5
BAB II LANDASAN TEORI
2.1
Umum Pompa adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan suatu cairan
dari suatu tempat ke tempat lain dengan cara menaikkan tekanan cairan tersebut. Kenaikan tekanan cairan tersebut digunakan untuk mengatasi hambatan-hambatan pengaliran. Hambatan-hambatan pengaliran itu dapat berupa perbedaan tekanan, perbedaan ketinggian atau hambatan gesek. Klasifikasi pompa secara umum dapat diklasifikasikan menjadi 2 bagian yaitu pompa kerja positif (positive displacement pump) dan pompa kerja dinamis (non positive displacement pump). Salah satu jenis pompa kerja dinamis adalah pompa sentrifugal yang prinsip kerjanya mengubah energi kinetik (kecepatan) cairan menjadi energi potensial (dinamis) melalui suatu impeller yang berputar dalam casing. Pada prinsipnya, pompa mengubah energi mekanik motor menjadi energi aliran fluida. Energi yang diterima oleh fluida akan digunakan untuk menaikkan tekanan dan mengatasi tahanan-tahanan yang terdapat pada saluran yang dilalui. Pompa juga dapat digunakan pada proses-proses yang membutuhkan tekanan hidraulik yang besar. Hal ini bisa dijumpai antara lain pada peralatan-peralatan berat. Dalam operasi, mesin-mesin peralatan berat membutuhkan tekanan
6
discharge yang besar dan tekanan isap yang rendah. Akibat tekanan yang rendah pada sisi isap pompa maka fluida akan naik dari kedalaman tertentu, sedangkan akibat tekanan yang tinggi pada sisi discharge akan memaksa fluida untuk naik sampai pada ketinggian yang diinginkan.
2.2
Klasifikasi Pompa Pompa dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori, yaitu:
Pompa perpindahan positif (positive displacement pump) Pompa kinetik (kinetic pump)
2.2.1 Pompa Perpindahan Positif Pada pompa perpindahan positif energi ditambahkan ke fluida kerja secara periodik oleh suatu gaya yang dikenakan pada satu atau lebih batas (boundary) sistem yang dapat bergerak. Pompa perpindahan positif terbagi menjadi : Pompa torak ( reciprocating pump ) Pompa putar ( rotary pump ) Pompa diafragma (diaphragm pum )
2.2.1.1 Pompa Torak (Reciprocating Pump) Pompa torak adalah sebuah pompa dimana energi mekanis penggerak pompa dirubah menjadi energi aliran fluida yang dipindahkan dengan menggunakan elemen yang bergerak bolak balik di dalam sebuah silinder. Fluida masuk melalui katup isap dan keluar melalui katup buang dengan tekanan yang
7
tinggi. Pompa ini mengeluarkan cairan dalam jumlah yang terbatas dengan debit yang dihasilkan tergantung pada putaran dan panjang langkah torak. Volume cairan yang dipindahkan selama satu langkah piston atau plunyer akan sama dengan perkalian luas piston dengan panjang langkah. Jenis-jenis pompa torak diantaranya : Pompa Aksi Langsung Pada pompa jenis aksi langsung (direct acting pump) ini, sebuah batang piston (piston rod) bersama menghubungkan piston untuk uap dan piston untuk cairan atau plunyer. Pompa aksi langsung dibuat dengan sistem simpleks (masing masing satu piston uap dan satu piston cairan) dan dupleks ( dua piston uap dan dua piston cairan) Pompa Tenaga Pompa tenaga (power pump) ini mempunyai poros engkol yang digerkkan dari sumber penggerak luar, umumnya motor listrik, sabuk mesin atau rantai. Roda roda gigi sering dipakai antara penggerak dan poros engkol untuk mengurangi kecepatan keluaran penggerak. Bila digerakkan dalam kecepatan konstan, pompa tenaga mengalirkan kapasitas yang hampir konstan dan mempunyai efisiensi yang bagus. Pompa tenaga baik dipakai khususnya untuk keperluan tekanan tinggi dan dipakai pengisian air ketel, pemompaan jaringan pipa, pemrosesan petroleum dan penggunaan jenis serupa. Pompa Jenis Tenaga Kapasitas Kecil Unit ini juga dikenal sebagai pompa kapasitas variabel, volume terkontrol dan pengukur. Pemakaian yang terutama untuk mengontrol aliran sejumlah kecil cairan cairan yang dimasukkan kedalam ketel ketel, peralatan proses dan unit unit
