BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA

2.1

Umum Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik yang

paling banyak digunakan dalam dunia industri. Dinamakan motor induksi karena pada kenyataannya arus rotor motor ini bukan diperoleh dari suatu sumber listrik, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar. Dalam kenyataannya, motor induksi dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu dengan kumparan stator sebagai kumparan primer yang diam, sedangkan kumparan rotor sebagai kumparan sekunder yang berputar. Motor induksi tiga fasa berputar pada kecepatan yang pada dasarnya adalah konstan, mulai dari tidak berbeban sampai mencapai keadaan beban penuh. Kecepatan putaran motor ini dipengaruhi oleh frekuensi, dengan demikian pengaturan kecepatan tidak dapat dengan mudah dilakukan terhadap motor ini. Walaupun demikian, motor induksi tiga fasa memiliki beberapa keuntungan, yaitu sederhana, konstruksinya kokoh, harganya relatif murah, mudah dalam melakukan perawatan, dan dapat diproduksi dengan karakteristik yang sesuai dengan kebutuhan industri.

2.2

Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama

dengan motor listrik jenis lainnya. Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu

8 Universitas Sumatera Utara

stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar sebagaimana diperlihatkan pada gambar 2.1. Antara bagian stator dan rotor dipisahkan oleh celah udara yang sempit, dengan jarak berkisar dari 0,4 mm sampai 4 mm.

Gambar 2.1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa

2.2.1 Stator Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lempengan besi (Gambar 2.2.(a)). Tiap lempengan besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan fasa dimana untuk motor tiga fasa, 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 2.2.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga fasa.


(a)

(b)

(c)

Gambar 2.2. Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa : (a) Lempengan Inti, (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator.

2.2.2 Rotor Berdasarkan jenis rotornya, motor induksi tiga fasa dapat dibedakan menjadi dua jenis, yang juga akan menjadi penamaan untuk motor tersebut, yaitu rotor belitan (wound rotor) dan rotor sangkar tupai (squirrel cage rotor). Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa yang merupakan bayangan dari belitan pada statornya. Belitan tiga fasa pada rotor belitan biasanya terhubung Y, dan masing-masing ujung dari tiga kawat belitan fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada poros rotor (gambar 2.3(a)). Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui sikat (brush) yang menempel pada slip ring (perhatikan gambar 2.4), dengan menggunakan sebuah perpanjangan kawat untuk tahanan luar.


(a)

(b)

Gambar 2.3. (a) Tampilan Close-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan

Gambar 2.4. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan

Dari gambar 2.4. dapat dilihat bahwa semata-mata keberadaan slip ring dan sikat hanyalah sebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (exsternal resistance). Keberadaan tahanan luar disini berfungsi pada saat pengasutan yang berguna untuk membatasi arus mula yang besar. Tahanan luar ini kemudian secara perlahan dikurangi sampai resistansinya nol sebagaimana kecepatan motor bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor telah mencapai kecepatan nominalnya, maka tiga buah sikat akan terhubung singkat tanpa tahanan luar sehingga rotor belitan akan bekerja seperti halnya rotor sangkar tupai. Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor 11 Universitas Sumatera Utara

terdiri dari tumpukan lempengan besi tipis yang dilaminasi dan batang konduktor yang mengitarinya (perhatikan gambar 2.5(a)). Tumpukan besi yang dilaminasi disatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (sebagai batang konduktor) dimasukan ke dalam slot dari inti rotor untuk membentuk serangkaian konduktor yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang konduktor yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat (shorting ring) atau disebut juga dengan end ring.

(a)

(b)

Gambar 2.5. (a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai

2.3

Prinsip Medan Putar Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa

motor induksi, maka arus bolak-balik sinusoidal IR, IS, IT akan mengalir pada belitan stator. Arus-arus ini akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang mana pada kumparan akan menghasilkan fluks magnetik yang berputar sehingga disebut juga dengan medan putar. Medan magnet yang demikian kutub-kutubnya


tidak diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran posisinya disekitar stator. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang dihasilkan oleh arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah : ΦR

= Φm sin ωt ………………………………………………………. (2.1a)

ΦS

= Φm sin (ωt – 120o )……………………………………………… (2.1b)

ΦT

= Φm sin (ωt – 240o )……………………………………………… (2.1c)

Gambar 2.6.

