Pengukuran Beban Nol

Mesin Listrik 2 >> Pengukuran Beban Nol

PENGUKURAN BEBAN NOL PADA GENERATOR DC, MOTOR DC, TRANSFORMATOR DAN MOTOR INDUKSI

Generator DC Beban Nol

Karakteristik beban nol dari generator dengan penguat medan terpisah baik generator shunt maupun seri dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 1. Rangkaian Generator DC Beban Nol dan Grafik Karakteristiknya

Karakteristik tersebut dapat dibuat menjadi sebagai berikut:

Mesin dijalankan pada kecepatan putar tetap dan emf beban nol yang dibangkitkan pada ujungujung kumparan jangkar diukur tegangannya dengan voltmeter. Pengukuran arus penguat medan dimulai dari nol dan selangkah demi selangkah dinaikkan, sehingga akhirnya diperoleh grafik dari hubungan antara I f (arus penguat medan) dan E a (emf jangkar) atau fluks penguat medan magnet. Dari gambar terlihat bahwa I f = 0 fluks penguat medan magnet atau emf jangkar sudah ada harganya.

1

Teknik Elektro >> Fakultas Teknik >> Universitas Negeri Padang


Hal ini disebabkan adanya magnet sisa pada kutub magnet. Keadaan ini merupakan syarat utama untuk generator penguat medan sendiri dapat dijalankan.

Motor DC Beban Nol

Motor Shunt

Motor beban nol maksudnya ialah bahwa arus jala-jala I L = (IL)0 karena ISh = Vt / RSh , maka arus jangkar tanpa beban ialah :

(Ia)0 = (IL)0 – ISh

Besarnya GGL jangkar tanpa beban ialah:

(Ea)0 = E0 = Vt – (Ia)0 Ra

Pada motor shunt tanpa beban, besar daya output P o = 0 atau relatif kecil karena I a = (Ia)0

Besarnya daya input P in sama dengan jumlah seluruh rugi-rugi dapat ditulis:

Pin = ∑ loss

dimana:

Pin = Vt (IL)0 2

∑ loss = (Ia)0 Ra + (ISh) RSh + rugi inti + rugi gesek Rugi gesek = Pa – Po – Pc

Motor Seri

Untuk motor seri tanpa beban, besar I L = 0, karena I a = I L , maka arus jangkar juga sama dengan nol. GGL jangkar motor seri tanpa beban ialah E o = Vt . Daya output dan daya input untuk motor seri tanpa beban ialah nol.

2



Transformator Beban Nol

Gambar 2. Rangkaian Ekuivalen Transformator Pada Pengukuran Beban Nol

Dalam keadaan tanpa beban, bila kumparan primer dihubungkan dengan V 1 maka hanya I 0 yang mengalir. Dari pengukuran P1 , I0 dan V1 diperoleh:

RC

   = 

Z0 =

 =   

Motor Induksi Beban Nol

Data yang diperlukan untuk penghitungan penampilan suatu motor induksi fasa banyak dapat diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran tahanan DC lilitan stator. Rugi-rugi beban tersebar, yang harus dimasukkan dalam perhitungan bila akan menghitung besarnya efisiensi yang teliti, dapat juga diukur dengan percobaan-percobaan yang tidak memerlukan pembebanan motor.

Gambar 3. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi

3



Seperti pengujian rangkaian terbuka pada suatu transformator, pengujian beban nol pada motor induksi memberikan keterangan dalam hal arus peneralan dan rugi-rugi beban nol. Biasanya pengujian tersebut dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan fasa banyak seimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang diizinkan, setelah motor bekerja cukup lama agar bagian-bagian yang bergerak mengalami pelumasan sebagaimana mestinya. Rugi-rugi perputaran keseluruhan pada frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap tetap dan sama dengan rugi-rugi beban nol.

