BAB 2 MOTOR INDUKSI TIGA FASA. DC disebut motor konduksi. Lain halnya pada motor AC, kumparan rotor tidak

BAB 2 MOTOR INDUKSI TIGA FASA

2.1. Umum Secara umum, motor listrik berfungsi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang berupa tenaga putar. Di dalam motor DC, energi listrik diambil langsung dari kumparan armature melalui sikat dan komutator, oleh karena itu motor DC disebut motor konduksi. Lain halnya pada motor AC, kumparan rotor tidak menerima energi listrik langsung, tetapi secara induksi seperti terjadi pada energi kumparan sekunder transformator. Oleh karena itu motor AC dikenal dengan motor induksi. Sebenarnya motor induksi dapat diidentikkan dengan transformator yang kumparan primer sebagai kumparan stator atau armature, sedangkan kumparan sekunder sebagai kumparan rotor. Menurut Sujoto ( 1984. 107), motor induksi sering disebut motor tidak serempak. Disebut demikian karena jumlah putaran rotor tidak sama dengan jumlah putaran medan magnit stator. Pendapat lain Robert Rosenberg (1985. 91), mengemukakan motor berfasa banyak adalah motor arus bolak-balik (AC) yang direncanakan baik untuk tiga fasa maupun dua fasa. Kedua macam motor ini konstruksinya dibuat sama, akan tetapi hubungan dalam kumparan berbeda. Motor tiga fasa bermacam-macam ukurannya, dari yang bertenaga kecil (< 1 HP) sampai beberapa ribu HP. Motor-motor ini mempunyai sifat agak konstan kecepatannya, dan direncanakan dengan sifat-sifat momen putar yang bermacam-macam. Belitan stator yang dihubungkan sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnit yang berputar dengan kecepatan sinkron ( 𝑛𝑛𝑠𝑠 =

120.𝑓𝑓 𝑝𝑝

). Medan putar

pada stator tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor sehingga 6 Universitas Sumatera Utara

terinduksi arus. Rotor akan turut berputar mengikuti medan putar stator. Perbedaan putaran relatip antar stator dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban akan memperkecil kopel motor, oleh karenanya akan memperbesar pula arus induksi pada rotor. Sehingga slip antara medan putar stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi bila beban motor bertambah, putaran rotor cendrung menurun. Motor induksi, merupakan motor yang memiliki konstruksi yang baik, harganya lebih murah dan mudah dalam pengaturan kecepatannya, stabil ketika berbeban dan mempunyai efisiensi tinggi. Mesin induksi adalah mesin ac yang paling banyak digunakan dalam industri dengan skala besar maupun kecil, dan dalam rumah tangga. Alasannya adalah bahwa karakteristiknya hampir sesusai dengan kebutuhan dunia industri, pada umumnya dalam kaitannya dengan harga, kesempurnaan, pemeliharaan, dan kestabilan kecepatan. Hampir semua motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga fasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi ada juga kelemahannya. Keuntungan motor induksi tiga fasa: 1. Motor induksi tiga fasa sangat sederhana dan kuat. 2. Biayanya murah dan dapat diandalkan serta perawatan yang mudah. 3. Motor induksi tiga fasa memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal. Kerugiannya: 1. Kecepatannya tidak bisa bervariasi tanpa merubah efisiensi. 2. Kecepatannya tergantung beban. 3. Pada torsi start memiliki kekurangan.

7 Universitas Sumatera Utara

2.2. Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi tiga fasa adalah suatu alat yang mengubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik, alat ini biasa digunakan sebagai penggerak mesin. Motor induksi tiga fasa mempunyai tiga buah kumparan stator yang memiliki jumlah dan diameter kawat yang sama dan ditempatkan dengan perbedaan sudut sebesar 120 derajat listrik antara satu dengan lainnya. Konstruksi motor induksi selain terdiri dari kawat yang dililitkan pada stator ada bagian lainnya seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Penampang Motor Induksi tiga fasa rotor sangkar Keterangan : 1. Rumah mesin atau rangka 2. Teras stator 3. Kumparan stator 4. Rotor 5. Poros (tempat beban) 6. Plat penutup (penopang rotor) 7. Tutup kipas 8. Kipas 9. Tutup laker 10. Laker


Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.2.

