga ke bus yang secara elektrik jauh dari titik start motor. Metode starting motor yang tidak tepat dapat menyebabkan kerusakan pada motor, persoalan kualitas daya (seperti operational breakdown), atau bahkan black-out. Idealnya, studi dan analisis starting motor seharusnya dilaksanakan sebelum pembelian motor kapasitas besar dilakukan.

———————————————

Pengetahuan Dasar

Motor listrik adalah perangkat elektromekanis yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Sebagian besar motor listrik beroperasi melalui interaksi medan magnet dan konduktor pembawa arus untuk menghasilkan gaya. Proses sebaliknya, menghasilkan energi listrik dari energi mekanik, dilakukan oleh generator seperti alternator atau dinamo; beberapa motor listrik juga dapat digunakan sebagai generator; misalnya, motor traksi pada kendaraan dapat melakukan kedua tugas tersebut. Motor dan generator listrik biasa disebut dengan mesin listrik.

Mesin AC dan DC

Mesin AC

• Motor induksi
• Motor sinkron

Ada dua kelas motor ac yang dikenali — motor induksi (asinkron) dan motor sinkron. Motor asinkron atau induksi membutuhkan slip — gerakan relatif antara medan magnet yang dihasilkan oleh stator dan sekumpulan belitan (rotor) untuk menginduksi arus pada rotor dengan induktansi timbal balik. Contoh motor asinkron yang paling banyak ditemui adalah motor induksi ac umum yang harus selip untuk menghasilkan torsi.

Dalam tipe sinkron, induksi (atau slip) bukan merupakan syarat untuk medan magnet atau produksi arus. Pada mesin sinkron, arus belitan rotor disuplai langsung dari rangka stasioner melalui kontak berputar atau diinduksi melalui mekanisme eksitasi tanpa sikat.

Mesin DC

Mesin arus searah adalah mesin yang terdiri dari belitan dinamo berputar yang terhubung ke komutator dan kutub magnet stasioner yang dieksitasi dari sumber arus searah atau magnet permanen. Motor arus searah terdiri dari empat tipe umum: gulungan-shunt, magnet permanen, gulungan-seri, dan gulungan-majemuk.

• Motor shunt DC
• Motor magnet permanen DC (PM)
• Motor seri DC
• Motor kompon DC

Standar Motor

Standar motor dapat dikelompokkan menjadi dua kategori utama, yaitu NEMA dan IEC (dan turunannya). Di Amerika Utara, National Electric Manufacturers Association (NEMA) menetapkan standar motor, termasuk apa yang harus ada di name-plat (NEMA MG1). Di belahan dunia lain, International Electrotechnical Commission (IEC) menetapkan standar, atau setidaknya banyak negara mendasarkan standar mereka sangat dekat pada standar IEC. Misalnya, standar VDE 0530 Jerman dan standar BS 2613 Inggris Raya mendekati IEC dengan sedikit pengecualian. Perhatikan bahwa standar IEC utama untuk motor adalah IEC 60034 series.

NEMA MG1 [B37] menetapkan bahwa setiap name-plat motor harus menampilkan item khusus berikut:

• Jenis (tipe)
• Rated volts and full-load amps (FLA)
• Rated frequency and number of phases
• Rated full-load speed
• Rated temperature rise or the insulation system class
• Time rating
• Rated horsepower
• Locked-rotor indicating code letter
• Service factor
• Efficiency
• Frame size

Metode Starting Motor

• Direct on-line (DOL)
• Series impedance
• Shunt capacitor
• Reactor/choke
• Reactor–capacitor
• Partial winding
• Wye/delta (Y-∆)
• Captive transformer
• Auto-transformer
• Electronic soft-starters
• Variable frequency drive/adjustable speed drive
• Voltage and frequency variation

Parameter Berguna untuk Evaluasi Starting-Motor

Beberapa parameter yang berguna untuk evaluasi start motor adalah:

• Bus voltage (V_bus)
• Tegangan terminsl motor (V_terminal)
• Motor input current
• Daya nyata dan daya reaktif
• Faktor daya
• Kecepatan motor
• Torka motor
• Torka beban
• Torka percepatan (accelerating torque)

———————————————

Mengapa Kita Perlu Melakukan Studi Pengasutan Motor?

Setidaknya ada 5 (lima) alasan mengapa kita perlu melakukan analisa starting motor, di antaranya adalah masalah yang terungkap ada, terjadinya jatuh dan kedip tegangan (voltage drops and dips), sumber pembangkitan yang lemah, ada persyaratan torsi khusus, dan jenis metode start motor.