Gambar 2.7.

Arus Tiga Fasa Setimbang

(1)

(2)

Diagram Fasor Fluksi Tiga Fasa Setimbang

(3)

(4)

Gambar 2.8. Medan Putar Pada Motor Induksi Tiga Fasa (Menggambarkan keadaan pada gambar 2.6)


(a). Pada keadaan 1 (gambar 2.6 dan 2.8), ωt = 0 ; arus dalam fasa R bernilai nol sedangkan besarnya arus pada fasa S dan fasa T memiliki nilai yang sama dan arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φm dan dibuktikan sebagai berikut : ΦR = 0 ; ΦS = Φm sin ( -120o ) = −

ΦT = Φm sin ( -240o ) =

3 Φm ; 2

3 Φm 2

Oleh karena itu resultan fluks, Φr adalah jumlah fasor dari ΦT dan – ΦS Sehinngga resultan fluks, Φr = 2 x

3 Φm cos 30o = 1,5 Φm 2

(b). Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada fasa S, sedangkan pada R dan fasa T bernilai 0,5 maksimum pada fasa R dan fasa T, dan pada saat ini ωt = 30o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa : ΦR = Φm sin ( -120o ) = 0,5 Φm ΦS = Φm sin ( -90o ) = - Φm ΦT = Φm sin (-210o) = 0,5 Φm

Maka jumlah fasor ΦR dan ΦT adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm. Sehingga resultan fluks Φr = -ΦS + Φr’ = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm. Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 30o dari posisi pertama. 14 Universitas Sumatera Utara

(c). Pada keadaan ini ωt = 60o, arus pada fasa R dan fasa T memiliki besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φm ), oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa : ΦR = Φm sin ( 60o )

=

3 Φm 2

ΦS = Φm sin ( -60o ) = −

3 Φm 2

ΦT = Φm sin ( -180o ) = 0

Maka magnitud dari fluks resultan : Φr = 2 x

3 Φm cos 30o = 1,5 Φm 2

Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 60o dari posisi pertama. (d). Pada keadaan ini ωt = 90o, arus pada fasa R maksimum ( positif), dan arus pada fasa S dan fasa T = 0,5 Φm , oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa ΦR = Φm sin ( 90o ) = Φm ΦS = Φm sin ( -30o ) = - 0,5 Φm ΦT = Φm sin (-150o) = - 0,5 Φm

Maka jumlah fasor -ΦT dan -ΦS adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm. Sehingga resultan fluks Φr = Φr’ + ΦT = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm. Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 90o dari posisi pertama.


2.4

Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan

tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik . Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron : ns = 120

…………………………………………………………… (2.2)

dimana, ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm) f = frekuensi sumber daya (Hz) P = jumlah kutub motor induksi Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator sebesar : ………………………………………………………… (2.3)

untuk nilai maksimum sin = 1 Jadi

…………………………………………………… (2.4)


dimana, e1 = ggl induksi sesaat stator/fasa (Volt) Em1 = ggl induksi maksimum stator/fasa (Volt) E1 = ggl induksi efektif stator/fasa (Volt) f1

= frekuensi saluran (Hz)

N1 = jumlah lilitan kumparan stator/fasa = fluks magnetik maksimum (Weber)

Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor yang diam (perhatikan gambar 2.9). Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s).

s=

……………………………………………………………. (2.5)

Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada konduktorkonduktor rotor sebesar : ………………………………………………………… (2.6) atau

…………………………………………………… (2.7)

dimana : e2 = ggl induksi sesaat pada saat rotor diam/fasa (Volt) E2 = ggl induksi efektif pada saat rotor diam/fasa (Volt) f2

= frekuensi arus rotor (Hz)

N2 = jumlah lilitan pada kumparan rotor/fasa = fluks magnetik maksimum (Weber)


Gambar 2.9. Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktorkonduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini sesuai dengan hukum gaya lorentz (perhatikan gambar 2.10) yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar : F = B.i.l.sin θ ………………………………………………………… (2.8) dimana, F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2) i = besar arus pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) θ = sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik Gaya F ini adalah hal yang sangat penting karena merupakan dasar dari bekerjanya suatu motor listrik.


