Motor Starting Techniques

When large motors are started, noticeable voltage dips or flicker can occur on the consumers wiring system, the utility’s system, or both. Depending on the voltage sensitivity of other connected loads, these voltage dips can be unnoticeable, annoying, or harmful to the equipment. For example, lightbulbs can dim and be annoying to office personnel; however, voltage dips can cause other motor loads to slow down, overheat, and possibly fail. Reduced motor starting equipment is often used to minimize voltage dips and flicker.

The iron and copper wires in large motors need to become magnetized before running at full speed. The inrush current required to start the motor to create the necessary magnetic fields can be as high as 7–11 times the full load current of the motor. Therefore, when large motors start, they often cause low-voltage conditions from voltage drop on the conductors from high-current flows. Utilities normally adopt guidelines or policies for starting large motors. When starting a motor exceeds the utility requirement for voltage dip or flicker (usually set around 3–7%), then special motor starting techniques are usually required.

There are several methods for reducing voltage dip and flicker. Reduced voltage motor starting equipment (i.e., soft starting), such as capacitors, transformers, special winding connections, and other control devices, are commonly used in motor circuitry to reduce the inrush current requirements of large motors during start-up conditions.

The three most common means of providing soft starting or reduced voltage starters on large motors are the following:

1. Resistance is temporarily placed in series with the motor starter breaker contacts or contactor to cause reduced current to flow into the motor when started. This approach can reduce the inrush current to less than five times full load current. Once the motor comes up to full speed, the resistors are shorted out, leaving solid conductors serving the motor power requirements.

2. Wye–delta connection changeover in the motor windings is another very effective way to reduce inrush current. The motor windings are first connected in wye, where the applied voltage is only line to ground; then the motor windings are connected in delta for full voltage and output power.

3. Auto-transformers are sometimes used to apply a reduced voltage to the terminals when started and then switched out to full voltage after the motor reaches full speed. This scheme can be used with motors that do not have external access to the internal windings.

Read More

TYPES OF GENERATORS

Essentially, there are two basic types of generators:
• DC generators 
• AC generators: Asynchronous (Induction) generators and Synchronous generators 

INDUCTION GENERATORS

The induction generator is nothing more than an induction motor driven above its synchronous speed by an amount not exceeding the full load slip the unit would have as a motor. Assuming a full load slip of 3%, a motor with a synchronous speed of 1200 rpm would have a full load speed of 1164 rpm. This unit could also be driven by an external prime mover at 1236 rpm for use as an induction generator.

The induction generator requires one additional item before it can produce power – it requires a source of leading VAR’s for excitation. The VAR’s may be supplied by capacitors (this requires complex control) or from the utility grid. Induction generators are inexpensive and simple machines, however, they offer little control over their output. The induction generator requires no separate DC excitation, regulator controls, frequency control or governor.

SYNCHRONOUS GENERATORS

Synchronous generators are used because they offer precise control of voltage, frequency, VARs and WATTs. This control is achieved through the use of voltage
regulators and governors. A synchronous machine consists of a stationary armature winding (stator) with many wires connected in series or parallel to obtain the desired terminal voltage.

The armature winding is placed into a slotted laminated steel core. A synchronous machine also consists of a revolving DC field - the rotor. A mutual flux developed across the air gap between the rotor and stator causes the interaction necessary to produce an EMF. As the magnetic flux developed by the DC field poles crosses the air gap of the stator windings, a sinusoidal voltage is developed at the generator output terminals. This process is called electromagnetic induction.

The magnitude of the AC voltage generated is controlled by the amount of DC exciting current supplied to the field. if “FIXED” excitation were applied, the voltage magnitude would be controlled by the speed of the rotor (E=4.44fnBA), however, thismwould necessitate a changing frequency! Since the frequency component of the power system is to be held constant, solid state voltage regulators or static exciters are commonly used to control the field current and thereby accurately control generator terminal voltage.

