## KARAKTERISTIK BEBAN-BEBAN MOTOR INDUKSI DI TAMBANG PT SEMEN PADANG

## Zaini
Jurusan Teknik Elektro Universitas Andalas

## ABSTRAK
Motor  induksi  sudah  menjadi  penggerak  utama  beban-beban  di  industri  dalam  50  tahun  terakhir. Konstruksi  yang  sederhana,  harga  dan  kinerja  adalah  beberapa  faktor  yang  meningkatkan  popularitas motor ini di kalangan industri. Untuk kasus tambang PT Semen Padang, motor induksi diaplikasikan pada mobile crasher, belt conveyer dan vibrating screen. Umum nya motor-motor tersebut berdaya besar tetapi memiliki  faktor  daya  yang  rendah.  Penelitian  ini  bertujuan  untuk  menganalisa  karakteristik  beban  yang terhubung  dengan  mengukur  arus  dan  tegangan  motor-motor  tersebut.  Pengaruh  volume  dan  ukuran material batu gunung terhadap operasi motor induksi akan dibahas.. Penelitian ini sangat bermanfaat bagi pihak  PT  Semen  Padang  karena  dapat  memahami  kondisi  riil  motor  induksi  di  tambang,  mengambil tindakan  penghematan  konsumsi  energi  listrik  dan  mengurangi  biaya  beban  induktif  yang  dibebankan oleh PT PLN sebagai penyedia energi listrik.
Kata Kunci :Motor Induks, Karakteristik beban, PT. Semen Padang

## I. PENDAHULUAN
Motor  induksi  sudah  menjadi  penggerak utama  beban-beban  di  industri  dalam  50  tahun terakhir. Konstruksi  yang  sederhana,  harga  dan kinerja adalah beberapa faktor yang meningkatkan popularitas motor ini di kalangan industri.  Untuk  kasus  tambang  PT  Semen Padang,  motor  induksi  diaplikasikan  pada mobile  crusher,  belt  conveyer  dan  vibrating screen.  Umum  nya  motor-motor  tersebut berdaya besar tetapi memiliki faktor daya yang rendah.  Selama  ini  PT  Semen  Padang  juga harus membayar daya reaktif yang diserap oleh motor  induksi  tersebut.  Salah  satu  karakter motor  induksi  adalah  daya  reaktif  sensitif terhadap  perubahan  slip.  Untuk  frekuensi tegangan  stator  yang  konstan,  besar  slip ditentukan kecepatan rotor.
Penelitian ini dilaksanakan menggunakan dua pendekatan yaitu simulasi dan eksperimen. Melalui  simulasi  dengan  software  Simulink, pengaruh  perubahan  beban  dan  parameter motor  seperti  nilai  resistansi  stator atau  rotor terhadap  konsumsi  daya  dan  faktor  daya  dapat diprediksi.  Sedangkan  kondisi  riil  di  lapangan dapat  dianalisa  pada  pendekatan  eksperimen. Akhirnya,  Penelitian  ini  bertujuan  untuk menganalisa karakteristik beban yang terhubung dengan mengukur arus dan tegangan
motor-motor  tersebut.  Penelitian  ini  sangat bermanfaat  bagi  pihak  PT  Semen  Padang karena  dapat  menghemat  konsumsi  energi listrik  dan  mengurangi  biaya  beban  induktif yang  dibebankan  oleh  PT  PLN  sebagai penyedia energi listrik.