(a)

(b)

Gambar 2.2 Konstruksi Motor Induksi (a) Rotor (b) Stator Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus phasa. Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa dimana untuk motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.3.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.


(a)

(b)

(c) Gambar 2.3 Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga phasa (a) Lempengan Inti (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor induksi tiga fasa berdasarka jenis rotornya. 2.3. Jenis Motor Induksi Tiga Fasa Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu: 1. motor induksi tiga fasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor) 2. motor induksi tiga fasa rotor belitan ( wound-rotor motor ) kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.


2.3.1. Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai ( Squirrel-cage Motor) Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ). Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4.

(a) Cincin Aluminium

Batang Poros

Kipas Batang Poros

Laminasi Inti Besi Aluminium

Kipas

(b)

Gambar 2.4 Rotor Sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi


yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar. Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4. 2.3.2 Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan ( Wound-Rotor Motor )

Gambar 2.5 Cicin Slip Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.


Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang berfungsi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor. Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga fasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 2.6 Rotor Belitan

2.4. Medan Putar Perputaran motor pada mesin arus bolak – balik ditimbulkan oleh adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, umumnya fasa 3. Hubungan dapat berupa hubungan bintang atau delta. Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan 3 fasa, dengan beda fasa masing – masing 1200 ( Gambar 2.7a ) dan dialiri arus sinusoid. Distribusi arus ia, ib, ic sebagai fungsi waktu adalah seperti Gambar 2.7b. Pada keadaan t1, t2, t3, dan t4, fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing – masing adalah seperti Gambar 2.8 c, d, e, dan f. Pada t1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan a – a; sedangkan pada t2, fluks resultannya mempunyai arah sama dengan arah


fluks yang dihasilakan oleh kumparan c – c; dan untuk t3 fluks resultan mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan oleh kumparan b – b. Untuk t4, fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks resultan yang dihasilkan pada saat t1 keterangan ini akan lebih jelas pada analisa vektor.

Gambar 2.7 (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa (b) Arus tiga phasa setimbang

Gambar 2.8 Medan putar pada motor induksi tiga phasa Dari gambar c, d ,e, dan f tersebut terlihat fluks resultan ini akan berputar satu kali. Oleh karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron dapat diturunkan sebagai berikut : ns =

120. f ( rpm ).....................................................................................(2.1) p

f = frekuensi ( Hz ) p = jumlah kutub 14 Universitas Sumatera Utara

2.4.1

Analisis Secara Vektor

Analisis secara vektor didapatkan atas dasar : 1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar sesuai dengan perputaran sekrup Gambar 2.9.

Gambar 2.9 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar

2. Besaran fluks yang ditimbulkan ini sebanding dengan arus yang mengalir. Notasi yang dipakai untuk menyatakan positif atau negatifnya arus yang mengalir pada kumparan a – a, b – b, dan c – c, adalah harga positif, apabila tanda silang (x) terletak pada pangkal konduktor tersebut ( titik a, b, c ), sedangkan negatif apabila tanda titik ( . ) terletak pada pangkal konduktor tersebut (Gambar 2.10 ). Maka diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4, dapat dilihat pada Gambar 2.10. Pada diagram vector diatas dapat dilihat bahwa fluksi resultan berjalan berputar.

Gambar 2.10 Diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4


Dari semua diagram vektor di atas dapat pula dilihat bahwa fluks resultan berjalan (berputar).