Arah dari gaya elektromagnetik tersebut dapat dijelaskan oleh kaidah tangan kanan (right-hand rule). Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor arus i dan jari tengah menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut. Gaya F yang dihasilkan pada konduktor-konduktor rotor tersebut akan menghasilkan torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar daripada torsi beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar searah dengan putaran medan putar stator. B

i

F

l

Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet Seperti yang telah disebutkan di atas, motor akan tetap berputar bila kecepatan medan putar lebih besar dari pada kecepatan putaran rotor (ns > nr). Apabila ns = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan medan putar (ns) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain slip (s) adalah nol. Hal ini menyebabkan tidak adanya ggl terinduksi pada kumparan rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir, dengan demikian tidak akan dihasilkan gaya yang dapat menghasilkan kopel untuk memutar rotor.


2.5

Frekuensi Rotor Frekuensi rotor tidak persis sama seperti frekensi stator. Jika rotor motor

terkunci sehingga tidak dapat bergerak nr = 0 rpm, maka rotor akan mempunyai frekuensi yang sama seperti stator f2 = f1, dimana pada kondisi ini slip s = 1. Akan tetapi, jika rotor berputar pada kecepatan (mendekati) sinkron nr ≈ ns, maka frekuensi rotor akan menjadi (mendekati) nol f2 ≈ 0, dimana pada kondisi ini slip s ≈ 0. Dari pernyataan di atas, maka dapat dibuat hubungan persamaan frekuensi rotor f2 terhadap frekuensi stator f1 sebagai berikut, f2 = sf1 ………………………………………………………………. (2.9) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.5) ke dalam persamaan (2.9), maka didapat, f2 =

f1 ……………………………………………………… (2.10)

Dari persamaan (2.2) diketahui bahwa ns = 120f1/P, maka

………………………………………………… (2.11)

2.6

Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa Telah disebutkan sebelumnya bahwa motor induksi identik dengan sebuah

transformator, tentu saja dengan demikian rangkaian ekivalen motor induksi sama dengan rangkaian ekivalen transformator. Perbedaan yang ada hanyalah, karena pada

kenyataannya

bahwa

kumparan

rotor

(kumparan

sekunder

pada

transformator) dari motor induksi berputar, yang mana berfungsi untuk


menghasilkan daya mekanik. Awal dari rangkaian ekivalen motor induksi dihasilkan dengan cara yang sama sebagaimana halnya pada transformator. Semua parameter-parameter

rangkaian

ekivalen

yang

akan

dijelaskan

berikut

mempunyai nilai-nilai perfasa.

2.6.1 Rangkaian Ekivalen Stator Gelombang fluks pada celah udara yang berputar dengan kecepatan sinkron membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang seimbang stator. Besarnya tegangan terminal stator

di dalam fasa-fasa

berbeda dengan ggl lawan

jatuh tegangan pada impedansi bocor stator

sebesar

, sehingga dapat

dinyatakan dengan persamaan : ……………………………………………(2.12) dimana, = tegangan terminal stator (Volt) = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan (Volt) = arus stator (Ampere) = tahanan efektif stator (Ohm) = reaktansi bocor stator (Ohm) Sebagaimana halnya pada transformator, arus stator komponen. Komponen pertama

terdiri dari dua

adalah komponen beban yang akan

menghasilkan fluks yang akan melawan fluks yang dihasilkan oleh arus rotor. Komponen lainnya yaitu

, arus

ini terbagi lagi menjadi dua komponen yaitu

komponen rugi-rugi inti

yang sefasa dengan

dan komponen magnetisasi 21 Universitas Sumatera Utara

yang menghasilkan fluks magnetik pada inti dan celah udara yang tertinggal dari

. Sehingga dapat dibuat rangkaian ekivalen pada stator, seperti gambar 2.11

berikut ini. jX 1

R1

+

+ I0

I1 V1

Ic

Rc X m I m

-

I

'' 2

E1 -

Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Stator per-Fasa Motor Induksi

