Dampak Perubahan Putaran Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi 3 Phasa Jenis Rotor Sangkar

57

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

Dampak Perubahan Putaran Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi 3 Phasa Jenis Rotor Sangkar Isdiyarto Jurusan Teknik Elektro, Universitas Negeri Semarang [email protected]

Abstrak: Motor listrik adalah suatu alat yang berfungsi untuk merubah tenaga listrik menjadi tenaga mekanik. Motor listrik 3 phasa banyak digunakan, diantaranya pada industri. Penggunaan motor listrik dipilih karena mempunyai sifat mudah dioperasikan dan tidak menimbulkan polusi suara dibanding dengan pengunaan tenaga motor diesel atau motor bakar. Tujuan penelitian ini adalah 1) Untuk mengetahui apakah apakah ada perubahan unjuk kerja motor listrik 3 phasa dengan adanya perubahan teganan dan frekuensi 2) Berapa besar tegangan dan frekuensi yang harus diberikan pada motor induksi 3 phasa agar diperoleh unjuk kerja yang optimal. Hasilnya adalah: (1) Perubahan tegangan sumber dapat menyebabkan perubahan unjuk kerja motor diantaranya; perubahan kecepatan putaran, arus stator dan daya. Tetapi adanya perubahan tegangan menyebabkan kerja motor menjadi terbatas, efisiensi daya menurun dan motor menjadi cepat panas akibat over current, (2) Perubahan frekuensi sumber juga dapat menyebabkan perubahan unjuk kerja motor, tetapi perubahan frekuensi dengan tegangan dibuat konstan menyebabkan fluks magnet tidak stabil yang berakibat kerja motor tidak stabil serta efisiensi dayanya menurun. Untuk menjaga kestabilan fluks perubahan frekuensi harus diikuti dengan perubahan tegangan, (3) Unjuk kerja motor yang paling optimal pada penelitian ini diperoleh pada tegangan sumber 350 volt dan frekuensi sumber 50 Hz. Kata Kunci: motor induksi, putaran, unjuk kerja

1. Pendahuluan Motor induksi umumnya berputar dengan kecepatan konstan atau mendekati kecepatan sinkronnya. Karena kecepatannya yang konstan, motor induksi banyak dipakai untuk beban yang tetap seperti pada eskalator, ban berjalan pada industri, mesin bubut, mesin bor, mesin penggilingan semen dan sebagainya. Sekarang berkembang penggunaan motor induksi untuk penggunaan beban yang mempunyai putaran tidak tetap seperti pada KRL, maupun untuk keperluan lainnya yang membutuhkan variasi putaran. Untuk keperluan tersebut motor induksi perlu diatur kecepatannya, serta perlu dicari unjuk kerja terbaik pada berbagai cara pengaturan kecepatan. Kecepatan motor induksi dapat diubah dengan beberapa cara, yaitu; (1) merubah banyaknya kutub, (2) mengubah frekuensi jala-jala, (3) mengubah tegangan jala-jala, dan (4) mengubah tahanan luar (Fitzgerald,1990).

Perubahan tegangan jala-jala sangat berpengaruh terhadap torsi, karena torsi merupakan fungsi tegangan. Torsi yang dihasilkan suatu motor induksi besarnya sebanding dengan pangkat dua tegangan yang diberikan pada terminal-terminal primernya (Fitzgerald, 1990). Pengaturan kecepatan dengan merubah tegangan memiliki daerah yang luas, dari tegangan minimal sampai tegangan maksimal. Pengaturan kecepatan dengan mengatur tegangan dan frekuensi mempunyai daerah pengaturan yang lebih luas jika dibandingkan dengan mengatur tahanan luar atau mengubah jumlah kutub.

2. Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah: 1) Untuk mengetahui apakah ada perubahan unjuk kerja motor listrik 3 phasa dengan adanya perubahan putaran 2) Menentukan berapa besar tegangan dan frekuensi yang diberikan sehingga

58

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

diperoleh unjuk kerja motor induksi tiga phasa yang optimal.

3. Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat adanya penjelasan yang mendukung kajian teori teknologi tentang energi listrik, dalam hal ini adanya penjelasan tentang dampak akibat perubahan putaran terhadap unjuk kerja motor induksi tiga phasa. Unjuk kerja motor dilihat dari aspek pengukuran kecepatan putaran, arus dan dayanya.