2.5. Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa

Bila belitan stator motor induksi tiga fasa dihubungkan pada jala-jala arus putar, dalam besi stator akan timbul medan putar. Dengan adanya medan putar pada stator dan adanya kawat-kawat disekeliling besi rotor, maka garis-garis gaya medan putar itu akan melalui kawat-kawat tersebut.sehingga didalamnya timbul garis gaya listrik (ggl). Adanya ggl dalam kawat-kawat menyebabkan adanya arus dalam kawat rotor dan karena kawat-kawat yang dialiri arus itu berada dalam medan putar maka timbul pula kopel yang menyebabkan kawat-kawat itu berputar bersama dengan besi rotor. Kawat a dan b adalah sebagian dari kawat-kawat yang ada pada rotor. Untuk mendapatkan arah ggl dalam kawat a dan b digunakan aturan tangan kanan, dengan ketentuan bahwa kawat-kawat itu menurut pandangan berputar ke kiri, sedang medan putarnya dianggap diam.

Gambar 2.11 Medan putar pada motor Asinkron Dengan ketentuan bahwa arah medan magnit itu dari atas kebawah, maka akan diperoleh bahwa dalam kawat a timbul ggl a yang arahnya kemuka ( tanda titik) dan dalam 16 Universitas Sumatera Utara

kawat b timbul ggl b yang arahnya kebelakang ( tanda +). Dengan ketentuan-ketentuan ini maka dalam kawat-kawat a dan b akan mengalir arus yang arahnya ditentukan oleh arah ggl tersebut. Setelah arah arus dalam kawat-kawat itu diketahui, arah kekuatan kopel K yang bekerja pada kawat-kawat tersebut dapat diketahui juga. Seperti di perlihatkan pada gambar 2.11. sehingga arah bekerjanya kopel dan arah berputarnya rotor dapat ditentukan. Ternyata bahwa arah berputarnya rotor adalah sama dengan arah berputarnya medan putar. Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat dijabarkan dalam langkah – langkah berikut: 1. Pada keadaan beban nol Ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa. 2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah 3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa 4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah

dΦ dt

( Volt )

E1 = 4,44 fN 1Φ

( Volt )

e1 = − N 1 atau

5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan

ns =

120 × f p

( rpm )

6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya

E 2 = 4,44 fN 2 Φ m

( Volt )


dimana : E2

= Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N2

= Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum(Wb) 7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan arus I2 8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor 9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator 10. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan s=

ns − n r × 100% ns

11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya

E 2s = 4,44 sfN 2 Φ m

( Volt )

dimana E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt) f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar) 12. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns


2.6. Frekuensi Rotor Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f ' yaitu,

ns − nr =

120 f ' 120 f , diketahui bahwa n s = p P

Dengan membagikan dengan salah satu, maka didapatkan

f ' ns − nr = =s f ns Maka f ' = sf ( Hz )………………..............................................................................(2.2) Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor f ' = sf dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing phasa di belitan rotor, akan memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif terhadap putaran rotor sebesar sn s . Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnetudo yang konstan dan kecepatan medan putar n s yang konstan. Kedua Hal ini merupakan medan magnetik yang berputar secara sinkron. kenyataannya tidak seperti ini karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya.

2.7. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan sebagai berikut : 19 Universitas Sumatera Utara

R1

I2

X1

I0

I1 V1

Rc

Ic X m I m

E1

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen stator motor induksi dimana : I0 = arus eksitasi (Amper) V1 = tegangan terminal stator ( Volt ) E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt ) I1 = arus stator ( Ampere ) R1 = tahanan efektif stator ( Ohm ) X1 = reaktansi bocor stator ( Ohm ) Arah positif dapat dilihat pada rangkaian Gambar 2.12. Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan komponen arus penguat I0. Komponen arus penguat I0 merupakan arus stator tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan merupakan fungsi ggm E1. Komponen arus penguat I0 terbagi atas komponen rugi – rugi inti IC yang sefasa dengan E1 dan komponen magnetisasi IM yang tertinggal 900 dari E1. Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya ( Erotor ) dan tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen ( E2S ) adalah : E2S N = 1 =a E rotor N2

atau E2S = a Erotor ………………………...........................................……... ( 2.3 )


dimana a adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya a kali jumlah lilitan rotor. Bila rotor–rotor diganti secara magnetik, lilitan–ampere masing–masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2S pada rotor ekivalen adalah : I2S =