2.6.2 Rangkaian Ekivalen Rotor Pada saat rotor dalam kondisi diam yaitu kondisi sesaat rotor sebelum bergerak atau pada saat rotor terkunci (locked-rotor), slip s = 1 dimana kecepatan rotor nr = 0, karena seluruh belitan rotor dihubung-singkat, maka akan mengalir arus

akibat ggl induksi

pada rotor. Sehingga dapat dituliskan persamaannya

sebagai berikut : ………………………………………………………… (2.13) dan rangkaian ekivalen rotor perfasa dalam keadaan diam (s = 1) digambarkan seperti gambar 2.12. di bawah ini. R2 I2

E2

jX 2

Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Rotor Motor Induksi Keadaan Diam 22 Universitas Sumatera Utara

dimana, = arus rotor dalam keadaan diam (Ampere) = ggl induksi rotor dalam keadaan diam (Volt) = resistansi rotor (Ohm) = reaktansi rotor dalam keadaan diam (Ohm)

Ketika rotor berputar, maka ggl rotor perfasa

dan reaktansi rotor perfasa

masing-masingnya dipengaruhi oleh frekuensi (untuk

dapat melihat

persamaan (2.7), sementara reaktansi rotor dapat dijelaskan dari persamaan di bawah ini dimana nilainya tergantung dari induktansi dan frekuensi rotor. = ωrL2 = 2πf2L2 …………………………………………………. (2.14) dengan maka

f2 = sf, = 2πsfL2 = s(2πfL2) = sX2 …………………………………………………………(2.15)

Dengan demikian

dan X2 nilainya bergantung terhadap slip s, sementara

resistansi rotor perfasa

tidak dipengaruhi oleh frekuensi sehingga tidak

tergantung terhadap nilai slip s. Sehingga dari persamaan (2.13) di atas dapat dibuat persamaannya menjadi : ……………………………………………………… (2.16) Dengan membagi pembilang dan penyebut pada persamaan (2.16) di atas dengan s, maka ………………………………………………………… (2.17)


Perhatikan bahwa magnitud dan fasa dari

pada persamaan (2.16) dan

(2.17) adalah sama. Namun demikian, terdapat sebuah perbedaan signifikan diantara dua persamaan ini. Pada persamaan (2.16) ggl slip, ketika dibagi dengan persamaan (2.17),

berada pada frekuensi-

memberikan arus frekuensi-slip. Tetapi pada

berada pada frekuensi-saluran ketika dibagi dengan

+

memberikan arus frekuensi-saluran. Nilai dari

sekarang lebih besar dari R2 dikarenakan s memiliki nilai

dalam bentuk pecahan. Untuk itu,

dapat dipecah menjadi sebuah bagian yang

bernilai konstan R2 dan sebuah bagian yang variabel (

), yaitu

……………………………………………… (2.18) Bagian pertama R2 merupakan tahanan rotor/fasa dan mewakilkan rugi 1  tembaga (Cu loss). Bagian kedua  −1 merupakan sebuah beban tahanans 

variabel. Daya yang dikirim ke beban ini mewakilkan daya mekanik keseluruhan yang dibangun di rotor. Untuk itu beban mekanik pada motor dapat digantikan 1  dengan sebuah beban tahanan-variabel dengan nilai R2  −1 . Ini diketahui s 

sebagai tahanan beban RL.

Dengan demikian persamaan (2.17) dapat dirubah menjadi :


…………………………………………………… (2.19) Dari persamaan (2.16), (2.17) dan (2.19) di atas, maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen rotor seperti gambar 2.13. di bawah ini. +

jX 2

R2

+ I

'

' 2

I2

sE2

-

R2 s

E2

jsX 2

-

(i)

R2

(ii)

jX 2

+ '

I2 1 R2 ( − 1) s

E2

-

(iii)

Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Rotor per-Fasa Keadaan Berputar pada Slip = s dimana (i) menyatakan persamaan 2.16, (ii) menyatakan persamaan 2.17, (iii) menyatakan persamaan 2.19

2.6.3 Rangkaian Ekivalen Lengkap Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen perfasa motor induksi dengan model transformator, dengan rasio perbandingan ‘a’ antara stator dan rotor. Perhatikan gambar 2.14.