The frequency of the voltage developed by the generator depends on the speed of the rotor and the number of field poles. For a 60 Hz system, Frequency = speed(rpm)*pole pairs/60.

Read More

History Of Electric Power

Benjamin Franklin is known for his discovery of electricity. Born in 1706, he began studying electricity in the early 1750s. His observations, including his kite experiment, verified the nature of electricity. He knew that lightning was very powerful and dangerous. The famous 1752 kite experiment featured a pointed metal piece on the top of the kite and a metal key at the base end of the kite string. The string went through the key and attached to a Leyden jar. (A Leyden jar consists of two metal conductors separated by an insulator.) He held the string with a short section of dry silk as insulation from the lightning energy. He then flew the kite in a thunderstorm. He first noticed that some loose strands of the hemp string stood erect, avoiding one another. (Hemp is a perennial American plant used in rope making by the Indians.) He proceeded to touch the key with his knuckle and received a small electrical shock.

Between 1750 and 1850 there were many great discoveries in the principles of electricity and magnetism by Volta, Coulomb, Gauss, Henry, Faraday, and others. It was found that electric current produces a magnetic field and that a moving magnetic field produces electricity in a wire. This led to many inventions such as the battery (1800), generator (1831), electric motor (1831), telegraph (1837), and telephone (1876), plus many other intriguing inventions.

In 1879, Thomas Edison invented a more efficient lightbulb, similar to those in use today. In 1882, he placed into operation the historic Pearl Street steam–electric plant and the first direct current (dc) distribution system in New York City, powering over 10,000 electric lightbulbs. By the late 1880s, power demand for electric motors required 24-hour service and dramatically raised electricity demand for transportation and other industry needs. By the end of the 1880s, small, centralized areas of electrical power distribution were sprinkled across U.S. cities. Each distribution center was limited to a service range of a few blocks because of the inefficiencies of transmitting direct current. Voltage could not be increased or decreased using direct current systems, and a way to to transport power longer distances was needed.

To solve the problem of transporting electrical power over long distances, George Westinghouse developed a device called the “transformer.” The transformer allowed electrical energy to be transported over long distances efficiently. This made it possible to supply electric power to homes and businesses located far from the electric generating plants. The application of transformers required the distribution system to be of the alternating current (ac) type as opposed to direct current (dc) type.

The development of the Niagara Falls hydroelectric power plant in 1896 initiated the practice of placing electric power generating plants far from consumption areas. The Niagara plant provided electricity to Buffalo, New York, more than 20 miles away. With the Niagara plant, Westinghouse convincingly demonstrated the superiority of transporting electric power over long distances using alternating current (ac). Niagara was the first large power system to supply multiple large consumers with only one power line.

Since the early 1900s alternating current power systems began appearing throughout the United States. These power systems became interconnected to form what we know today as the three major power grids in the United States and Canada. The remainder of this chapter discusses the fundamental terms used in today’s electric power systems based on this history.

Read More

ETAP (Electric Transient Analysis Program)

ETAP (Electric Transient Analysis Program)

24MAR

ETAP (Electric Transient Analysis Program) merupakan suatu software (perangkat lunak) yang digunakan suatu sistem tenaga listrik. Perangkat ini dapat bekerja dalam keadaan offline yaitu untuk simulasi tenaga listrik, dan juga dalam keadaan online untuk pengelolaan data real time. Analisa tenaga listrik yang daoat dilakukan dengan menggunakan ETAP antara lain :

Analisa Aliran Daya (Load Flow Analysis)

Analisa Hubung Singkat (Short Circuit Analysis)

Motor Starting

Arc Flash Analysis

Harmonics Power System

Analisa Kestabilan Transien (Transient Stability Analysis)

Protective Device Coordination

Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam bekerja menggunakan ETAP antara lain

One Line Diagram, merupakan notasi yang disederhanakan untuk sebuah sistem tenaga listrik tiga fasa. Sebagai ganti dari representasi saluran tiga fasa yang terpisah, digunakanlah sebuah konduktor. Hal ini memudahkan dalam pembacaan diagram maupun dalam analisa rangkaian