8
yang serupa. Oleh karena pompa iini menduduki tempat yang penting dalam banyak oprasi industri pada semua jenis pabrik. Pompa Jenis Diafragma Pompa gabungan piston diafragma pada umumnya dipakai hanya untuk kapasitas lebih kecil. Pompa diafragma dipakai untuk aliran jernih atau yang mengandung bahan padat yang berkapasitas lebih besar. Pompa ini juga sesuai untuk bubur kertas yang kental, air selokan (sewege), sludge, larutan asam atau basa, dan campuran air dan bahan padat yang menyerupai pasir. Diafragma yang terbuat dari bahan baku logam yang fleksibel akan lebih tahan erosi atau korosi dibandingkan dengan bagian logam beberapa pompa torak. Pompa semprot diafagma kecepatan tinggi dengan langkah pendek dilengkapi dengan katup katup hisap dan buang jenis cakra. Pompa jenis itu didesain untuk memompakan bahan kimia.
2.2.1.2 Pompa Putar (Rotary Pump) Pompa putar adalah pompa yang mentransfer energi dari penggerak ke cairan menggunakan elemen yang bergerak berputar didalam rumah (casing). Fluida ditarik dari reservoir melalui sisi isap dan didorong melalui rumah pompa yang tertutup menuju sisi buang pada tekanan yang tinggi. Berapa tekanan fluida yang akan keluar pompa tergantung pada tekanan atau tahanan aliran sistem. Sedangkan debit yang dihasilkan tergantung pada kecepatan putar dari elemen yang berputar. Elemen yang berputar ini biasanya disebut sebagai rotor. Pompa putar juga disebut pompa gear dan dapat dibagi menjadi :
9
Pompa Roda Gigi Luar (Eksternal Gear Pump) Pompa ini merupakan jenis pompa rotari yang paling sederhana. Apablia gerigi roda gigi pada sisi hisap cairan akan mengisi ruangan yang ada diantara gerigi tersebut. Kemudian cairan ini akan dibawa berkeliling dan ditekan keluar apabila geriginya bersatu lagi. Roda gigi itu dapat berupa gigi heliks-tunggal, heliks-ganda atau gigi lurus. Beberapa desain mempunyai lubang fluida yang radial pada rada gigi bebas dari bagian atas dan akar gerigi sampai ke lubang dalam roda gigi. Ini memungkinkan cairan melakukan jalan pintas (by-pass) dari satu gigi ke gigi lainnya, yaitu menghindarkan terjadinya tekanan berlebih yang akan membebani bantalan secara berlebihan dan menimbulkan kebisingan. Pompa Roda Gigi Dalam (Internal Gear Pump) Jenis ini mempunyai rotor yang mempunyai gerigi dalam berpasangan dengan roda gigi-luar yang bebas (idler). Sebuah sekat yang berbentuk bulan sabit dapat digunakan untuk mencegah cairan yang kembali ke sisi pompa. Pompa Cuping (Lobe Pump) Pompa cuping (lobe pump) ini mirip dengan pompa jenis roda gigi-dalam hal aksinya dan mempunyai dua rotor. Putaran rotor tadi diserempakkan oleh roda gigi-luarnya. Oleh karena cairan dialirkan dengan frekuensi yang lebih sedikit tetapi dalam jumlah yang lebih besar dari yang dialirkan oleh pompa rada gigi, maka aliran dari pompa jenis cuping ini akan sekonstan aliran roda gigi. Tersedia juga gabungan pompa-pompa roda gigi dan cuping. Pompa ini dapat dimodiflkasi lebih lanjut sesuai dengan yang diinginkan. Tidak jarang ditemukan nama-nama yang berbeda untuk jenis pompa ini walaupun secara prinsipnya menggunakan atau sama dengan pompa curing.