I rotor ………………………...........................................………. ( 2.4 ) a

sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip Zrotor dari rotor sebenarnya adalah : E 2 S a 2 E rotor = a 2 Z rotor ……..............................................…( 2.5 ) Z2S = = I rotor I 2S

Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai nilai yang referensinya ke stator. Selanjutnya persamaan ( 2.5 ) dapat dituliskan : E2S = Z 2 S = R2 + jsX 2 ………………...( 2.6 ) I 2S

dimana : Z2S = Impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa dengan referensi ke stator ( Ohm). R2 = Tahanan efektif referensi ( Ohm ) sX2 = Reaktansi bocor referensi pada frekuensi slip X2 didefinisikan sebagai harga reaktansi bocor rotor dengan referensi frekuensi stator ( Ohm ). Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.6) dinyatakan dalam cara yang demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X 2 didefinisikan sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator. Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E 2 s dan ggl lawan stator E1 . Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor akan sama dengan tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan stator. Karena kecepatan relatif 21 Universitas Sumatera Utara

gelombang fluks terhadap rotor adalah s kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator dan rotor adalah:

E 2 s = sE1 …………………………...…..............................................….(2.7) Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang dihasilkan komponen beban I 2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif

I 2 s = I 2 ....................................................................................................(2.8) Dengan membagi persamaan (2.5) dengan persamaan (2.8) didapatkan: E 2 S sE1 …………………...........................................………….…..(2.9) = I 2S I2

Didapat hubungan antara persamaan (2.6) dengan persamaan (2.9) yaitu: E 2 S sE1 = R2 + jsX 2 ……..........…...........................................…....(2.10) = I 2S I2

Dengan membagi persamaan (2.10) dengan s, maka didapat E1 R2 = + jX 2 …………….………..............................................……(2.11) s I2

Dari persamaan (2.6) , (2.7) dan (2.11) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut : R2

E2 s

I2

R2

X2

sX 2

I2 E1

R2 s

X2 I2

E1

1 R2 ( − 1) s

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.

R2 R = 2 + R2 - R2 s s 22 Universitas Sumatera Utara

1 R2 = R2 + R2 ( − 1) ………...........................................………...........(2.12) s s Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa pada masing – masing fasanya. Perhatikan gambar di bawah ini.

R1

I2

X1

sX 2

IΦ

I1

V1

Rc

Ic

I2 E1

X m Im

R2

sE 2

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa

Untuk mempernudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada Gambar 2.14 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan dapat digambarkan sebagai berikut.

R1

I '2

X1

'

I0

I1 V1

X2

Rc

Xm Im

E1

R2 s

'

Ic

Gambar 2.15 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi

Atau seperti gambar berikut :


R1

I '2

X1

X2

R'2

'

I0

I1 V1

Xm

E1

Rc Im

' 1 R2 ( − 1) s

Ic

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi Dimana: X '2 = a 2 X 2

R ' 2 = a 2 R2

Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus peneralan yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh) dan karena reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen Rc dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi Gambar 2.17 berikut. R1

I '2

X1

'