Library, merupakan informasi mengenai semua peralatan yang akan dipakai dalam sistem kelistrikan. Data elektris maupun mekanis dari peralatan yang lengkap dapat mempermudah dan memperbaiki hasil simulasi ataupun analisa

Standar yang dipakai, biasanya mengacu pada standar IEC dan ANSI. Perbedaan antara standar IEC dan ANSI terletak pada standar frekuensi yang digunakan yang mengakibatkan perbedaan spesifikasi peralatan yang digunakan. Jika pada standar IEC nilai frekuensi yang digunakan adalah 50 Hz, sedangkan pada standar ANSI nilai frekuensi yang digunakan adalah 60 HZ

    Standar IEC    Standar ANSI

Study Case, berisikan parameter-parameter yang berhubungan dengan metode studi yang akan dilakukan dan format hasil analisa

Di bawah ini merupakan gambar dari perangkat ETAP

Berikut ini merupakan beberapa elemen yang digunakan dalam single line diagram

Generator

Merupakan suatu mesin listrik yang berfungsi untuk membangkitkan listrik

Transformator

Merupakan peralatan yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dengan rasio tertentu sesuai dengan kebutuhan yang diinginkan

            

Standar ANSI            Standar IEC

Pemutus Rangkaian (Circuit Breaker)

Merupakan peralatan yang berfungsi untuk untuk melindungi sebuah rangkaian listrik dari kerusakan yang disebabkan oleh kelebihan beban atau hubungan pendek.

Circuit Breaker untuk High Voltage dan Low Voltage

Beban

Terdapat 2 beban dalam ETAP, yaitu Static Load dan Lumped Load

            

Static Load        Lumped Load

    Dari sekian analisa yang dapat dilakukan menggunakan ETAP, terdapat tiga analisa yang akan dibahas kali ini. Analisa tersebut yaitu Load Flow Analysis (Analisa Aliran Daya), Short Circuit Analysis (Analisa Hubung Singkat), dan Motor Acceleration Analysis.

1. Load Flow Analysis (Analisa Aliran Daya)

Analisa aliran daya merupakan suatu analisa aliran daya aktif (P) dan daya reaktif (Q) dari suatu sistem pembangkit (sisi pengirim) melalui suatu saliran transmisi hingga sampai ke beban (sisi penerima). Idealnya, daya yang dikirim akan sama dengan daya yang diterimadi beban adalah sama. Namun pada kenyataannya, daya yang dikirim di sisi pengirim tidak sama dengan daya yang diterima di sisi beban. Hal ini disebabkan beberapa hal

1. Impedansi di saluran transmisi.
   Impedansi di saluran transmisi dapat terjadi karena berbagai hal dan sudah mencakup resultan antara hambatan resistif, induktif dan kapasitif. Hal ini yang menyebabkan rugi-rugi daya karena terkonversi atau terbuang menjadi energi lain dalam transfer energi.
2. Tipe beban yang tersambung jalur.
   Ada 3 tipe beban, yaitu resistif, induktif, dan kapasitif. Resultan antara besaran hambatan kapasitif dan induktif akan mempengaruhi PF sehingga mempengaruhi perbandingan antara besarnya daya yang ditransfer dengan yang diterima.

Ada beberapa metode yang bisa digunakan untuk menghitung aliran daya, antara lain

• Accelerated Gauss-Seidel Method

• Hanya butuh sedikit nilai masukan, tetapi lambat dalam kecepatan perhitungan.

• Newton Raphson Method
• Cepat dalam perhitungan tetapi membutuhkan banyak nilai masukan dan parameter.
• First Order Derivative digunakan untuk mempercepat perhitungan.