10
Modifikasi-modifikasi yang dibuat tidaklah berbeda jauh dengan prinsip dasarnya hanya saja perlu disesuaikan dengan kondisi dan keadaannya terhadap apa dan untuk apa pompa tersebut diperbuat. Pompa Sekrup (Screw Pump) Pompa sekrup ini mempunyai satu, dua, tiga sekrup yang berputar dalam rumah pompa yang diam. Tersedia sejumlah besar desain untuk berbagai penggunaan. Pompa sekrup tunggal mempunyai rotor spiral yang berputar di dalam sebuah stator atau lapisan (linier) heliks-dalam (internal-helix-stator). Rotor terbuat dari logam sedangkan heliks terbuat dari karet keras atau lunak, tergantung pada cairan yang dipompakan. Pompa dua sekrup atau tiga sekrup masing-masing mempunyai satu atau dua sekrup bebas (idler). Aliran melalui ulir-ulir sekrup, sepanjang sumbu sekrup, sekrup-sekrup yang berlawanan dapat dipakai untuk meniadakan dorongan aksial pada pompa. Pompa Baling (Vane Pump) Pompa baling berayun (swinging-vane pump) mempunyai sederetan baling berayun yang akan keluar bila rotor berputar, menjebak cairan dan memaksanya keluar pipa buangan pompa. Pompa baling geser (slidding-vane pump) menggunakan baling-baling yang dipertahankan tetap menekan lubang rumah pompa oleh gaya sentrifugal bila rotor berputar. Pompa Blok Pompa blok kumparan mempunyai rotor bulat yang digerakkan dalam rumah pompa kosentrik. Di dalam roda tadi, balok kumparan dan piston saling
11
berputar oleh eksentrik yang ditempatkan oleh pena bebas yang menghasilkan sedotan dari sisi buang. Pompa sambungan universal mempunyai poros tumpul di ujung bebas rotor yang didukung dalam lubang sekitar 30 derajat secara horisonta1. Ujung rotor lainnya tidak bergerak untuk menjalankan poros tadi. Apabila rotor tersebut berputar, maka empat pasang permukaan pelat akan terbuka dan tertutup untuk pompa empat bagian per satu putaran. Sebuah eksentrik di dalam ruangan yang fleksibel akan menghasilkan aksi pemompaan oleh penekanan bagian-bagian yang fleksibel terhadap rumah pompa untuk memaksa cairan keluar dari sisi buang pompa. Pompa tabung fleksibel (fleksible-tube pump) mempunyai sebuah tabung karet yang ditekan oleh cincin kompresi pada eksentrik yang dapat disetel. Corong pompa yang dihubungkan dengan eksentrik, akan memutarnya. Pompa desain ini dibuat dengan satu atau dua tingkat. Desain-desain lain pompa tabung fleksibel ini juga tersedia.
2.2.1.3 Pompa Diafragma (Diaphragm Pump) Pompa diafragma adalah pompa yang mentransfer energi dari penggerak ke cairan melalui batang penggerak yang bergerak bolak-balik untuk menggerakan diafragma sehingga timbul isapan dan penekanan secara bergantian antara katup isap dan katup tekan. Keuntungan pompa diafragma ini adalah hanya pada diafragma saja yang bersentuhan dengan fluida yang ditransfer sehingga mengurangi kontaminasi dengan bagian lain terutama bagian penggerak.