R'2

I0

I1 V1

X2

E1

Xm

' 1 R2 ( − 1) s

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi


2.8. Gejala Peralihan (Transient) Seiring perkembangan teknologi dalam sistem tenaga listrik, ukuran tingkat kehandalan dan keamanan suatu sistem tenaga listrik menjadi faktor tuntutan yang utama. Suatu sistem tenaga listrik dikatakan memiliki tingkat kehandalan yang tinggi apabila sistem tersebut mampu menyediakan pasokan energi listrik yang dibutuhkan oleh konsumen secara kontinyu/terus-menerus dan dengan kualitas daya yang baik dari segi regulasi tegangan maupun regulasi frekuensinya. Disamping itu, faktor keamanan terhadap manusia dan peralatan yang terpasang dari kemungkinan gangguan pada sistem tersebut juga menjadi syarat kehandalan suatu sistem tenaga listrik. Kedua faktor tersebut juga berlaku pada sektor industri yang sangat membutuhkan ketersediaan tenaga listrik dengan tingkat kehandalan tinggi. Tersedianya penyaluran energi listrik yang kontinyu pada suatu kawasan industri akan menghindarkan perusahaan tersebut dari kerugian produksi atau “loss of production” yang secara finansial akan sangat merugikan perusahaan. Tersedianya energi listrik yang aman bagi peralatan maupun manusia disekitarnya juga merupakan kebutuhan mutlak. Hal ini dimaksudkan untuk menjamin keselamatan manusia yang bekerja disekitarnya maupun untuk menghindarkan dari kerugian finansial untuk mengganti peralatan yang rusak. Pada kenyataannya, banyak permasalahan-permasalahan yang dihadapi oleh suatu sistem tenaga listrik dalam penyediaan energi listrik secara kontinue. Hal ini disebabkan karena semakin besar suatu sistem, maka semakin tinggi pula tingkat kompleksitas jaringan dan beban yang ada. Sehingga semakin besar pula kemungkinan terjadi gangguan pada sistem tersebut dan semakin besar kerugian yang dapat terjadi. Gejala peralihan (transient) terdiri dari dua jenis yaitu transient impuls dan transient osolasi. Transient impuls adalah gejala transient yang mempunyai satu arah polaritas, yaitu


polaritas positif atau polaritas negatif. Sedangkan transient isolasi adalah gejala transient yang mempunyai dua arah polaritas, yaitu polaritas positif dan negatif. Sumber utama gejala peralihan (transient) yang terjadi pada sistem utilitas kelistrikan adalah petir dan pensaklaran kapasitor. Tegangan tinggi petir merupakan sumber gejala peralihan impuls, dimana surja petir hanya mempunyai satu polaritas saja sedangkan proses membuka dan menutupnya saklar kapasitor daya dapat menghasilkan gejala peralihan osilasi, karena mempunyai dua polaritas, yaitu positif dan negatif (Roger C. Dugan, 1996).

Gambar 2.18 Transient Impuls arus petir

Gambar 2.19 Transient Osilasi Arus Switching Kapasitor Daya


Fenomena variasi durasi singkat tegangan ini dapat kita klasifikasikan menjadi 3 jenis antara lain : Instanteneous, Momentary, dan Temporary (tergantung pada durasinya). Perubahan tegangan instantaneous atau waktu seketika, terjadi dalam waktu 0,5 sampai 30 cycles, sedangkan momentary dalam waktu 30 cyles sampai 3 detik, dan perubahan tegangan tipe temporary terjadi dalam waktu 3 detik sampai 1 menit (Roger C. Dugan, 1996). Berdasarkan nilai perubahan tegangan, gejala variasi durasi pendek ini dibedakan menjadi 3 jenis yaitu interuption, sag dan swell. Gejala perubahan tegangan durasi pendek dapat disebabkan oleh gangguan karena suatu proses penyulangan energi listrik terhadap beban yang besar, dimana saat penyulangan tersebut diperlukan arus awal yang tinggi, atau lepasnya koneksitas pengkabelan listrik yang kadang-kadang terjadi. Jenis-jenis perubahan tegangan durasi pendek (interuption, sag dan swell) tergantung dari lokasi gangguan dan kondisi sistem.Dampak dari perubahan nilai tegangan durasi pendek ini sebenarnya adalah kondisi pada saat gangguan selama peralatan proteksi beroperasi untuk menghilangkan gangguan tersebut. Interuption ( interupsi) adalah gangguan yang terjadi ketika tegangan suplai atau arus beban menurun sampai kurang dari 0,1 pu (per unit) untuk periode waktu tidak lebih dari satu menit. Interupsi dapat menjadi akibat dari kesalahan sistem tenaga listrik, kegagalan, dan terjadi kesalahan dari fungsi kendali (Alexander Kusko dkk, 2000). Interupsi diukur dengan lamanya waktu terjadi gangguan, dimana besarnya tegangan yang terjadi pada saat gangguan selalu kurang dari 10 persen dari tegangan nominalnya. Lama terjadinya interupsi dikarenakan oleh gangguan pada sistem utilitas dan ditentukan oleh waktu pengoprasian dari peralatan proteksi. Peralatan proteksi (recloser) pada umumnya akan membatasi interupsi disebabkan oleh gangguan non permanen kurang dari 30 siklus. Lamanya gangguan karena kesalahan fungsi peralatan atau koneksitas peralatan yang longgar atau kurang baik dapat terjadi secara tidak teratur.