Adanya Masalah

Studi pengasutan motor diperlukan bila:

• Jika rating motor melebihi 30% dari rating kVA transformator (jika tidak ada generator).
• Pengasutan motor besar akan menyebabkan gangguan pada motor, sistem, dan beban yang terhubung secara lokal, serta juga bus yang terhubung dengannya.
• Bila rating atau kapasitas motor melebihi 10-15% dari rating kVA generator (jika sistem hanya disuplai oleh generator).
• Banyak motor yang starting secara bersamaan.

Kedip Tegangan (Voltage Dips)

• Torsi beban motor berbanding lurus dengan kuadrat tegangan terminal motor,sehingga setiap variasi tegangan secara langsung akan mempengaruhi karakteristik torsi beban motor pada motor (T∞ V2).
• Selama pengasutan, tegangan pada terminal motor harus dijaga minimal 80% dari tegangan pengenal atau lebih untuk motor desain B standar NEMA.
• Jika penurunan tegangan yang disebabkan oleh motor start terputus, beban pada mesin yang sedang berjalan dapat melebihi torsi rusaknya dan dapat melambat secara signifikan atau bahkan mengalami kondisi macet.
• Kedip tegangan juga mempengaruhi jenis beban lain seperti perangkat elektronik, perangkat kontrol sensitif, beban pencahayaan, dll.

Pembangkitan yang Lemah

• Studi start motor berguna untuk menganalisis kinerja sistem kecil, yang digabungkan dengan generator.
• Sistem tenaga yang lebih kecil biasanya dilayani oleh kapasitas terbatas, yang umumnya memperbesar masalah penurunan tegangan saat menghidupkan motor berkapasitas besar.

Adanya Persyaratan Torsi Khusus

• Ada beban tertentu harus dipercepat dengan kontrol yang hati-hati dan presisi tanpa melebihi batasan torsi yang ditentukan pada peralatan.

Penentuan Metode Starting

• Studi dapat digunakan untuk memilih motor atau metode start motor atau pun keduanya.
• Studi detail digunakan untuk menentukan ukuran starting resistor pada motor rotor lilitan.

———————————————

Tujuan Studi Pengasutan Motor Listrik

Studi dan analisa starting motor dilakukan untuk menentukan tegangan, arus, dan waktu start yang dibutuhkan saat start motor besar atau sekelompok motor, baik secara berurutan atau bersamaan. Studi starting motor dilakukan untuk membantu memastikan bahwa:

• Motor akan start dengan penurunan tegangan yang sesuai/dapat diterima
• Penurunan dan kedip tegangan pada saat start tidak akan mengganggu beban lainnya
• Ukuran pengumpan (feeder) motor memadai
• Motor akan berakselerasi dalam waktu start-up yang dapat diterima
• Evaluasi yang akurat atas karakteristik motor/kecepatan beban-torsi dan waktu akselerasi bisa diciptakan
• Evaluasi yang akurat dari karakteristik kerusakan termal motor bisa dilakukan
• Motor tidak akan mengalami gangguan saat start
• Jika start direct on-line (DOL) tidak memungkinkan, maka jenis dan ukuran starter/penggerak yang diperlukan untuk menghidupkan motor telah diketahui.
• Didapatkan ukuran dan setting peralatan proteksi motor yang sesuai dan benar

Studi pengasutan motor listrik dapat membantu dalam pemilihan desain motor yang tepat, untuk menentukan metode terbaik untuk menghidupkan motor dengan dampak minimum ke seluruh sistem distribusi Anda, dan untuk mengurangi masalah kedipan tegangan dan jatuh tegangan.

———————————————

Bagaimana Melakukan Analisis Starting Motor?

Standar Referensi

Standar paling umum yang digunakan untuk melakukan studi dan analisa pengasutan motor baik oleh individu atau konsultan adalah IEEE 3002.7-2018, yaitu IEEE Recommended Practice for Conducting Motor-Starting Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems.