12
2.2.2 Pompa Kinetik Pompa kinetik terdiri dari satu impeler atau lebih yang dilengkapi dengan sudu-sudu, yang dipasangkan pada poros-poros yang berputar dan menerima energi dari motor penggerak pompa serta diselubungi dengan sebuah rumah (casing). Fluida berenergi memasuki impeler secara aksial, kemudian fluida meninggalkan impeler pada kecepatan yang relatif tinggi dan dikumpulkan didalam volute atau suatu seri laluan diffuser, setelah fluida dikumpulkan di dalam volute atau diffuser terjadi perubahan dari head kecepatan menjadi head tekanan, yang diikuti dengan penurunan kecepatan. Sesudah proses konversi ini selesai kemudian fluida keluar dari pompa melalui katup discharge. Pompa kinetik dapat dibagi dalam beberapa jenis.
2.2.2.1 Pompa Sentrifugal Pompa sentrifugal merupakan salah satu jenis pompa dari non positive displacement pump/dynamic pump yang prinsip kerjanya dengan merubah energi kinetik cairan menjadi energi potensial / Dinamis melalui suatu elemen pompa (Impeller) yang berputar didalam casing pompa. Pompa sentrifugal terdiri dari sebuah poros dan impeller, untuk mengangkat fluida yang lebih rendah ke tempat yang lebih tinggi atau sebaliknya. Daya dari luar di berikan kepada poros pompa untuk memuterkan impeller di dalam fluida sehingga fluida yang ada di dalam impeller juga ikut berputar, karena timbul gaya sentrifugal maka fluida mengalir dari tempat impeller keluar melalui saluran-saluran yang ada diantara sudu-sudu.
13
Pada saat memasuki impeller, head tekanan fluids menjadi lebih tinggi demikian pula head kecepatan, fluida yang keluar dari impeller ditampung oleh saluran yang berbentuk spiral di sekeliling impeller dan disalurkan keluar pompa melalui nozzle. Didalam nozzle ini sebagian head kecepatan alirandiubah menjadi head tekanan. Jadi impeller pompa berfungsi memberikan fluida sehingga energi yang dikandungnya menjadi bertambah besar, selisih energi persatuan berat atau head total fluida antara saluran isap dan saluran tekan disebut head total pompa. Dari uraian diatas jelas bahwa pompa sentrifugal dapat mengubah energi mekanis dalam kerja poros menjadi energi fluida, energi itulah yang mengakibatkan pertambahan head tekanan, head kecepatan dan head potensial pada fluida yang mengalirkan terus menerus. Ketika fluida mengalami benturan dengan stasionery cassing terjadi perlambatan kecepatan karenaadanya gesekan. Energi yang hilang akibat adanya perlambatan kecepatan dalam bentuk panas dan tekanan. Kasus ini sesuai dengan hukum kekekalan, energi “ energi tidak dapat di musnahkan tetapi dapa di ubah menjadi energi lain :
2.2.2.2 Pompa Efek Khusus Pompa efek khusus dapat dibagi menjadi : Pompa jet Pompa jet merupakan suatu kombinasi pompa sentrifugal volut dan susunan venturi – nosel. Pompa jet biasanya digunakan untuk mengangkat atau menarik air dari sumur yang dalam ke suatu tempat yang lebih tinggi. Pada pompa jet, air pada tekanan tinggi dipompakan melewati sebuah nosel dimana air akan dipercepat di dalam nosel, sehingga energi tekanan akan diubah menjadi energi
14
kinetik. Dan setelah melewati nosel air akan masuk ke dalam venturi, dimana air yang telah dipercepat akan menyebabkan tekanan menjadi turun, sehingga pompa jet dapat menghisap air. Pompa Gas Lift Prinsip dari pompa gas lift adalah memanfaatkan udara atau gas yang tertekan untuk mengangkat air. Campuran udara dan air akan naik didalam pipa yang dikelilingi oleh air. Pada dasarnya pompa gas lift terdiri dari pipa vertikal yang sebagian terendam dalam air dan tabung supply udara yang menyediakan udara yang tertekan diberikan ke pipa vertikal. Campuran udara dan air bisa naik sampai ke atas permukaan air karena massa jenis dari campuran udara dan air tersebut lebih rendah dari massa jenis air itu sendiri. Pompa Hidraulik Ram Pompa hidraulik ram merupakan suatu alat untuk menaikkan sebagian dari sejumlah besar air yang ada pada suatu tempat dengan ketinggian tertentu sampai ke tempat yang lebih tinggi. Pompa hidraulik ram terpakai ketika beberapa sumber air alami seperti mata air atau sungai berada pada ketinggian tertentu, misal pada daerah berbuki
2.3
Dasar-dasar Pemilihan Pompa Dasar
pertimbangan
pemilihan
pompa,
didasarkan
pada
sistem
ekonomisnya, yakni keuntungan dan kerugian jika pompa tersebut digunakan dan dapat memenuhi kebutuhan pemindahan fluida sesuai dengan kondisi yang direncanakan.