Pada keadaan beban nol, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan untuk menghasilkan momen kakas yang cukup untuk mengatasi gesekan dan perlilitan. Karenanya, rugi-rugi 2

I R rotor beban nol ialah kecil dan dapat diabaikan. Tidak seperti halnya pada suatu transformator, 2

2

yang rugi-rugi I R primer beban nol dapat diabaikan, maka rugi-rugi I R stator beban nol motor induksi besarnya cukup berarti karena arus peneralannya lebih besar. Besarnya rugi-rugi perputaran P R pada keadaan kerja normal ialah:

2 nl

PR = Pnl – q1I

R1

dimana:

Pnl

: masukan daya fasa banyak keseluruhan

Inl

: arus tiap fasa

q1

: banyaknya fasa stator

R1

: tahanan stator tiap fasa

4



Karena slip pada keadaan beban nol sangat kecil, tahanan rotor terpantul R 2/snl sangat besar. Sehingga gabungan paralel rotor dan cabang magnetisasi menjadi jX φ di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar, dan besarnya reaktansi dari gabungan paralel karenanya sangat mendekati sama dengan Xφ . Akibatnya besarnya reaktansi yang tampak X nl yang diukur pada terminal stator pada keadaan beban nol sangat mendekati sama dengan X 1 + Xφ , yang merupakan reaktansi diri X 11 stator, ialah:

X11 = X1 + Xφ = Xnl

Maka besarnya reaktansi diri stator dapat ditentukan dari pembacaan alat ukur pada keadaan beban nol. Untuk suatu mesin 3 fasa yang terhubung Y besarnya impedansi beban nol Z nl tiap fasa ialah:

Znl =

 √ 

dimana Vnl ialah tegangan terminal saluran ke saluran pada pengujian beban nol. Besarnya tahanan R nl ialah:

Rnl =

 √ 

dimana Pnl merupakan masukan daya 3 fasa keseluruhan pada keadaan beban nol, maka besarnya reaktansi beban nol Xnl ialah:

Xnl =

 − 

Sehingga rangkaian ekuivalen menjadi:

Gambar 4. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi Beban Nol 5



atau:

Gambar 5. Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi Beban Nol yang Lain

Reaktansi total saat tanpa beban (X nl):

Xnl = X1 + Xm

Rangkaian pengujian yang dilakukan ialah seperti gambar berikut ini:

Gambar 6. Rangkaian Pengujian Beban Nol Motor Induksi

Data yang didapatkan:

Pnl

: daya nyata yang terbaca pada wattmeter, merupakan rugi-rugi tembaga magnetisasi (pada R C)

V1

: tegangan yang terbaca pada voltmeter

Inl

: arus tanpa beban yang terbaca pada amperemeter

Biasanya besarnya faktor daya beban nol sekitar 0,1 sehingga reaktansi beban nol sangat mendekati sama dengan impedansi beban nol. 6



Seperti pengujian terhubung singkat pada transformator, pengujian rotor tertahan pada suatu motor induksi memberikan keterangan mengenai impedansi bocor. Rotor tersebut ditahan sehingga tidak dapat berputar, dan tegangan fasa banyak seimbang diberikan pada terminal stator. Kadangkadang momen kakas rotor tertahan juga diukur.

Rangkaian ekuivalen untuk keadaan rotor tertahan identik dengan yang terdapat pada transformator terhubung singkat. Tetapi suatu motor induksi lebih rumit daripada transformator, karena impedansi bocornya dapat dipengaruhi oleh kejenuhan magnetik lintasan fluks bocor dan oleh frekuensi rotor. Impedansi tertahan dapat juga dipengaruhi oleh kedudukan rotor, meskipun pada umumnya pengaruh tersebut kecil dengan adanya rotor sangkar. Pedoman utama yang perlu diperhatikan adalah bahwa pengujian rotor tertahan harus dilakukan pada keadaan frekuensi rotor dan arus kira-kira sama dengan harga-harga pada keadaan kerja yang penampilannya akan dihitung nanti.

Sebagai contoh, bila diinginkan untuk mendapatkan karakteristik pada slip mendekati satu satuan, seperti pada awal motor bekerja, maka pengujian rotor tertahan harus dilakukan pada frekuensi normal dan dengan arus yang besarnya mendekati harga yang akan diperoleh pada waktu motor mulai dihidupkan. Tetapi, bila diinginkan karakteristik pada waktu bekerja normal, pengujian rotor tertahan harus dilakukan pada tegangan yang lebih kecil yang akan menghasilkan sekitar arus yang diizinkan, frekuensinya juga harus dikurangi, karena harga tahanan efektif rotor dan induktansi bocor pada frekuensi rotor yang rendah yang bersangkutan dengan slip yang kecil dapat berbeda cukup besar dari harganya pada frekuensi normal, terutama pada rotor-rotor sangkar ganda atau batang dalam.