4. Kajian Pustaka Motor induksi merupakan motor arus bolakbalik (AC) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator (Zuhal, 1991). Menurut Fitzgerald (1990) motor induksi merupakan suatu motor yang dicatu oleh arus bolak-balik pada statornya secara langsung dan pada rotornya dengan imbas atau induksi dari stator. Melihat dua pernyataan tersebut dapat dikatakan bahwa motor induksi adalah motor arus bolak-balik dimana statornya dicatu langsung dari sumber tegangan bolak-balik dan arus rotornya merupakan imbas atau induksi dari statornya. Imbas tersebut sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar. Oleh karena itu motor AC dikenal dengan sebutan motor induksi. Sedangkan yang dimaksud dengan motor induksi tiga phasa adalah motor induksi yang pada belitan statornya dicatu dengan sumber tegangan tiga phasa yang masing-masing fasa memilki beda phasa sebesar 120°.

4.1. Hubungan Antara Kecepatan, Tegangan, dan Frekuensi Terhadap Torsi 4.1.1. Hubungan kecepatan dengan torsi Bardasarkan rumus Pm = ω . T jika daya mekanik (Pm) dianggap konstan maka besarnya torsi tergantung dari kecepatan sudut (ω).

ω = 2π .

nr 60

Jika putaran rotor dipercepat, maka torsi yang dihasilkan kecil, sedangkan jika torsinya besar maka kecepatannya lambat. Gambar 1 menggambarkan hubungan antara kecepatan dengan torsi. Pada beban penuh motor berputar pada kecepatan Nn. Pada saat beban mekanik meningkat, kecepatan motor menurun sampai torsi maksimum sama dengan torsi beban. Bila torsi beban melebihi Tm, maka motor akan berhenti.

Gambar 1. kurva kecepatan terhadap torsi 4.1.2. Hubungan tegangan dengan torsi Besarnya torsi suatu motor induksi tergantung pada tegangan dan frekuensi yang diberikan ke stator. Bila f dibuat tetap maka T ≈ V2.

Gambar 2. Kurva tegangan terhadap torsi

59

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

4.1.3. Hubungan frekuensi dengan torsi Kecepatan sinkron motor induksi tergantng pada frekuensi input. Untuk menjaga agar konstan, maka tegangan dan frekuensi input tervariasi sama dan sebanding. Jika frekuensi dibuat dua kali, maka frekuensi juga dibuat dua kali. Jika frekuensi dan tegangan input dinaikkan, maka kecepatan putar motor akan semakin cepat.

4.2.3. Mengatur Tegangan Sumber (Line Voltage Control) Besarnya kopel motor induksi tiga phasa dirumuskan;

T =

3

ω

(V1 )

Sa 2 R 2

2

(a

2

R2

)

2

+ (a 2 X 2 ) 2

Persamaan kopel motor induksi tiga phasa menjelaskan bahwa kopel sebanding dengan pangkat dua tegangan yang diberikan. Pada beban tertentu dengan menganggap besarnya tahanan rotor dan reaktansi rotor konstan serta slip yang kecil, dengan merubah nilai tegangan input maka akan terjadi perubahan kecepatan. Pengaturan putaran motor induksi tiga phasa dengan cara mengatur tegangan sumber mempunyai daerah kerja yang lebih luas.

Gambar 3. Kurva frekuensi terhadap torsi (Schneider Electric, 2004)

4.2. Pengaturan Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Pengaturan kecepatan motor induksi dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu; mengubah jumlah kutub, mengubah frekuensi input, mengatur tegangan input, serta pengaturan tahanan luar. 4.2.1. Mengubah Jumlah Changing Motor) Mengingat maka

ns =

Kutub 120 f 1 p

(Pole

bahwa

Gambar 4. Karakteristik pengaturan tegangan 4.2.4. Pengaturan Tahanan Luar Kecepatan putar motor induksi tiga phasa dapat dirubah dengan menambahkan tahanan luar . Dengan mengatur tahanan luar akan terjadi perubahan kecepatan. Pengaturan tahanan luar hanya dapat dilakukan untuk motor induksi jenis rotor lilit.

perubahan jumlah kutub (P) dan frekuensi (f) akan mempengaruhi putaran.

5. Metode Penelitian 4.2.2. Pengaturan Frekuensi Sumber (Line Frequency Control) Kecepatan putaran motor induksi tiga fasa dapat diatur dengan merubah frekuensi sumber, karena medan putar stator merupakan fungsi frekuensi. . Dari persamaan medan putar dapat dianalisis bahwa apabila nilai fekuensi f berubah, maka akan mempengaruhi perubahan harga medan putar stator (ns).

Populasi dalam penelitian ini adalah motor induksi tiga phasa berdaya kecil sebesar 2 HP (horse power). Sedangkan sampelnya adalah motor induksi tiga phasa jenis rotor sangkar dengan spesifikaasi sebagai berikut: 1,5 KW, 2 HP, ∆ / Υ, 220 / 380 V, 6 / 3,4 A, 50 Hz, 2840 r/min

60

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

Cara Pengumpulan Data

6. Hasil dan Pembahasan

Cara pengumpulan data pada penelitian ini adalah dengan metode eksperimen. Dalam penelitian ini data yang akan diambil berupa data kecepatan putaran motor, arus, tegangan, frekuensi dan daya. Data tersebut diperoleh dari pengaturan kecepatan motor dengan mengatur tegangan dan frekuensi. Sebagai bebannya, motor dikopel dengan generator AC satu phasa yang dibebani dengan lampu.