15
Yang perlu diperhatikan dalam pemilihan jenis pompa adalah fungsi terhadap instalasi pemipaan, kapasitas, head, viskositas, temperature kerja dan jenis motor penggerak. Kondisi yang diinginkan dalam perencanaan ini adalah: •
Kapasitas dan head pompa harus mampu dipenuhi.
•
Fluida yang mengalir secara kontinu.
•
Pompa yang dipasang pada kedudukan tetap.
•
Konstruksi sederhana.
•
Mempunyai efisiensi yang tinggi.
•
Harga awal relatif murah juga perawatannya. Melihat dan mempertimbangkan kondisi yang diinginkan
dalam
perencanaan ini, maka dengan mempertimbangkan sifat pompa dan cara kerjanya, dipilih pompa sentrifugal dalam perencanaan ini, karena sesuai dengan sifat pompa sentrifugal, yakni : •
Aliran fluida lebih merata.
•
Putaran poros dapat lebih tinggi.
•
Rugi-rugi transmisinya lebih kecil karena dapat dikopel langsung dengan otor penggerak.
2.4
•
Konstruksinya lebih aman dan kecil.
•
Perawatannya murah.
Karakteristik Pompa Sentrifugal Karakteristik dari pompa sentrifugal merupakan sebuah cara dimana tinggi
tekan tekanan diferensial bervariasi dengan keluaran (output) pada kecepatan
16
konstan. Karakteristik dapat juga menyertakan kurva efisiensi dan harga brake horse power-nya. Kurva kapasitas tinggi tekan (Gambar 2.1) ditunjukkan sebagai kapasitas peningkatan total tinggi tekan, dimana tinggi tekan pompa mampu untuk dinaikkan atau dikurangi. Umumnya sebuah pompa sentrifugal akan menaikkan tinggi tekan terbesarnya pada suatu titik, dimana tidak ada aliran yang sering dianggap sebagai shut off head. Jika shut off head kurang dari harga maksimum tinggi tekan, pompa menjadi tidak stabil dan dibawah beberapa kondisi dapat memperbesar daya dan kecepatan fluktuasi yang menyebabkan getaran mekanis yang besar pada sistem pemipaan.
Gambar 2.1 Contoh Kurva Pompa Aquavane KSB Type A32-160
17
2.5
Kecepatan Spesifikasi Pompa Performansi pompa sentrifugal (kecuali turbin regenerative) dihubungkan
pada suatu parameter yang disebut kecepatan spesifik (specific speed). Seperti yang didefinisikan oleh The Hydraulic Institute hal ini merupakan hubungan antara kapasitas, tinggi tekan, dan kecepatan pada efisiensi optimum yang mengklasifikasikan impeller pompa dengan respek terhadap persamaan geometris. Kecepatan spesifik merupakan sebuah bilangan aljabar yang dinyatakan sebagai:
Ns = n
/ /
................................................................(2.1)
dimana: NS = Kecepatan spesifik pompa (m/min) n = Putaran pompa (rpm) Q = Kapasitas pompa (m3/min) H = Head total pompa (m)
2.6
Daya Pompa Daya pompa ialah daya yang dibutuhkan poros pompa untuk memutar
impeler didalam memindahkan sejumlah fluida denga kondisi yang diinginkan. Besarnya daya poros yang dibutuhkan dapat dihitung berdasarkan :
N =
. . .