Prosedur pengujian IEEE menyarankan frekuensi sebesar 25% frekuensi yang diizinkan. Besarnya reaktansi bocor keseluruhan pada frekuensi normal dapat diperoleh dari harga pengujian ini dengan memandang besarnya reaktansi sebanding dengan frekuensi. Pengaruh frekuensi sering dapat diabaikan untuk motor-motor normal yang ukurannya kurang dari 25 dk, dan karenanya impedansi tertahan dapat diukur langsung pada frekuensi normal. Pentingnya menjaga arus pengujian mendekati harga yang diizinkan beranjak dari kenyataan bahwa reaktansi bocor tersebut sangat dipengaruhi oleh kejenuhan.

7



Apabila arus peneralan dapat diabaikan, besarnya reaktansi rotor tertahan X bl , yang dibetulkan pada frekuensi normal, sama dengan jumlah reaktansi bocor stator dan rotor pada frekuensi normal X1 dan X2 . Penampilan motor secara relatif tidak begitu dipengaruhi oleh adanya pembagian reaktansi bocor keseluruhan X 1 + X 2 di antara stator dan rotor. Prosedur Pengujian IEEE menyarankan pembagian secara empiris seperti terlihat pada tabel berikut.

Tabel 1. Pembagian Secara Empiris Reaktansi Bocor dalam Motor Induksi

Kelas Motor A B C D Rotor Terlilit

Keterangan Momen kakas awal normal, arus awal normal Momen kakas awal normal, arus awal rendah Momen kakas awal tinggi, arus awal rendah Momen kakas awal tinggi, slip tinggi

Bagian dari X 1 + X2 X1 X2 0,5 0,5 0,4 0,6 0,3 0,7 0,5 0,5 0,5 0,5

Sekarang reaktansi magnetisasi dapat ditentukan dari pengujian beban nol dan harga X 1, jadi

Xφ = Xnl – X1

Tahanan stator R 1 dapat dipandang sebagai harga dc-nya. Maka tahanan rotor dapat ditentukan sebagai berikut. Dari percobaan rotor tertahan, tahanan tertahan R bl dapat dihitung dengan menggunakan hubungan yang mirip dengan persamaan R nl. Perbedaan antara tahanan tertahan dan tahanan stator karenanya dapat ditentukan dari data pengujian. Dengan menyatakan tahanan tersebut sebagai R, didapatkan

R = Rbl – R1

Dari rangkaian ekuivalen, dengan s = 1, maka tahanan R merupakan tahanan kombinasi R 2 + jX2 paralel dengan jX φ . Besarnya gabungan paralel tersebut:

R = R2

 ≈ R    22  2

dimana X22 = X2 + Xφ merupakan reaktansi diri rotor. Bila X 22 lebih besar dari 10 R 2 seperti yang biasanya terjadi, akan terjadi kesalahan kurang dari 1% dari penggunaan bentuk pendekatan

8



persamaan di atas. Dengan memasukkan bentuk pendekatan tersebut ke dalam persamaan R = R

bl

–

R1 dan menyelesaikannya untuk R 2, didapatkan:

R2

   = R   = (R 

bl

   –R )   1

Semua tetapan rangkaian ekuivalen sekarang telah ditentukan, dan penampilan motor pada keadaan ada beban dapat dihitung.

Gambar 7. Rangkaian Ekuivalen Rotor Tertahan pada Motor Induksi

atau bisa disederhanakan lagi menjadi:

Gambar 8. Rangkaian Ekuivalen Sederhana Rotor Tertahan pada Motor Induksi

dimana: Req = R1 + R2 Xeq = X1 + X2

9



Rangkaian pengujian untuk rotor tertahan ialah sebagai berikut:

Gambar 9. Rangkaian Pengujian Rotor Tertahan Motor Induksi

Data yang didapatkan: Pbl : daya nyata yang terbaca pada wattmeter, merupakan rugi-rugi tembaga magnetisasi pada R eq Vbl : tegangan yang terbaca pada voltmeter, keadaan rotor ditahan Ibl : arus listrik yang terbaca pada amperemeter, keadaan rotor ditahan

Contoh Soal Data pengujian berikut berlaku pada suatu motor induksi 4 kutub 60 Hz 19 A 220 V 3 fasa 7,5 dk dengan suatu rotor sangkar bajing ganda dari jenis arus awal rendah momen kakas awal tinggi (rancangan kelas C).