R1

jX 1

a = N1/N2

+

I0

I1 V1

Ic

Rc

jX m

''

'

I2 Im

jX 2 I2

E1

E2

R2 s

Gambar 2.14. Rangkaian Ekivalen Per-Fasa Motor Induksi Model Transformator

Untuk menghasilkan rangkaian ekivalen per-fasa akhir dari motor induksi, penting untuk menyatakan bagian rotor dari model rangkaian ekivalen gambar 2.14 di atas terhadap sisi stator. Pada transformator yang umum, tegangan, arus, dan impedansi pada sisi sekunder, dapat dinyatakan terhadap sisi primer dengan menggunakan rasio perbandingan belitan dari transformator tersebut. Dengan mengasumsikan jenis rotor yang digunakan adalah jenis rotor belitan dan terhubung bintang ( Y ), yang mana motor dengan rotor jenis ini sangat mirip dengan transformator, maka kita dapat juga menyatakan sisi rotor terhadap sisi stator seperti halnya pada transformator. Jika rasio perbandingan efektif dari sebuah motor induksi adalah a (= N1/N2), maka pentransformasian tegangan rotor terhadap sisi stator menjadi: ……………………………………………………. (2.20) untuk arus rotor : ……………………………………………………………… (2.21) dan untuk impedansi rotor : =

=

=

……………………………………………… (2.22a)

=


dengan penguraian lebih lanjut : = a2 R2 …………………………………………………………. (2.22b) = a2 X2 …………………………………………………………. (2.22c) Dari persamaan (2.18), (2.19), dan (2.22) di atas, maka dapat kita gambarkan rangkaian ekivalen per-fasa motor induksi sebagai kelanjutan dari gambar 2.14, dimana disini bagian rangkaian rotor telah dinyatakan terhadap bagian stator. Rangkaian ekivalen tersebut dapat dilihat pada gambar 2.15(a), sedangkan pada gambar 2.15(b) merupakan modifikasi dari gambar 2.15(a) 1  dimana adanya R2  −1 menyatakan resistansi variabel sebagai analog listrik s 

dari beban mekanik variabel. R1

jX 1

jX 2'

+ I0

I1

Ic

V1

Rc

jX m

''

I2 R2 s

I m E1

'

(a) R1

jX 2'

R'2

jX 1

+ I0

I1 V1

Ic

Rc

jX m

''

I2 ' 1 R2 ( − 1) s

I m E1

(b) Gambar 2.15. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan Bagian Rangkaian Rotor Dinyatakan Terhadap Sisi Stator


(a) dengan tahanan variabel

R2 s

'

1 (b) dengan tahanan variabel R2 ' ( − 1) sebagai bentuk analog s

listrik dari beban mekanik Pada transformator, analisis rangkaian ekivalen dilakukan dengan mengabaikan cabang pararel yang terdiri dari Rc dan Xm atau dengan memindahkan cabang pararel ke terminal primer. Bagaimanapun, penyederhanaan ini tidak diperbolehkan pada rangkaian ekivalen motor induksi. Ini disebabkan kenyataan bahwa arus penguatan pada transformator bervariasi dari 2% sampai 6% dari arus beban penuh dan per unit reaktansi bocor primer kecil. Tetapi pada motor induksi, arus penguatan bervariasi dari 30% sampai 50% dari arus beban penuh dan per unit reaktansi bocor stator adalah lebih tinggi. Dengan demikian kesalahan yang besar akan terjadi dalam penentuan daya dan torsi, dalam hal cabang pararel diabaikan, atau dihubungkan pada terminal stator. Dibawah kondisi kerja normal pada tegangan dan frekuensi konstan, rugi inti pada motor induksi biasanya juga konstan. Dalam pandangan pada kenyataan ini, tahanan rugi inti Rc yang mewakili rugi inti motor, dapat dihilangkan dari rangkaian ekivalen motor induksi pada gambar 2.15(b). Akan tetapi, untuk menentukan daya poros atau torsi poros, rugi inti yang konstan harus diikutsertakan dalam pertimbangan, bersama dengan gesekan, rugi-rugi beban buta (stray-load losses) dan angin. Dengan penyederhanaan ini, maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen baru (gambar 2.16.) dengan akurasi rugi yang dapat diabaikan.