...............................................................(2.2)
dimana: Np = daya pompa (watt) Q = kapasitas pompa (m3/s)
18
Hp = head pompa (m) ρ = rapat jenis fluida (kg/m3) ηp = effisiensi pompa
2.7
Aliran Fluida Aliran dalam pemipaan akan terjadi dari titik yang mempunyai head
hidrolik yang lebih tinggi (energi internal per satu-satuan berat air) ke head yang lebih rendah, dimana terjadi kehilangan energi hidrolik di sepanjang pipa. Kehilangan energi hidrolik sepanjang pipa secara umum disebabkan oleh : Kerugian Head Mayor Kerugian head ini terjadi akibat adanya gesekan antara dinding pipa dengan fluida yang mengalir di dalamnya. Persamaan umum yang dapat digunakan untuk mencari head losses akibat gesekan dalam pipa dapat dilakukan dengan menggunakan : •
persamaan Darcy - Weisbach
•
persamaan Hazen - Williams
Kedua persamaan diatas memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing yaitu: •
Persamaan Darcy - Weisbach - Memberikan hasil yang lebih baik untuk pipa yang relatif pendek. - Untuk sistem terdiri dari bermacam-macam pipa akan lebih rumit perhitungannya. - Populer atau sering dipakai untuk perhitungan dengan beda energi besar.
19
- Persamaan ini secara teori paling bagus dan dapat digunakan ke semua jenis fluida. •
Persamaan Hazen - Williams: - Umumnya dipakai untuk menghitung kerugian head dalam pipa yang relatf sangat panjang seperti jalur pipa penyalur air minum. - Untuk sistem yang terdiri dari bermacam-macam pipa, perhitungannya akan lebih mudah dibanding Darcy - Weisbach. - Persamaan Hazen - Williams paling banyak digunakan untuk menghitung head losses, tetapi biasa digunakan untuk semua fluida selai dari air dan digunakan hanya untuk aliran turbulen.
2.8
Motor Listrik Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang
mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impellerpompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll. Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri. Motor listrik kadangkala disebut kuda kerjan dalam industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama : Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
20
Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torque untuk memutar kumparan. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan. Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/ torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok (BEE India, 2004): Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torque nya tidak bervariasi. Contoh beban denga torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kwadrat kecepatan). Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
21
2.8.1 Jenis Motor Listrik Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik yaitu motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawah ini.
Gambar 2.2 Klasifikasi Jenis Utama Motor Listrik
2.8.1.1 Motor DC / Arus Searah Motor DC / arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung / direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
22
Gambar 2.3 Motor DC
Gambar 2.4 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama: Kutub medan, secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. Dinamo, bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub,
23
sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo. Kommutator, komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya. Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur: Tegangan dinamo, meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan. Arus medan, menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan. Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.
2.8.1.2 Motor AC
Motor arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik yaitu stator dan rotor seperti ditunjukkan dalam Gambar
24
2.4. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC). Motor AC juga dibagi menjadi 2 jenis, yaitu :
a.
Motor Sinkron Motor sinkron adalah motor AC, bekerja pada kecepatan tetap pada sistim
frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
25
Gambar 2.4 Motor Sinkron Komponen utama motor sinkron adalah : Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya. Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang diapsok. b.
Motor Induksi Motor indusksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada
berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.
Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama :
26
Rotor Motor induksi menggunakan dua jenis rotor: •
Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
•
Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.