Pengujian 1: Pengujian beban nol pada 60 Hz Tegangan yang diberikan V = 219 V jala-jala ke jala-jala Arus jala-jala rata-rata I nl = 5,7 A Daya (dua buah wattmeter): W 1 = 680 W W2 = -300 W

Pengujian 2: Percobaan rotor tertahan pada 15 Hz V = 26,5 V I = 18,57 A W1 = 215 W W2 = 460 W

10



Pengujian 3: Tahanan dc rata-rata tiap fasa stator (diukur langsung setelah pengujian 2) R1 = 0,262 Ω / fasa (dianggap terhubung Y)

Pengujian 4: Pengujian rotor tertahan pada 60 Hz V = 212 V I = 83,3 A W1 = 3300 W W2 = 16.800 W Momen kakas awal terukur T awal = 54,6 pon.kaki

a.

Hitunglah rugi-rugi perputaran beban nol dan tetapan rangkaian ekuivalen yang berlaku untuk keadaan operasi normal. Anggap sukunya sama seperti pada pengujian 3.

b.

Hitunglah momen kakas awal dalam dari pengukuran masukan pengujian 4. Anggap suku sama seperti pada pengujian 3.

Penyelesaian: a.

2 nl

Dari pengujian 1, Pnl = 380 W, dan oleh persamaan P R = Pnl – q1I

R1.

2

PR = 380 – 3(5,7) (0,262) = 354 W Dari pengujian 1:

!" = 22,2 Ω / fasa Y √ ($,&)  = 3,9 Ω = ($,&)

Znl =

Rnl

Xnl = 21,8 Ω

Pengujian rotor tertahan pada frekuensi yang dikurangi dan arus yang diizinkan menghasilkan kembali secara kira-kira keadaan operasi normal pada rotor. Dari pengujian 2: Z’bl =

*,$ = 0,825 Ω / fasa pada 15 Hz √ (!,$&)

Rbl =

*&$ (!,$&) = 0,654 Ω

X’bl = 0,503 Ω pada 15 Hz

dimana tanda prima menunjukkan harga 15 Hz. Maka besarnya reaktansi tertahan yang berpatokan pada frekuensi normal ialah: 11



Xbl =

* (0,503) = 2,01 Ω / fasa pada 60 Hz !$

Menurut tabel 1, X1 = 0,3(2,01) = 0,603

X2 =0,7(2,01) = 1,407 Ω / fasa

dan dengan persamaan X φ = Xnl – X1 Xφ = 21,8 - 0,6 = 21,2 Ω / fasa Kemudian,

 ,*  !, = 0,445 Ω / fasa

R = 0,654 – 0,262 = 0,392

R2 = 0,392

Dengan demikian maka tetapan-tetapan rangkaian ekuivalen untuk harga slip kecil telah dihitung.

b.

Momen kakas awal dalam dapat dihitung dari pengukuran masukan pada pengujian 4. Dari 2

masukan daya dan rugi-rugi I R stator, besarnya daya celah udara P g 1 ialah:

2

Pg 1 = 20100 – 3(83,3) (0,262) = 14650 W

Kecepatan serempak ω s = 188,5 rad/det, dan

Tstart =

!+*$ = 77,6 N . m = 57,3 lb . ft !,$

Harga pengujian, T awal = 54,6 pon . kaki, merupakan beberapa persen lebih kecil dari harga perhitungan karena dalam perhitungan tidak memasukkan daya yang diserap dalam rugi-rugi inti stator dan rugi-rugi beban terbesar.

12



Daftar Pustaka

A.E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr, Stephen D. Umans. 1983. Electric Machinery, 4th Edition. McGrawHill, Inc. Ir. Djoko Achyanto, M.Sc.EE. 1997. Mesin-Mesin Listrik. Jakarta: Penerbit Erlangga.

13


Pengukuran Beban Nol

Recommend Documents