Metodologi Umum

• Pengumpulan dan verifikasi data
• Pemodelan
• Verifikasi dan validasi parameter dan model
• Simulasi
  • Analisis starting statis
  • Analisis starting dinamis
• Analisis dan Rekomendasi
• Pelaporan

Metode Perhitungan

Ada 2 (dua) metode perhitungan dalam analisis start motor. Mereka:

• Hubungan matematika dan perhitungan tangan
• Perhitungan Berbasis Perangkat Lunak

Hubungan Matematika dan Perhitungan Manual

Metode hubung singkat (impedansi)

Metode ini melibatkan reduksi sistem menjadi jaringan pembagi tegangan sederhana (lihat Manning [B31]), seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, di mana tegangan pada setiap titik (bus) dalam suatu rangkaian ditemukan dengan mengambil tegangan yang diketahui (bus sumber) dikalikan dengan rasio impedansi ke titik yang dimaksud atas impedansi rangkaian total.

dimana

• E adalah tegangan sumber
• V adalah tegangan terminal motor
• Z₁ adalah impedansi sistem
• Z₂ adalah impedansi internal motor

Metode arus

Secara umum, untuk menghitung tegangan bus apa pun dalam sistem yang ditunjukkan pada Gambar 12, persamaan dasar untuk metode arus adalah sebagai berikut:

dimana

• Z_pu adalah impedansi total antara bus sumber dan bus beban (p.u.)
• V_drop adalah penurunan tegangan melintasi impedansi (p.u.)
• V_bus adalah tegangan pada bus tertentu (p.u.)

Metode aliran beban

Tegangan bus dan penurunan tegangan dapat ditentukan dengan program aliran beban konvensional. Hal ini benar, dengan memodelkan motor start sebagai beban impedansi konstan, dan akibatnya, perhitungan aliran beban menghasilkan tegangan bus selama start.

———————————————

Perhitungan dan Simulasi Berbasis Software

Ada 2 (dua) macam perhitungan dan simulasi, yaitu model starting motor statis dan model starting motor dinamis.

Starting Motor Statis

Diasumsikan bahwa pengasutan motor selalu dapat dilakukankan dan durasi asut motor diberikan. Selama periode start, motor diwakili oleh impedansi locked-rotor, yang menarik arus maksimum dari sistem dan memiliki dampak paling parah pada sistem. Setelah periode start terlampaui, starting motor diubah menjadi beban kVA yang konstan.

Metode pengasutan motor statis adalah pendekatan yang direkomendasikan bila salah satu kondisi berikut:

• Desain konseptual sistem baru
• Motor dan dinamika beban tidak tersedia dan tidak dapat diperkirakan
• Waktu percepatan motor tidak perlu dihitung
• Tujuannya adalah untuk menentukan pengaruh tegangan pada bus terhadap ukuran feeder dan/atau memeriksa pengaturan proteksi
• Motor akselerasi pada dasarnya adalah motor bertegangan rendah
• Motor terhubung ke sistem yang diumpankan oleh jaringan utilitas saja
• Motor dihubungkan ke sistem yang disulang oleh generator saja, tetapi ukuran motor start kurang 10% dari rating kVA generator

Metode ini cocok untuk memeriksa efek starting motor pada sistem ketika model dinamis tidak tersedia. Metode penghitungan starting motor statis meliputi:

• Domain waktu menggunakan model statis
• Motor sakelar dimodelkan sebagai ZLR selama start dan beban kVA konstan setelah start
• Analisis aliran beban saat ada perubahan sistem

Starting Motor Dinamis

Dalam metode star motor dinamis, dengan menggunakan model rangkaian motor, seluruh model dinamis untuk motor dan beban yang terhubung digunakan untuk mensimulasikan perilaku akselerasi dan pengaruh tegangan pada seluruh jaringan. Metode ini mengasumsikan generator dimodelkan sebagai tegangan konstan di belakang impedansi.

Start motor dinamis menggunakan model sirkuit adalah pendekatan yang direkomendasikan bila salah satu kondisi berikut terpenuhi:

• Perubahan atau perluasan desain sistem yang ada
• Motor dan dinamika beban terhubung tersedia dan/atau dapat diperkirakan
• Waktu percepatan motor harus dihitung
• Motor akselerasi pada dasarnya adalah motor tegangan menengah
• Motor dihubungkan ke sistem yang diumpankan oleh generator, tetapi ukuran motor start lebih besar dari 10% dari rating kVA generator

Perangkat Lunak

• ETAP
• SKM
• EasyPower
• dsb.

———————————————

Kebutuhan Informasi & Data Analisis Starting Motor

Informasi Dasar

• Impedansi utilitas dan generator
• Saluran transmisi
• Kabel
• Transformer
• Komponen lainnya
• Karakteristik beban
• Data mesin dan beban

Data Analisis Starting Motor

Data Bus

• kV nominal
• Sudut fasa
• Faktor keragaman beban (diversity factor)
• dsb.