6.1. Hasil Penelitian Data penelitian diperoleh dari hasil pengukuran dan analisis sesuai dengan rancangan yang telah dikemukakan di atas. Data yang diambil berupa kecepatan putaran, arus stator, dan daya. Data pengukuran dapat dilihat pada tabel 1 sampai dengan tabel 4.

Pengaturan Tegangan Tabel 1. Perubahan tegangan terhadap kecepatan putaran Tegangan Frekuensi Kecepatan Putaran Rotor (RPM) Tanpa Berbeban (Watt) (Volt) (Hz) Beban 100 200 300 400 500 350 50 2990 2930 2920 2915 2890 2885 300 50 2990 2915 2905 2875 2845 2820 250 50 2985 2895 2865 2840 2770 2685 200 50 2980 2820 2785 2755 2705 2675 150 50 2970 2690 2550 2450 2295 2005

Tabel 2. Perubahan tegangan terhadap efisiensi daya Tegangan Frekuensi Efisiensi Daya % Pada beban Watt (Volt) (Hz) 100 200 300 400 500 350 50 49.60 53.53 54.66 72.79 75.01 300 50 57.58 61.33 65.71 71.13 73.11 250 50 57.90 63.67 67.62 76.18 75.58 200 50 67.68 71.17 73.47 78.90 79.26 150 50 71.73 71.29 70.63 76.50 66.83

600 2880 2815 2650 2600 1840

600 76.08 75.07 75.97 78.33 61.33

Pengaturan Frekuensi Tabel 3. Perubahan frekuensi terhadap kecepatan putaran Frekuensi Tegangan Kecepatan Putaran Rotor (RPM) Tanpa Berbeban (Watt) (Hz) (Volt) Beban 60 100 150 200 250 35 150 2050 1935 1905 1875 1850 1800 40 150 2380 2225 2200 2175 2155 2125 45 150 2675 2550 2510 2480 2450 2410 50 150 2950 2760 2720 2680 2640 2585 55 150 3250 2900 2825 2750 2675 2500

300 1785 2085 2375 2350 2300

61

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

Tabel 4. Perubahan frekuensi terhadap efisiensi daya Efisiensi Daya % Frekuensi Tegangan Pada beban Watt (Hz) (V) 60 100 150 200 250 35 150 63.79 68.04 69.44 66.07 65.78 40 150 61.81 68.75 69.05 70.27 70.47 45 150 64.93 70.83 72.72 73.29 73.32 50 150 69.00 72.53 73.38 74.46 73.31 55 150 70.00 71.79 70.00 79.17 73.33

300 66.52 70.17 73.30 67.45 66.67

K ecepatan P utaran (R P M )

3500

V = 350 volt

3000 2500

V = 300 volt

2000

V = 250 volt

1500

V = 200 volt

1000

V = 150 volt 500 0 0

100

200

300

400

500

600

700

Beban lampu (Watt)

Gambar 5. Grafik hubungan kecepatan putaran terhadap beban untuk beberapa variasi tegangan

6.2. Pembahasan 6.2.1. Perubahan Tegangan Terhadap Kecepatan Berdasarkan data yang ada serta grafik hubungan antara kecepatan putaran terhadap beban untuk beberapa variasi tegangan terlihat bahwa semakin besar beban kecepatan putaran motor semakin menurun Adanya perubahan tegangan juga mengakibat-kan terjadinya perubahan kecepatan putaran motor. Misalnya pada tegangan 350 volt terjadi penurunan kecepatan putaran sebesar 0,57 %. Tegangan sebesar 300 volt, rata-rata penurunan kecepatan putaran sebesar 2,33 %. Terjadi penurunan keceparan putaran sebesar 5,39 % pada tegangan sumber sebesar 250 volt. Tegangan sumber sebesar 200 volt terjadi penurunan kecepatan putaran sebesar 7,12 % dan pada tegangan sumber sebesar 150 volt terjadi rata-rata penurunan kecepatan putaran sebesar 20,56 %. Dari data tersebut dapat dilihat

adanya perbuahan putaran jika tegangan sumber diubah. Efisiensi daya dihitung dengan cara membandingkan antara daya output dengan daya input. Gambar di bawah menggambarkan hubungan antara efisiensi daya terhadap beban untuk beberapa variasi tegangan. Dari gambar tersebut terlihat bahwa semakin besar beban, efisiensi daya cenderung naik tetapi pada saat mendekati over load (beban penuh) efisiensi daya menurun. Grafik tersebut juga menggambarkan bahwa adanya perubahan tegangan mengakibatkan terjadinya perubahan efisiensi daya. Penurunan tegangan mengakibatkan efisiensi daya menurun. Hal ini disebabkan karena adanya penurunan tegangan mengakibatkan penurunan daya motor sehingga kerja motor menjadi terbatas.