+

jX 2'

R'2

jX 1

R1

I0

I1

jX m

V1

''

I2 ' 1 R2 ( − 1) s

E1

Gambar 2.16. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan Mengabaikan Rugi Inti

2.7

Aliran Daya dan Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa

2.7.1 Aliran Daya Untuk melihat dan memahami bagaimana energi listrik dikonversikan menjadi energi mekanik pada motor induksi tiga fasa, akanlah lebih mudah jika kita merunut aliran daya aktif yang mengalir pada mesin tersebut. Dari gambar 2.17 dapat kita lihat bahwa, sebelum akhirnya daya masukan Pin dikonversikan menjadi daya keluaran Pout dalam bentuk daya mekanik, terdapat bannyak rugirugi pada motor yang akan mengurangi besar daya masukan yang akan dikonversikan menjadi daya keluaran (mekanik). Rugi-rugi (losses) tersebut ialah : 1. Rugi-rugi tetap (fixed losses) Rugi-rugi ini terdiri dari :  Rugi-rugi inti stator (stator core losses) Pcore =

=3

……………………………………………… (2.23)

 Rugi-rugi gesek dan angin (friction and windage losses), (PFW)


2. Rugi-rugi variabel (variable losses) Rugi-rugi ini terdiri dari :  Rugi-rugi tembaga stator (stator coper losses) PSCL =

………………………………………………………. (2.24)

 Rugi-rugi tembaga rotor (rotor coper losses) PRCL =

………………………………………………………. (2.25)

Gambar 2.17. Diagram Aliran Daya Aktif Motor Induksi Tiga Fasa dimana : Pin

= daya aktif masukan ke stator (Watt)

PSCL

= rugi-rugi tembaga stator (Watt)

Pcore

= rugi-rugi inti stator (Watt)

PAG

= daya celah udara (Watt)

PRCL

= rugi-rugi tembaga rotor (Watt)

Pm

= daya yang dikonversikan dari bentuk listrik ke mekanik (Watt)

PFW

= rugi-rugi gesek dan angin (Watt)

Pout

= daya poros/keluaran (Watt)

Daya masukan tiga fasa disuplai ke stator melalui terminal tiga fasa. Dikarenakan rugi-rugi tembaga stator, maka daya sebesar PSCL didisipasikan sebagai panas pada belitan. Bagian lainnya Pcore didisipasikan sebagai panas pada 30 Universitas Sumatera Utara

inti stator, yaitu sebagai rugi-rugi inti besi. Daya aktif sisa PAG ditransfer ke rotor melalui celah udara dengan induksi elektromagnetik. Sehingga daya celah udara dapat ditentukan sebagai berikut : PAG = Pin – PSCL – Pcore ……………………………………………… (2.26) Dengan memperhatikan secara cermat rangkaian ekivalen pada rotor (gambar 2.15(a)), satu-satunya elemen yang dapat mengkonsumsi daya celahudara PAG adalah tahanan

. Untuk itu daya celah udara dapat kita tuliskan

dengan persamaan : ……………………………………………………… (2.27) Dengan adanya rugi-rugi I2R pada rotor, maka bagian daya PRCL didisipasikan sebagai panas, dan sisanya akhirnya terdapat dalam bentuk daya mekanik Pm. Adapun rugi-rugi tahanan aktual rangkaian rotor (gambar 2.13.) diberikan oleh persamaan : ……………………………………………………… (2.28) Karena daya tidak berubah besarnya ketika rangkaian rotor dinyatakan terhadap sisi stator, dalam bentuk rangkaian ekivalen transformator ideal, maka rugi-rugi tembaga rotor dapat juga dinyatakan dengan : ……………………………………………………. (2.29) Setelah rugi-rugi tembaga stator, rugi-rugi inti stator, dan rugi-rugi tembaga rotor dikurangi dengan daya masukan motor, maka daya yang tertinggal adalah yang dikonversikan kebentuk mekanik. Daya mekanik yang dibangun ini diberikan oleh persamaan : Pm = PAG – PRCL …………………………………………………… (2.30) =