Beberapa interupsi dapat didahului oleh terjadinya jatuh tegangan, dimana pada umumnya interupsi disebabkan oleh gangguan pada sistem sumber tenaga listrik. Gambar 2.20 menunjukkan interupsi sesaat dimana jatuh tegangan terjadi sekitar 20 persen selama 3 siklus dan kemudian turun menjadi nol sekitar 1,8 detik sampai recloser menutup kembali.

Gambar 2.20 Interupsi Sesaat

Swells adalah suatu peristiwa dimana tegangan mengalami kenaikan antara 1,1 dan 1,8 pu dari tegangan rms atau arus pada frekwensi dayanya, dengan lama gangguan 0,5 siklus ke satu menit. Naiknya tegangan pada kondisi swells biasanya dikaitkan dengan kondisi karena gangguan atau kesalahan sistem.

Gambar 2.20 Swells karena gangguan satu fasa ke tanah


Salah satu contoh swells adalah terjadinya kenaikan tegangan sementara pada saat gangguan satu fasa ke tanah. Gambar 2.21 mengilustrasikan sebuah gelombang tegangan yang sebabkan oleh gangguan satu fasa ke tanah. Lonjakan kenaikan tegangan dapat juga disebabkan oleh adanya pemutusan beban besar atau penyulangan terhadap bank kapasitor. Karakteristik swells dapat diketahui dengan melihat besar kenaikan tegangan (nilai rms) dan lamanya peristiwa itu terjadi. Besarnya kenaikan tegangan yang terjadi dipengaruhi oleh letaknya gangguan, besarnya impedansi sistem tenaga serta sistem pentanahannya. Pada sistem yang tidak diketanahkan dengan impedansi urutan nol yang tak terhingga, maka tegangan fasa akan mengalami kenaikan sebesar 1.73 pu pada saat terjadi gangguan satu fasa ketanah. Untuk gangguan yang terjadi dengan lokasi berada dekat gardu induk, maka akan terdapat sedikit atau tidak ada kenaikan tegangan pada fasa yang tidak sehat, karena trafo daya pada gardu induk biasanya terhubung delta-bintang yang menyediakan impedansi urutan nol yang rendah, sebagai saluran untuk arus gangguan ketanah. Voltage rise ( Swells) Biasanya disebabkan oleh Fault (tapi dalam kesehariannya fault lebih sering mengakibatkan Sag). Temporary voltage rise (swells) akibat switching dari beban besar, atau energize dari capacitor bank yang besar. karakteristik swells ditentukan oleh magnitude (RMS Value) dan durasinya.

