ETAP (Electric Transient Analysis Program)

Copy paste from : http://novikaginanto.wordpress.com/2012/03/24/etap-electric-transient-analysis-program/

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,
I_DOL= 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 :
V_m     = Tegangan sekunder dari Auto-Transformer
V₁     = Tegangan supply
I_DOL     = 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.