– 31 Universitas Sumatera Utara

Pm =

1   −1 ……………………………………………… (2.31) s 

Dari persamaan (2.27) dan (2.29) dapat dilihat bahwa rugi-rugi tembaga rotor PRCL dan daya celah udara PAG memiliki hubungan sebagai berikut : PRCL = s.PAG ………………………………………………………. (2.32) Untuk itu, semakin kecil slip motor, semakin kecil juga rugi-rugi pada rotor. Perhatikan juga, bahwa, jika rotor tidak berputar slip s = 1 dan daya celah udara seluruhnya dipakai pada rotor. Karena Pm = PAG – PRCL, ini juga memberikan hubungan yang lainnya diantara daya celah udara dan daya yang dikonversikan dari bentuk listrik ke mekanik : Pm = PAG – PRCL …………………………………………………… (2.33) Pm = PAG – s.PAG Pm = (1 – s) PAG …………………………………………………… (2.34) Sehingga jika rugi-rugi gesekan dan angin PFW dan rugi-rugi lainnya Pmisc (stray load losses) diketahui, dan dikurangi dengan daya mekanik Pm, maka akan didapat daya keluaran Pout atau daya yang memutar poros. Pout = Pm – PFW – Pmisc ……………………………………………… (2.35)

2.7.2 Efisiensi Efisiensi motor induksi adalah ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan antara daya keluaran dan daya masukan dan biasanya dinyatakan dalam persen juga sering dinyatakan dengan perbandingan antara keluaran dengan keluaran ditambah rugi - rugi, yang dirumuskan dalam persamaan berikut. 32 Universitas Sumatera Utara

η=

Pout Pin − Ploss Pout × 100% …………………………… (2.36) = = Pin Pin Pout + PLoss

Pada beban-beban dengan nilai yang kecil, rugi-rugi tetap lebih besar dibandingkan dengan keluaran, untuk itu efisiensi yang dihasilkan rendah. Sebagaimana beban bertambah, efisiensi juga bertambah dan menjadi maksimum ketika rugi inti dan rugi variabel adalah sama. Efisiensi maksimum terjadi sekitir 80 – 95 % dari rating output mesin, dimana nilai yang lebih tinggi terdapat pada motor-motor yang besar. Jika beban yang diberikan melebihi beban yang menghasilkan efisiensi maksimum, maka rugi-rugi beban bertambah lebih cepat daripada output, konsekuensinya efisiensi berkurang. Pada motor induksi pengukuran efisiensi motor induksi ini sering dilakukan dengan beberapa cara seperti: - Mengukur langsung daya listrik masukan dan daya mekanik keluaran - Mengukur langsung seluruh rugi-rugi dan daya masukan - Mengukur setiap komponen rugi-rugi dan daya masukan, dimana pengukuran daya masukan tetap dibutuhkan pada ketiga cara di atas.

2.8

Torsi Motor Induksi Tiga Fasa Torsi induksi τind yang terdapat pada sebuah mesin didefinisikan sebagai

torsi yang dibangkitkan oleh konversi internal listrik ke mekanik. Torsi induksi ini diberikan oleh persamaan : τind =

……………………………………………………………. (2.37)

dengan mensubstitusikan persamaan (2.34) dan diktehui bahwa

,

maka dapat kita peroleh bentuk persamaan torsi induksi yang lain, yaitu : 33 Universitas Sumatera Utara