Gambar 2.21 Swells akibat switching dari beban besar


Dari data yang diatas kita mengetahui bahwa ada banyak hal yang dapat menyebabkan turunnya tegangan yang dapat mengakibatkan rusaknya peralatan-peralatan listrik. Namun disini kita lebih membahas mengenai terjadinya voltage sag akibat pengasutan motor induksi serta membadingkan beberapa pengasutan motor induksi yang lebih baik dalam hal mengatasi kedip tegangan saat terjadi pengasutan. 2.8.1. Faktor Penyebab Munculnya Voltage Sag Salah satu gangguan yang sering terjadi pada sistem tenaga listrik adalah gangguan kedip tegangan. Gangguan ini merupakan gangguan transien pada sistem tenaga listrik, yaitu kenaikan atau penurunan tegangan sesaat (selama beberapa detik) pada jaringan sistem. Kedip tegangan dapat disebabkan oleh dua hal, yaitu : 1. Adanya gangguan hubung singkat pada jaringan tenaga listrik itu sendiri. 2. Adanya perubahan beban secara mendadak (seperti : switching beban dan pengasutan motor induksi). Adanya kegagalan (fault) dalam sistem dan penyalaan motor induksi berdaya besar Motor induksi umumnya mengkonsumsi 5 sampai 6 kali arus ratingnya pada saat start dan arus ini akan menurun secara bertahap seiring dengan pertambahan kecepatan motor sampai pada kecepatan ratingnya. Durasi dari sag bergantung pada dinamika motor dan dinamika motor tersebut ditentukan oleh parameternya, khususnya inersia motor. Pada kasus voltage sag karena penyalaan motor yang besar, sag yang terjadi biasanya tidak terlalu signifikan tapi berlangsung dalam waktu yang relatif lama.Secara teoritis diketahui bahwa pada saat sebuah beban yang berupa motor induksi terhubung ke jaringan sistem yang besar, maka motor induksi tersebut akan menarik arus start yang sangat besar dari jaringan sehingga jumlah total arus yang mengalir akan bertambah yang akan menyebabkan terjadinya drop tegangan yang bertambah pada jaringan sistem utama. Drop


tegangan sesaat akibat tarikan arus starting motor ini akan mempengaruhi besar tegangan pada sisi beban-beban yang lain yang tentunya akan mengalami penurunan tegangan sesaat (voltage dip).

Gambar berikut menunjukkan gelombang tegangan saat terjadi voltage sag dengan besar 0,3 pu dan berlangsung selama 0,3 detik.

Gambar 2.22 Contoh Bentuk Gelombang Saat Terjadi Voltage sag Penurunan tegangan pada sistem ini akan dapat menyebabkan gangguan pada peralatan lain, terutama peralatan-peralatan yang peka terhadap fluktuasi tegangan, seperti komputer atau peralatan semikonduktor lainnya. Selain itu, penurunan tegangan yang terjadi dapat menyebabkan terganggunya kinerja peralatan pengaman jaringan seperti, beroperasinya sistem rele undervoltage yang akan menyebabkan pemutusan suplai tegangan pada jaringan sistem. Oleh sebab itulah kedip tegangan sangat perlu diperhitungkan dalam sebuah perancangan instalasi jaringan listrik. Voltage sag atau yang sering juga disebut sebagai voltage dip merupakan suatu fenomena penurunan tegangan rms dari nilai nominalnya yang terjadi dalam waktu yang singkat, sekitar 10 ms sampai beberapa detik. IEC 61000-4-30 mendefinisikan voltage sag (dip) sebagai penurunan besar tegangan sementara pada titik di bawah nilai threshold-nya.


IEEE Standard 1159-1995 mendefinisikan voltage sag sebagai variasi tegangan rms dengan besar antara 10% sampai 90% dari tegangan nominal dan berlangsung selama 0,5 siklus sampai satu menit.

2.8.2.

Karakteristik Voltage Sag

Karakteristik dari voltage sag dapat dilihat pada Gambar berikut untuk gelombang tegangan yang ideal (sinusoidal murni, tanpa harmonik).

Gambar 2.23 Karakteristik Voltage Sag Dari gambar, dapat terlihat bahwa ada tiga karakteristik utama voltage sag, yaitu: •

Besarnya voltage sag (Ar – Ad)

•

Perubahan fasa (phase angle jump) terhadap tegangan referensi

•

Titik pada gelombang dimana sag mulai muncul Voltage sag dicirikan dengan besarnya sag (tegangan saat terjadi fault) dan durasinya.

Besarnya sag ditentukan oleh jarak terjadinya fault dan durasinya bergantung pada waktu penghilangan fault.

Sag magnitude, Merupakan tegangan rms total saal fault terjadi, yang dinyatakan dalam persen atau dalam nilai per-unit dari tegangan nominalnya.


Sag Duration, Durasi sag merupakan waktu saat tegangan menjadi rendah, biasanya kurang dari 1 detik. Durasi sag bergantung pada peralatan proteksi arus lebih dan seberapa lama arus fault diperbolehkan untuk mengalir. Ada banyak jenis peralatan yang digunakan untuk menghilangkan fault dan masing-masing menpunyai waktu absolut minimum untuk menghilangkan fault.