• Fast Decoupled Method

• Dua set persamaan iterasi, antara sudut tegangan, daya reaktif dengan magnitude tegangan
• Cepat dalam perhitungan namun kurang presisi
• Baik untuk sistem radial dan sistem dengan jalur panjang

Pada analisa aliran daya ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik aliran daya yang berupa pengaruh dari variasi beban dan rugi-rugi transmisi pada aliran daya dan juga mengetahui adanya tegangan jatuh (drop voltage) pada sisi beban.

Contoh hasil analisis aliran daya

1. Short Circuit Analysis (Analisa Hubung Singkat)

Hubung Singkat (Short Circuit) adalah suatu peristiwa terjadinya hubungan bertegangan atau penghantar tidak bertegangan secara langsung tidak melalui media (resistor/beban) yang semestinya sehingga terjadi aliran arus yang tidak normal (sangat besar) yang biasa disebut arus hubung singkat. Adanya hubung singkat menimbulkan arus lebih yang pada umumnya jauh lebih besar daripada arus pengenal peralatan dan terjadi penurunan tegangan pada sistem tenaga listrik, sehingga bila gangguan tidak segera dihilangkan dapat merusak peralatan dalam sistem tersebut. Besarnya arus hubung singkat yang terjadi sangat dipengaruhi oleh jumlah pembangkit yang masuk pada sistem, letak gangguan dan jenis gangguan.

Ada 2 jenis gangguan hubung singkat berdasarkan jenis arus gangguannya, yaitu gangguan simetris dan gangguan asimetris. Gangguan simetris adalah gangguan yang arus gangguannya seimbang, dan sebaliknya gangguan asimetris adalah gangguan yang arus gangguannya tidak seimbang. Perhitungan tegangan dan arus pada titik hubung singkat dapat dilakukan apabila sistem sederhana atau seimbang. Apabila sistem tidak seimbang maka digunakan metode komponen simetri untuk menganalisanya.

Tiga komponen simetris antara lain:

1. Komponen Urutan Positif (Positive Sequence Component)
   Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa 1200 dan mempunyai urutan fasa yang sama dengan fasor aslinya (ditandai dengan subscript 1)
2. Komponen Urutan Negatif (Negative Sequence Component)
   
   Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya, terpisah satu dengan yang lain dalam fasa 1200 dan mempunyai urutan fasa yang berbeda dengan fasor aslinya (ditandai dengan subscript 2)
3. Komponen Urutan Nol (Zero Sequence Component)
   
   Merupakan komponen yang terdiri dari tiga fasor yang sama besarnya dan tidak ada pergeseran fasa antara fasor yang satu dengan yang lain (ditandai dengan subscript 0)

Selain berdasarkan jenis arus gangguannya, ada juga gangguan hubung singkat lainnya dalam sistem tenaga listrik antara lain hubung singkat 3 phasa, 2 phasa, 2 phasa ke tanah, dan satu phasa ke tanah. Tabel berikut menunjukkan berbagai jenis gangguan hubung singkat dalam sistem tenaga listrik:

1. Motor Acceleration Analysis

Masalah pada saat starting motor induksi yang umum menjadi perhatian adalah pada motor-motor induksi tiga fasa yang memiliki kapasitas yang besar. Selama periode waktu starting, motor pada sistem akan dianggap sebagai sebuah impedansi kecil yang terhubung dengan sebuah bus. Motor akan mengambil arus yang besar dari sistem, sekitar enam kali arus ratingnya, dan bisa menyebabkan voltage drop pada sistem serta menyebabkan gangguan pada operasi beban yang lain. Hal ini dikarenakan pada motor, khususnya motor induksi, akan terjadi lonjakan arus pada saat starting. Lonjakan arus ini disebabkan oleh kondisi motor yang masih diam saat akan distart. Karena rotor belum bergerak, kecepatan relatif rotor terhadap medan magnet putar saat start akan maksimal sehingga tegangan yang diinduksikannya akan maksimal pula dan mengakibatkan nilai arus yang mengalir akan sangat besar.