## II. MODEL MOTOR INDUKSI
Harga  energi  listrik  yang  terus  naik memaksa kalangan industri untuk meningkatkan  efisiensi  peralatan-peralatan  di pabrik,  contoh  nya  motor  induksi.  Untuk menghitung rugi-rugi daya diperlukan rangkaian  listrik  ekivalen  yang  dapat  memberi informasi tentang tegangan dan arus dari motor induksi  seperti  yang  diperlihatan  pada  Gambar 1. Resistansi stator (R s ), Resistansi inti besi (R c ) dan  Resistansi  rotor  (R r ’)  menunjukan  tempat dimana  rugi-rugi  daya  terjadi.  Besar  rugi-rugi daya  sebanding  dengan  kuadrat  arus  yang mengalir pada resistansi tersebut. Motor induksi yang efisien tentunya mempunyai nilai resistansi yang rendah.
Gambar 1. Rangkaian ekivalen satu fasa motor induksi (Husain, 2005)
Pada gambar terdapat notasi P ag yg menunjukan daya  listrik  yang  ditransfer  dari  stator  ke  rotot melalui  celah  udara  (air  gap).  Sebagian  besar daya  ini  dikonversi  menjadi  daya  mekanik untuk menggerakan beban, dalam hal ini untuk menghancurkan  batu  gunung.  Besar  daya mekanik yang dihasilkan adalah:
  ' 1 ' 2 r r m R s s I P   (1)
Gambar  diatas  tidak  memperhitungkan  rugi- rugi  daya  mekanik  yang  terdapat  pada  motor induksi  seperti  gesekan  (friction)  dan  redaman udara (windage). Jika faktor daya pada terminal motor adalah pf maka daya input adalah:
pf I V P s s e   
(2)
Dan efisiensi dapat dihitung sebagai berikut:
% 100   e m P P Eff (3)
Persamaan  (1)  memperlihatkan  bahwa  daya mekanik yang dihasilkan tergantung dari, selain arus dan resistansi rotor, juga putaran motor (n r ) dan  frekuensi  tegangan  stator  (f s ).  Parameter  s disebut dengan slip dan besarnya:
s r s n n n s   (4)
p f n s s 120  (5)
Dimana p adalah  jumlah  kutub  dari  motor induksi.  Gambar  2  memperlihatkan  hubungan antara  daya  nominal  motor  induksi  dengan efisiensi  yg  dipengaruhi  oleh  kecepatan  motor. Efek  kecepatan  motor  terhadap  efisiensi  lebih besar  pada  motor  dengan  daya  lebih  rendah. Dalam  praktek  nya,  efisiensi  motor  induksi diperlihatkan dalam bentuk map sebagai fungsi dari torsi motor dan putaran rotor.
Gambar 2. Efisiensi beban penuh pada motor induksi (Kirtley da Ghai, 2004)
Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan daya riil (P) dengan daya semu (S) yang diserap oleh  motor  induksi.  Komponen  lain  dari  daya semu adalah daya reaktif (Q) dengan hubungan sebagai berikut:
2 2 Q P S   (6) S P pf  (7)
Adanya  parameter  slip s pada  rangkaian ekivalen motor induksi mengakibatkan daya (P, Q  dan  S)  dipengaruhi  oleh  frekuensi  tegangan stator dan putaran motor. Sebagai akibat, faktor daya juga merupakan fungsi dari slip. Gambar 3 memperlihatkan pengaruh putaran motor terhadap  faktor  daya  untuk  frekuensi  konstan sebesar 60 Hz. Terlihat bahwa kecepatan motor yang lebih besar menghasilkan faktor daya yang lebih baik untuk setiap rating motor.
Gambar 3. Faktor daya beban penuh pada motor induksi (J.Kirtley and N.Ghai, 2004)
Torsi  yang  dihasilkan  motor  induksi adalah hasil dari interaksi antara medan elektro
elektromagnetik di stator dan rotor. Pada stator arus  3  fasa  menghasilkan  medan magnet  putar pada arah radial. Karena terdapat gerakan relatif antara  stator  dan  rotor,  tegangan  diinduksikan di  rotor.  Rotor,  baik  berupa  besi  padat  atau belitan,  dihubung-singkat  dengan  resistansi tertentu  sehingga  dihasilkan  arus.  Gambar  4 memperlihatkan  rangkaian  ekivalen  motor induksi tiga fasa.
Gambar 4. Motor induksi simetri 3 fasa (Lyshevski, 1999)
Terlihat  pada  gambar  diatas  sumbu  magnetik stator as, bs dan cs bersifat diam, tetapi sumbu magnetik  rotor ar berubah  seiring  dengan kecepatan  rotor, sumbu br dan cr tidak diperlihatkan pada gambar itu. Persamaan fluks lingkup  stator  dan  rotor  dalam  bentuk  matrik adalah:
                   abcr abcs r T sr sr s abcr abcs i i L L L L ψ ψ (8)
Dimana                     ms ls ms ms ms ms ls ms ms ms ms ls s
L L L L L L L L L L L L
2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / L (9)                     mr lr mr mr mr mr lr mr mr mr mr lr r L L L L L L L L L L L L
2 / 2 / 2 / 2 / 2 / 2 / L (10)
  
              r r r r r r r r r sr sr L                cos ) 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( cos ) 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( ) 3 / 2 cos( cos L
(11)
Turunan fluks lingkup stator dan rotor terhadap waktu diberikan oleh:
dt d dt d dt d dt d abcr sr sr abcr abcs s abcs i L L i i L ψ    (12) dt d dt d dt d dt d abcs sr sr abcs abcr r abcr i L L i i L ψ    (13)
Persamaan  tegangan  pada  sisi  stator  dan  rotor adalah:
dt d abcs abcs s abcs ψ i r u   (14) dt d abcr abcr r abcr ψ i r u   (15)
Torsi elektromagnetik yang dibangkitkan motor induksi adalah:
abcr r sr T abcs e p T ' ' 2 i L i     (16)
Terlihat  bahwa  torsi  adalah  fungsi  dari  arus stator, arus rotor dan perubahan induksi mutual terhadap sudut rotor  r .