τind = τind =

…………………………………………………………… (2.38)

dimana, = kecepatan sudut rotor (rad/s) = kecepatan sudut medan putar (rad/s) Persamaan 2.38 sangatlah berguna, karena kecepatan sudut medan putar (sinkron) adalah konstan untuk suatu nilai frekuensi dan jumlah kutub. Sehingga, dengan mengetahui daya celah udara PAG dapat kita peroleh nilai torsi induksi motor. Daya celah udara PAG adalah daya yang menyebrangi celah dari rangkaian stator ke rangkaian rotor. Daya ini sama dengan daya yang diserap pada ,

tahanan R2

s

. Dengan menggunakan persamaan (2.27), bila harga

dapat kita

temukan, maka daya daya celah udara dan torsi induksi akan dapat diketahui. Dengan memperhatikan gambar 2.18, untuk menyelesaikan rangkaian tersebut guna mendapatkan harga

, ada beberpa cara yang dapat ditempuh.

Salah satu cara termudah adalah dengan menggunakan penyelesaian Thevenin, yaitu dengan menentukan ekivalen Thevenin dari bagian yang bertanda X ke kiri rangkaian. jX 1

R1

+

V1

''

I0

I1

jX m

I2 E1

R2 s

'

Gambar 2.18. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi Tiga Fasa


Untuk men-Theveninkannya, hal pertama yang harus dilakukan adalah dengan meng-open-circuit terminal yang bertanda X (perhatikan gambar 2.19(a)) sehingga didapatkan tegangan open-circuit disana. Kemudian, untuk menemukan impedansi Thevenin, hubung-singkatkan tegangan fasa (sumber) sehingga didapatkan Zeq. Dari gambar 2.19(a), dengan menggunakan aturan pembagian tegangan diperoleh :

= Magnitud dari tegangan Thevenin

di atas adalah :

……………………………………………. (2.39)

Karena reaktansi magnetisasi Xm >> X1 dan Xm >> R1, maka harga pendekatan magnitud tegangan Thevenin adalah : ……………………………………………………. (2.40)

jX 1

+

jX 1

R1

jX m

V1

-

(a)

R1

jX m

V TH

(b)


jXTH

jX 2'

RTH ''

I2 +

VTH

E1

-

R2 s

'

(c) Gambar 2.19. (a) Tegangan Ekivalen Thevenin Sisi Rangkaian Input, (b) Impedansi Ekivalen Sisi Rangkaian Input, (c) Hasil Rangkaian Ekivalen yang Disederhanakan dari Gambar 2.18. Pada gambar 2.19(b) dapat dilihat bahwa rangkaian input dengan sumber tegangan input ditiadakan, dua impedansi dalam posisi pararel, dan didapatkan impedansi Thevenin sebagai berikut : ………………………………… (2.41)

Karena Xm >> X1, dan (Xm + X1) >> R1, tahanan dan reaktansi Thevenin pendekatan adalah : …………………………………………………………… (2.42) …………………………………………………………… (2.43) Dari hasil rangkaian ekivalen yang diberikan pada gambar 2.19(c), dapat kita peroleh suatu persamaan untuk arus …………………………………………….. (2.44) Magnitud dari arus ini adalah :


………………………………………….. (2.45)

Sehingga dapat diperoleh persamaan daya celah udara

…………………………………… (2.46)

Dengan mensubstitusikan persamaan (2.46) ke dalam persamaan (2.38), maka dapat kita peroleh suatu persamaan untuk torsi induksi ……………………………… (2.47)

Gambar 2.20 memperlihatkan kurva torsi motor induksi sebagai fungsi dari slip.

Gambar 2.20. Kurva Karakteristik Torsi-Slip Motor Induksi

2.9

Desain Motor Induksi Tiga Fasa Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke dalam

empat kelas yakni desain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya dapat dilihat pada Gambar 2.17.


Gambar 2.21. Karakteristik Torsi Kecepatan Motor Induksi pada Berbagai Desain  Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai ratingnya) dan arus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat. Slip < = 5%  Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran. Motor ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A, akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam aplikasi industri. Slip motor ini < =5 %, efisiensi dan faktor dayanya pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin, dan peralatan-peralatan mesin.  Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban-beban seperti konveyor, mesin penghancur (crusher), komperesor,dll. Operasi


dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %  Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi (5 – 13 %), sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya : elevator, crane, dan ekstraktor.


BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA

Recommend Documents