Hal lain yang menyebabkan lonjakan arus tersebut adalah adanya inrush current, yang disebabkan oleh sifat motor yang dianalogikan sebagai suatu induktor besar. Resistansi motor sangat kecil bila dibandingkan dengan induktansinya, sehingga saat starting, di mana induktansi motor masih bisa diabaikan, impedansinya hanya berasal dari resistansi yang bernilai kecil, dan menyebabkan arus yang mengalir akan sangat tinggi nilainya.

Walaupun arus start yang besar tersebut hanya berlangsung dalam waktu yang cukup singkat, namun hal tersebut juga menyebabkan jatuh tegangan (voltage drop) sesaat yang disebut dengan voltage dip. Voltage Dip adalah penurunan tegangan antara (10 – 90) % dari tegangan nominal yang terjadi dalam waktu yang relatif singkat (0,5 cycle – beberapa detik). Efek yang merugikan akibat voltage dip ini meliputi :

1.     Torsi yang bersifat transient yang dapat menyebabkan stress (tekanan) yang berlebih pada sistem mekanisnya.

2.     Menghambat akselerasi (percepatan) putaran motor menuju kecepatan normal.

3.     Kegagalan kerja dari peralatan – peralatan lainnya seperti relay, contactor dan menyebabkan flicker cahaya yang cukup mengganggu.

Demi menjaga gar motor tetap beroperasi dan mencegah kegagalan kerja motor untuk mencapai kecepatan nominalnya, maka sebaiknya voltage dip tidak sampai di bawah 70% dari tegangan nominal. Ini dengan menganggap bahwa flicker cahaya bukanlah suatu hal yang mengganggu. Namun, jika faktor kualitas operasional dan pelayanan adalah hal yang utama, maka batasan voltage dip yang diizinkan adalah 10%.

Untuk menanggualangi lonjakan arus ini, dapat digunakan beberapa cara starting motor induksi, antara lain:

a.
Direct On Line starter

Direct On Line starter merupakan starting langsung. Penggunaan metoda ini sering dilakukan untuk motor-motor ac yang mempunyai kapasitas daya yang kecil. Pengertian penyambungan langsung disini, motor yang akan dijalankan langsung di switch on ke sumber tegangan jala-jala sesuai dengan besar tegangan nominal motor. Artinya tidak perlu mengatur atau menurunkan tegangan pada saat starting (lihat gambar).

Besar arus startnya dari 4 sampai 7 dari arus beban penuhnya (bila tidak diketahui biasanya dipakai 6x arus beban penuhnya). Starter ini terdiri dari Breaker sebagai proteksi hubung singkat, Magnetik Contactor, Over Currrent Relay dan komponen control seperti push button, MCB dan pilot lamp. Kontrol Start dan Stop dilakukan dengan push button yang mengontrol tegangan pada coil contactor. Sementara itu output OCR terangkai secara serrie sehingga jika OCR trip, maka output OCR akan melepas tegangan ke coil contactor. Komponen penyusun starter ini harus mempunyai ampacity yang cukup besar. Perlu diperhitungkan juga arus saat start motor, demikian juga ukuran range overloadnya.

b.
Star Delta starter

Starter ini mengurangi lonjakan arus dan torsi pada saat start. Tersusun atas 3 buah contactor yaitu Main Contactor, Star Contactor dan Delta Contactor, Timer untuk pengalihan dari Star ke Delta serta sebuah overload relay. Pada saat start, starter terhubung secara Star. Gulungan stator hanya menerima tegangan sekitar 0,578 (seper akar tiga) dari tegangan line. Jadi arus dan torsi yang dihasilkan akan lebih kecil dari pada DOL Starter. Setelah mendekati speed normal starter akan berpindah menjadi terkoneksi secara Delta. Starter ini akan bekerja dengan baik jika saat start motor tidak terbebani dengan berat.