Stator Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat
Gambar 2.5 Motor Induksi
27
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama, yaitu : Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti fan angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp. Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
2.9
Tegangan Listrik (Voltage) Tegangan listrik atau yang lebih dikenal sebagai beda potensial listrik
adalah perbedaan potensial listrik antara dua titik dalam rangkaian listrik. Tegangan listrik merupakan ukuran beda potensial yang mampu membangkitkan medan listrik sehingga menyebabkan timbulnya arus listrik dalam sebuak konduktor listrik. Berdasarkan ukuran perbedaan potensialnya, tegangan listrik memiliki empat tingkatan yaitu :
•
Tegangan ekstra rendah (extra low voltage)
28
•
Tegangan rendah (low voltage)
•
Tegangan tinggi (high voltage)
•
Tegangan ekstra tinggi (extra high voltage) Sesuai dengan definisi di atas, bahwa tegangan merupakan perbedaan
potensial antara dua titik, yang bisa didefinisikan sebagai jumlah kerja yang diperlukan untuk memindahkan arus dari satu titik ke titik lainnya, maka rumus dasar tegangan antara 2 titik adalah :
− = ∫ E. dI ..........................................(2.3) dimana : Va
= potensial di titik a
Vb
= potensial di titik b
E
= medan listrik
I
= arus listrik
Berdasarkan penerapannya, beda potensial ada pada arus listrik searah (DC) dan arus listrik bolak- balik (AC). Pada arus searah rumusnya adalah :
= √ . R ..........................................(2.4) = . ..............................................(2.5) Dimana : V
= tegangan
P
= daya
R
= hambatan
I
= arus
Sedangkan pada arus bolak-balik dimana :
29
V
= tegangan (volt)
I
= arus (ampere)
P
= daya (watt)
R
= hambatan (ohm)
Z
= impedansi = beda fase antara I dan V
2.10
Arus Listrik Arus listrik merupakan aliran muatan listrik. Aliran ini berupa aliran
elektron atau aliran ion. Aliran ini harus melalui media penghantar listrik yang biasa disebut sebagai konduktor. Konduktor yang paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari adalah kabel logam. Ketika dua ujung kabel disambungkan pada sumber tegangan, misalnya baterai, maka elektron akan mengalir melalui kabel penghantar dari kutub negatif menuju kutub positif baterai. Aliran elektron inilah yang disebut sebagai aliran listrik. Arus listrik didefinisikan sebagai jumlah muatan listrik (elektron) yang mengalir melalui konduktor dalam tiap satuan waktu. Untuk aliran yang kontinu (steady), arus listrik dirumuskan dalam persamaan berikut :
=
! "
....................................................(2.6)
dimana : I
= arus listrik (ampere)
Q
= jumlah muatan listrik yang mengalir (coulomb)
t
= waktu (sekon)
30
Satuan untuk besaran arus listrik dalam system (SI) adalah Ampere (A) atau Coulomb/sekon. 1 Coulomb sendiri setara dengan 6.242 × 1018 elektron yang mengalir per detik.
Gambar 2.6 Arah Arus Listrik dan Gambar Gerakan Elektron
2.11
Daya Listrik Daya listrik adalah besar energi listrik yang ditransfer oleh suatu rangkaian
listrik tertutup. Daya listrik sebagai bentuk energi listrik yang mampu diubah oleh alat-alat pengubah energi menjadi berbagai bentuk energi lain, misalnya energi gerak, energi panas, energi suara, dan energi cahaya. Selain itu, daya listrik ini juga mampu disimpan dalam bentuk energi kimia. Baik itu dalam bentuk kering (baterai) maupun dalam bentuk basah (aki). Daya merupakan jumlah energi listrik yang mengalir dalam setiap satuan waktu (detik). Sehingga rumus daya listrik bisa dituliskan sebagai berikut :
#=
$ "
dimana : p
= daya (watt atau joule/sekon)
W
= energi listrik (joule)
..................................................(2.7)
31
T 2.12
= waktu atau sekon
Efisiensi Motor Motor mengubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk melayani
beban tertentu. Pada proses ini, kehilangan energi ditunjukkan dalam gambar 2.7.