Phase angle jump, Fault yang terjadi pada sistem tenaga listrik tidak hanya menyebabkan turunnya besar tegangan, tapi juga menyebabkan perubahan pada sudut fasa tegangan. Phase angle jump (yaitu perbedaan sudut fasa selama terjadi sag dan sebelum terjadi sag) dapat dihitung dari nilai tegangan kompleks Vsag.

2.8.3. Perhitungan Kedip Tegangan Dalam perhitungan kedip tegangan, nilai minimum symmetrical interrupting duty pada titik sumber sistem harus diketahui. Kemudian menghitung impedansi saluran sistem atau reaktansi antara titik sumber dan motor. Impedansi motor dapat dihitung berdasarkan katalog dari pabrik pembuatnya, yang biasanya diberikan nilai untuk tegangan penuh dan arus locked-rotor. Dalam menghitung tegangan motor saat terjadi pengasutan digunakan persamaan :

𝑉𝑉s = �(𝑅𝑅

𝑍𝑍𝑒𝑒𝑒𝑒 tot .𝑉𝑉th � M+𝑅𝑅 2)+𝑗𝑗 (𝑋𝑋 M+𝑋𝑋 2)

....................................................................(2.13)

Dengan: Vs

= Tegangan motor saat pengasutan (V)

Vth

= Tegangan thevenin saat pengasutan (V)

Zektot

= impedansi motor yang diasut (Ω)

RM

= Zm cos Ɵm (Ω)


XM

= Zm sin Ɵm (Ω)

cos Ɵm

= Faktor daya arus yang ditarik oleh motor yang diasut

Untuk tegangan Thevenin Persaamaannya adalah: 𝑉𝑉th =

Dengan :

𝑗𝑗𝑗𝑗m � √3 𝑅𝑅1 + 𝑗𝑗(𝑋𝑋1 + 𝑋𝑋m)2 𝑉𝑉in

�

Vth

= Tegangan thevenin motor saat pengasutan (V)

Vin

= Tegangan awal saat pengasutan (V)

Zm

= impedansi motor yang diasut (Ω)

Karena perhitungan drop tegangan saat pengasutan motor biasanya ditujukan untuk motor-motor yang memiliki kapasitas diatas 100 hp, error yang ada pada persamaan yang disederhanakan dapat diabaikan. Persentase drop tegangan saat pengasutan dapat diperoleh melalui persamaan :

Vs Dengan :

= (𝑍𝑍

𝑍𝑍𝑚𝑚

𝑚𝑚 + 𝑋𝑋𝑠𝑠 )

× 𝑉𝑉1

%Vs

= Persentase Tegangan sistem saat starting motor

%Zm

= Persentase impedansi motor

%Xs

= Persentase reaktans total jaringan antar motor dan titik pada sistem

Untuk persamaan Arus Start dapat kita hitung dengan cara : |𝐼𝐼start| =

𝑉𝑉th

�(𝑅𝑅e + 𝑅𝑅2)2 + (𝑋𝑋e + 𝑋𝑋2)2


Besar impedansi motor (ohm) adalah :

Dengan :

𝑍𝑍th = 𝑅𝑅e + 𝑗𝑗𝑗𝑗e =

𝑗𝑗𝑗𝑗m (𝑅𝑅1 + 𝑗𝑗𝑗𝑗1) 𝑅𝑅1 + 𝑗𝑗(𝑋𝑋1 + 𝑋𝑋m)

Persentase impedansi motor dihitung dengan persamaan :

% Zm =

100 𝐼𝐼𝐿𝐿𝐿𝐿 �𝐼𝐼 𝐹𝐹𝐹𝐹

Dengan : ILR = arus locked-rotor (A) IFL = arus beban penuh/full-load (A)


BAB 2 MOTOR INDUKSI TIGA FASA. DC disebut motor konduksi. Lain halnya pada motor AC, kumparan rotor tidak

Recommend Documents