## III. SIMULASI MOTOR INDUKSI
Gambar  5  memperlihatkan  model motor induksi pada Software Simulink. Motor disuplai oleh  sumber  3  fasa  dengan  tegangan  fasa  ke fasa 460 V dan frekuensi 50 Hz. Beban mekanis adalah  input  ke  blok  induction  machine  yang dinyatakan  dengan  torsi,  dalam  simulasi  ini torsi  naik  dari  0  Nm  ke 120 Nm  dalam  waktu 0.5  detik,  lalu  pada  t=3  detik  torsi  beban  turun ke  80  Nm.  Banyak  hasil  simulasi  yang  dapat ditampilkan  dengan  model  ini  seperti  arus stator,  arus  rotor,  tegangan  stator,  tegangan rotor dan lain-lain.
Gambar 5. Model motor induksi di Simulink
Pengaruh  penurunan  beban  terhadap kecepatan  motor  diperlihatkan  pada  gambar  6 dimana  terjadi  kenaikan  kecepatan  dari 154.7 rad/detik ke 155.5 rad/detik. Kenaikan kecepatan  tersebut  ditandai  dengan  osilasi selama 0.2 detik dan menyerupai respons sistem order  2. Penurunan  beban menyebabkan  arus motor  turun  seperti  ditunjukan  pada  gambar  7 untuk fasa A.
2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 154 154.2 154.4 154.6 154.8 155 155.2 155.4 155.6 155.8 156 time (sec) ke ce pa ta n m ot or (r ad /d et ik )
Gambar  6. Respons kecepatan motor terhadap penurunan beban
2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 waktu (detik) ar us m ot or (A m pe r)
Gambar  7. Respons arus motor terhadap penurunan beban

## IV. PENGUKURAN ARUS DAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI DI TAMBANG PT SP
Untuk  mengetahui  karakter  beban-beban di  tambang,  kunjungan  singkat  dilaksanakan dan  lokasi  yang  ditinjau  adalah mobile  crasher dan belt  conveyer.  Gambar  8  memperlihat motor induksi tiga fasa 380 V untuk penggerak pompa  hidrolik yang  akan  menghasilkan tekanan fluida dan disalurkan ke motor hidrolik penggerak  feeder.  Terdapat  dua  buah  motor induksi  jenis  ini  yang  menggerakan  feeder masukan dan keluaran sizer.
Gambar 8. Motor induksi dan pompa hidrolik di mobile crasher
Motor  induksi  dengan  daya  yang  lebih besar dipakai untuk memecah batu gunung dan dikenal  dengan  sizer  seperti  diperlihatkan  pada Gambar  9.  Seperti  pada  sistem  hidrolik,  sizer juga  terdiri  dari  dua  motor  induksi  tiga  fasa. Namun  tegangan  kerja jauh  lebih  besar  yaitu 6 kV  sehingga  torsi  yang  dihasilkan  juga  jauh lebih  besar.  Karena  dimensi  batu  yang  masuk sizer  tidak  seragam,  beban  motor  ini  menjadi tidak konstan dan dapat menimbulkan fluktuasi putaran motor.
Gambar 9. Motor induksi ukuran besar pada mobile crasher
Karena  keterbatasan  alat  ukur,  hanya besaran arus dan tegangan pada satu fasa motor induksi  380  V  yang  dapat  diukur.  Hasil pengukuran  diperlihatkan  pada  Gambar  10, waktu  yang  diperlukan  oleh  gelombang  untuk mencapai  satu  siklus  adalah  0.02  detik  yang berarti frekuensi gelombang adalah 50 Hz. Jika diamati,  amplitudo  gelombang  tegangan  dan arus  adalah  310  Volt  dan  127  A. Gambar  11 menunjukan  gelombang  tegangan  dan  arus bolak  balik  pada  motor  induksi  6  kV.  Besar amplitudo tegangan dan arus adalah 4.8 kV dan 19 A. Bentuk gelombang arus tidak menyerupai sinusoidal  murni  seperti  bentuk  gelombang tegangan. Ini memperlihatkan adanya nonlinearitas  rangkaian  motor  induksi  dan adanya komponen harmonik.
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 -400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 waktu (detik) V ol t, A m pe r V I Gambar 10. Tegangan dan arus bolak-balik pada motor induksi 380 V 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 waktu (detik) kV , A m pe r V I
Gambar 11. Tegangan dan arus bolak-balik pada motor induksi 6 kV