Gambar 2.7 Kehilangan Motor Efisiensi motor ditentukan oleh kehilangan dasar yang dapat dikurangi hanya oleh perubahan pada rancangan motor dan kondisi operasi. Kehilangan dapat bervariasi dari kurang lebih dua persen hingga 20 persen. Tabel 2.1 memperlihatkan jenis kehilangan untuk motor induksi.
32
Tabel 2.1 Jenis Kehilangan pada Motor Induksi Persentase Kehilangan Jenis Kehilangan Total (100%) Kehilangan tetap atau kehilangan inti
25
Kehilangan variabel : kehilangan stator I2R
34
Kehilangan variabel : kehilangan rotor I2R
21
Kehilangan gesekan dan penggulung ulang
15
Kehilangan beban yang menyimpang
5
Efisiensi motor dapat didefinisikan sebagai perbandingan keluaran daya motor yang dirgunakan terhadap keluaran daya totalnya. Faktor-faktor yang mempengaruhi efisiensi adalah: •
Usia, motor baru lebih efisien.
•
Kapastas, sebagaimana pada hampir kebanyakan peralatan, efisiensi motor meningkat dengan laju kapasitasnya.
•
Kecepatan, motor dengan kecepatan yang lebih tinggi biasanya lebih efisien.
•
Jenis, sebagai contoh, motor kandang tupai biasanya lebih efisien daripada motor cincin-geser
•
Suhu, motor yang didinginkan oleh fan dan tertutup total (TEFC) lebih efisien daripada motor screen protected drip-proof (SPDP).
•
Penggulungan ulang motor dapat mengakibatkan penurunan efisiensi.
•
Beban, seperti yang dijelaskan dibawah
33
Gambar 2.8 Efisiensi Beban Motor Sebagian (sebagai fungsi dari % beban penuh) Terdapat hubungan yang jelas antara efisiensi motor dan beban. Pabrik motor membuat rancangan motor untuk beroperasi pada beban 50-100% dan akan paling efisien pada beban 75%. Tetapi, jika beban turun dibawah 50% efisiensi turun dengan cepat seperti ditunjukkan pada Gambar 11. Mengoperasikan motor dibawah laju beban 50% memiliki dampak pada faktor dayanya. Efisiensi motor yang tinggi dan faktor daya yang mendekati 1 sangat diinginkan untuk operasi yang efisien dan untuk menjaga biaya rendah untuk seluruh pabrik, tidak hanya untuk motor. Untuk alasan ini maka dalam mengkaji kinerja motor akan bermanfaat bila menentukan beban dan efisiensinya. Pada hampir kebanyakan negara, merupakan persyaratan bagi fihak pembuat untuk menuliskan efisiensi beban penuh pada pelat label motor. Namun demikian, bila motor beroperasi untuk waktu yang cukup lama, kadang-kadang tidak mungkin untuk mengetahui
34
efisiensi tersebut sebab pelat label motor kadangkala sudah hilang atau sudah dicat. Untuk mengukur efisiensi motor, maka motor harus dilepaskan sambungannya dari beban dan dibiarkan untuk melalui serangkaian uji. Hasil dari uji tersebut kemudian dibandingkan dengan grafik kinerja standar yang diberikan oleh pembuatnya. Jika tidak memungkikan untuk memutuskan sambungan motor dari beban, perkiraan nilai efisiensi didapat dari tabel khusus untuk nilai efisiesi motor. Nilai efisiensi disediakan untuk:
• Motor dengan efisiesi standar 900, 1200, 1800 dan 3600 rpm • Motor yang berukuran antara 10 hingga 300 HP • Dua jenis motor: motor anti menetes terbuka/ open drip-proof (ODP) dan motor yang didinginkan oleh fan dan tertutup total/ enclosed fan-cooled motor (TEFC)
• Tingkat beban 25%, 50%, 75% dan 100%.