Pada star delta starter, arus yang mengalir adalah

dimana,

IDOL= Arus start langsung

c.
Autotransformer starter

Starting dengan cara ini adalah dengan menghubungkan motor pada tap tegangan sekunder autotransformer terendah. Setelah beberapa saat motor dipercepat tap autotransformer diputuskan dari rangkaian dan motor terhubung langsung pada tegangan penuh.

Pada autotransformer starter, arus yang mengalir adalah

dmana :

Vm     = Tegangan sekunder dari Auto-Transformer

V1     = Tegangan supply

IDOL     = Arus start langsung

d.
Soft starter

Soft starter dipergunakan untuk mengatur/ memperhalus start dari elektrik motor. Prisip kerjanya adalah dengan mengatur tegangan yang masuk ke motor. Pertama-tama motor hanya diberikan tegangan yang rendah sehingga arus dan torsipun juga rendah. Pada level ini motor hanya sekedar bergerak perlahan dan tidak menimbulkan kejutan. Selanjutnya tegangan akan dinaikan secara bertahap sampai ke nominal tegangannya dan motor akan berputar dengan dengan kondisi RPM yang nominal.

Komponen utama softstarter adalah thyristor dan rangkaian yang mengatur trigger thyristor. Seperti diketahui, output thyristor dapat di atur via pin gate nya. Rangkaian tersebut akan mengontrol level tegangan yang akan dikeluarkan oleh thyristor. Thyristor yang terpasang bisa pada 2 phase atau 3 phase.

Selain untuk starting motor, Softstarter juga dilengkapi fitur soft stop. Jadi saat stop, tegangan juga dikurangi secara perlahan atau tidak dilepaskan begitu saja seperti pada starter yang menggunakan contactor.

e.
Frequency drive

Frequency Drive sering disebut juga dengan VSD (Variable Speed Drive), VFD (Variable frequency Drive) atau Inverter. VSD terdiri dari 2 bagian utama yaitu penyearah tegangan AC (50 atau 60 HZ) ke DC dan bagian kedua adalah membalikan dari DC ke tegangan AC dengan frequency yang diinginkan. VSD memanfaatkan sifat motor sesuai dengan rumus sbb:

di mana RPM = kecepatan merupakan putaran dalam motor

f = frekuensi

p = jumlah kutub motor

Dengan demikian jika frekuensi motor ditingkatkan maka akan meningkatkan kecepatan motor, sebaliknya dengan memperkecil frekuensi akan memperlambat kecepatan motor.

Pengendalian frekuensi motor menggunakan rangkaian inverter, seperti pada gambar:

Prinsip kerja inverter yang sedehana adalah :

• Tegangan yang masuk dari jala jala 50 Hz dialirkan ke board Rectifier/ penyearah DC, dan ditampung ke bank capacitor. Jadi dari AC di jadikan DC.
• Tegangan DC kemudian diumpankan ke board inverter untuk dijadikan AC kembali dengan frekuensi sesuai kebutuhan. Jadi dari DC ke AC yang komponen utamanya adalah Semiconduktor aktif seperti IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Dengan menggunakan frekuensi carrier (bisa sampai 20 kHz), tegangan DC dicacah dan dimodulasi sehingga keluar tegangan dan frekuensi yang diinginkan.

Pengontrolan start, stop, jogging dll bisa dilakukan dengan dua cara yaitu via local dan remote. Local maksudnya adalah dengan menekan tombol pada keypad di inverternya. Sedangkan remote dengan menghubungkan terminal di board control dengan tombol external seperti push button atau switch. Masing masing option tersebut mempunyai kelemahan dan keunggulan sendiri sendiri.

Frekuensi dikontrol dengan berbagai macam cara yaitu : melalui keypad (local), dengan external potensiometer, Input 0 ~ 10 VDC , 4 ~ 20 mA atau dengan preset memori. Semua itu bisa dilakukan dengan mengisi parameter program yang sesuai.

Pada tabel berikut diberikan perbandingan performa dari aneka metode yang umum digunakan sebagai metode soft starting pada motor induksi, khususnya motor induksi tiga fasa.

Read More