Data Percabangan (Branch)

• Cabang meliputi trafo tiga lilitan, trafo dua lilitan, saluran transmisi, kabel, reaktor, dan impedansi.
• Data cabang juga mencakup nilai dan unit cabang Z, R, X, atau X/R, toleransi, dan suhu, jika berlaku
• Panjang dan unit kabel dan saluran transmisi
• Transformer dengan nilai kV dan kVA, setelan tap dan load tap-changing (LTC)
• Basis impedansi kV dan basis kVA

Data Jaringan Listrik

• Rated kV
• Megavolt ampere (MVA) hubung-singkat minimum (yaitu, impedansi jaringan yang lebih tinggi dan akibatnya lebih konservatif untuk melakukan studi penurunan tegangan)
• Tegangan pada titik interkoneksi (POI)

Data Beban Statis

• Rated kV, kVA, dan faktor daya
• Beban operasi

Data Motor-Operated Valve (MOV)

• Rated kV/HP dan kV
• Locked-rotor (LR), tanpa beban (NL), normal, dan torsi terukur (rated T)
• Arus, PF, dan durasi waktu untuk setiap tahap operasi
• Beban operasi
• Batas tegangan untuk start, seating/unseating, dan travel time

Data Kapasitor

• Rated kV
• Dinilai kVAR/bank dan jumlah bank
• Koneksi delta atau wye

Lumped Load  Data

• Rated kV, kVA, dan faktor daya
• Beban operasi

Data Variable Frequency Drive (VFD)

• Status saklar bypass
• Rated input/output kV, kVA, frekuensi, efisiensi, dan faktor daya input
• Faktor daya operasional input, frekuensi, dan rasio V/Hz
• Jenis kontrol pengasutan, parameter kontrol, dan batas arus

Data Generator Sinkron

• Mode operasi (ayunan, kontrol tegangan, kontrol kVAR, atau kontrol faktor daya)
• Nilai kV, kW, faktor daya, efisiensi, kutub
• Rasio X’_di dan X/R
• Data operasional pembangkitan (voltase, kW, dan kVAR)

Data Motor Sinkron

• Rated HP atau kW
• Rated kV
• Faktor daya & efisiensi pada beban poros 110%, 100%, 75%, 50% & 0%
• Beban operasi

Data Motor Induksi

• Rated kW/HP dan kV
• Faktor daya & efisiensi pada beban poros 110%, 100%, 75%, 50% & 0%
• Beban operasi

———————————————

Hasil Studi (Deliverables) dan Pelaporan

Setelah menjalankan studi, laporan harus dibuat oleh invidu atau konsultan analisis starting motor dalam format yang disukai oleh klien atau pengguna. Hasil atau deliverables minimum yang dibutuhkan, dan hasil tambahan untuk memfasilitasi pemahaman simulasi, harus tercakup dalam laporan.

Format Tipikal Laporan

• Gambaran umum
• Data input sistem
• Switching motor dan beban statis
• Switching event data
• Tabulasi aliran beban acara
• Event load flow tabulation
• Tabulated simulation results
• Motor-starting alerts
• Motor-starting plots and one-line diagram

———————————————

Hubungi Omazaki Engineering jika Anda membutuhkan konsultan untuk jasa konsultasi studi dan analisis pengasutan atau starting motor listrik menggunakan software ETAP untuk analisa proyek kelistrikan atau evaluasi sistem kelistrikan eksisting Anda.

———————————————

Artikel Terkait

• Studi & Analisis Sistem Tenaga Listrik
• Studi & Analisis Aliran Daya
• Studi & Analisis Hubung Singkat
• Studi Koordinasi Proteksi
• Studi Stabilitas Transien Sistem Tenaga
• Studi & Analisis Harmonik
• Studi & Asesmen Arc Flash
• Studi & Asesmen Kualitas Daya
• Studi & Analisis Jatuh Tegangan

Referensi

• IEEE 3002.7-2018 – IEEE Recommended Practice for Conducting Motor-Starting Studies and Analysis of Industrial and Commercial Power Systems
• IEC 60034 (Series), Rotating Electrical Machines
• NEMA MG 1-2016, Motors and Generators.
• NFPA 70, “National Electric Code” ,2017
• NFPA70E, “Standard for Electrical Safety in the Workplace”, 2017
• IEEE Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems, pp. 493-1997
• Jack Williams, “Evaluating the Effects of Motor Starting on Industrial and Commercial Power Systems”, IEEE Transaction on Industry Applications, July 1978
• E. Zocholl, “Motor Analysis and Thermal Protection”, IEEE Transactions on Power Delivery, July 1990

———————————————