## V. ANALISA KARAKTERISTIK BEBAN
Idealnya  dilakuan  pengukuran  torsi  di motor-motor induksi diatas untuk mendapatkan karakteristik  beban.  Ketiadaan  sensor  torsi  dan kesulitan  pemasangan  sensor  di motor  induksi menyebabkan hal tersebut tidak dapat dilaksanakan.  Oleh  sebab  itu  hasil  simulasi menggunakan  software  Simulink  digunakan untuk memprediksi karakteristik beban. Hubungan  antara  torsi  beban  terhadap  arus RMS stator  fasa  A  diperlihatkan  pada  gambar 12  dan  terlihat  hubungan  yang  proporsional. Torsi  beban  sebesar  120  Nm  membutuhkan arus  stator  sebesar  25.1  A  dan  beban  100  Nm menimbulkan  arus  20.9  A.  Sehingga  prilaku beban  motor  induksi  di  tambang  PT  Semen Padang dapat diprediksi menggunakan data arus stator.
2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 80 90 100 110 120 to rs i b eb an (N m ) 2.9 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 15 20 25 waktu (detik) ar us s ta to r ( A )
Gambar 12. Pengaruh beban motor induksi terhadap arus stator
Motor  induksi  6  kV  digunakan  untuk menghancurkan batu gunung di mobile crasher. Berdasarkan hasil pengukuran arus seperti pada gambar  13,  fluktuasi  beban  yang  terjadi  cukup besar.  Pada  kondisi  normal,  arus  stator  hanya sekitar  20  A.  Tapi  pada  saat  batu  berukuran sangat  besar  digiling  oleh  mobile  crasher, kecepatan  akan  turun  drastis,  sedangkan  arus akan  naik  sekitar  95  A  dan  setelah  beberapa saat  kembali  normal  di  sekitar  20  A.  Fluktuasi faktor  daya  motor  induksi  ini  diperlihatkan pada  gambar  14.  Terlihat  pada  kondisi  normal, faktor  daya  adalah  sebesar  0.2  dan  saat  beban naik,  faktor  daya  juga  naik  dan  bisa  mencapai 0.95.  Hal  ini  menandakan  motor  induksi menyuplai  daya  aktif  yang  sangat  besar  untuk menghancurkan batu gunung.
Pada  sisi  lain,  motor  induksi  380  V meperlihatkan  respons  yang  relatif steady dibanding  motor  induksi  6  kV  diatas  seperti diperlihatkan pada gambar 15. Karena berfungsi sebagai feeding conveyer, volume material batu gunung yang tidak konstan
akan memperlihatkan  fluktuasi  beban  dimana  arus dapat  naik  mencapai  115  A  padahal  pada kondisi normal adalah sekitar 80 A.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 waktu (detik) ar us s ta to r ( A m pe r)
Gambar 13. Arus stator motor induksi 6 kV akibat fluktuasi beban 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 fa kt o da ya waktu (detik) Gambar 14. Faktor daya motor 6 kV akibat fluktuasi beban 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 60 70 80 90 100 110 120 waktu (detik) ar us m ot or (A m pe r) Gambar 15. Arus stator motor induksi 380 V akibat fluktuasi beban
VI. KESIMPULAN
Hasil simulasi menunjukan bahwa karakteristik  beban  pada  suatu  motor  induksi dapat  diprediksi  dengan  memperhatikan  arus stator yang terukur. Pada aplikasi motor induksi di tambang PT Semen padang, dua buah motor induksi  6  kV  dan  380  V  pada  unit  mobile crasher  mempunyai  karakteristik  yang sangat berbeda  tergantung  pada  fungsi  nya  masing- masing.  Berdasarkan  relasi  antara  arus  dan kecepatan  motor,  fluktuasi  kecepatan  pada motor  induksi  6  kV  akan  lebih  besar dibandingkan motor induksi 380 V.

## Daftar Pustaka
[1] Husain, I. , Electric and Hybrid Vehicles: Design Fundamentals, CRC Press, 2004
[2] Kirtley, J. dan Ghai, N., Electric Motor
Handbook, Mc-Graw-Hill, 2004.
[3] Lynshevski, S. E., Transient Dynamics and Motion Control of Induction Motors. IEEE lnternatianal Conference on
Control Applications, 950-955, 1999.

## Biodata Penulis
Zaini, Menamatkan S1  di jurusan  teknik  elektro  Universitas  Andalas  (UNAND)  tahun  1999, pendidikan S2 di UMIST tahun 2001 dan pendidikan S3 di Bradford University tahun 2011. Saat ini penulis terdaftar sebagai dosen Teknik Elektro di Universitas Andalas.