62

E fisiensi (% )

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

90.00 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00

V = 350 V V = 300 V V = 250 V V = 200 V V = 150 V

0

100

200

300

400

500

600

700

Beban Lampu (Watt)

Gambar 6. Grafik hubungan efisiensi daya terhadap beban untuk beberapa variasi tegangan

6.2.2. Perubahan Frekuensi Terhadap Kecepatan Putaran Motor Berdasarkan data yang diperoleh dari penelitian serta grafik hubungan antara kecepatan putaran terhadap beban untuk beberapa variasi frekuensi terlihat bahwa dengan merubah frekuensi akan terjadi perubahan kecepatan putaran. Jika frekuensi kerja motor sebagai acuan (f = 50 Hz) maka pada frekuensi 35 hertz terjadi rata-rata penurunan kecepatan putaran sebesar 29,94 %. Frekuensi sumber sebesar 40 hertz, rata-rata penurunan kecepatan putaran sebesar 18,51 %. Frekuensi sebesar 45 hertz, kecepatan putaran mengalami penurunan sebesar 7,15 %. Frekuensi sumber sebesar 55 hertz terjadi kenaikan kecepatan putaran sebesar 3,22 % dan pada frekuensi 60 hertz kecepatan putaran motor justru mengalami penurunan sebesa 45,01 Untuk menjaga kestabilan fluks adanya perubahan frekuensi juga harus dikuti dengan perubahan tegangan. Jika frekuensi naik dua kali maka tegangan juga harus naik dua kali. Berdasarkan data hasil penelitian dan grafik hubungan efisiensi daya terhadap beban untuk beberapa variasi frekuensi terlihat bahwa efisiensi daya pada frekuensi 35 Hz sampai 55 Hz cenderung stabil.

Dari hasil analisis data dan grafik hubungan perubahan tegangan dan frekuensi terhadap unjuk kerja motor terlihat bahwa kecepatan putaran motor dapat diatur dengan merubah tegangan sumber dan frekuensi sumber, tetapi perubahan tersebut sangat berpengaruh terhadap unjuk kerja motor. Dengan menurunkan tegangan dibawah tegangan kerja, kerja motor menjadi terbatas, efisiensi dayanya menurun, dan motor menjadi cepat panas akibat over current. Pengaturan dengan merubah frekuensi sumber menghasilkan daerah pengaturan yang lebih lebar, tetapi perubahan frekuensi dengan tegangan dibuat konstan mengakibatkan fluks magnetik tidak stabil. Ketidak stabilan fluks magnetik mengakibatkan kerja motor menurun, efisiensi daya menurun dan over current. Untuk menghasilkan kestabilan fluks, maka perubahan frekuensi harus diikuti perubahan tegangan. Unjuk kerja motor yang paling optimal pada penelitian ini diperoleh pada tegangan sumber 350 volt dan frekuensi sumber 50 Hz.

63

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

3500 Putaran Rotor (RPM)

3000 f = 35 Hz

2500

f = 40 Hz 2000 f = 45 Hz 1500

f = 50 Hz

1000

f = 55 Hz

500 0 0

50

100

150

200

250

300

350

Beban (Watt)

Gambar 7. Grafik hubungan antara kecepatan putaran motor terhadap beban untuk beberapa veriasi frekuensi sumber

E fisiensi (% )

Hubungan Efisiensi Terhadap Beban 80.00 70.00 60.00 50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00

f = 35 Hz f = 40 Hz f = 45 Hz f = 50 Hz f = 55 Hz

60

100

150

200

250

300

Beban Lampu (Watt)

Gambar 8. Grafik hubungan efisiensi daya terhadap beban untuk beberapa variasi frekuensi sumber

7. Simpulan dan Saran 7.1. Simpulan Berdasarkan data hasil penelitian dan analisis data yang telah dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut: 1) Perubahan tegangan sumber dapat menyebabkan perubahan unjuk kerja motor diantaranya; perubahan kecepatan putaran, arus stator dan daya. Tetapi adanya perubahan tegangan menyebabkan kerja motor menjadi terbatas, efisiensi daya menurun dan motor menjadi cepat panas akibat over current. 2) Perubahan frekuensi sumber juga dapat menyebabkan perubahan unjuk

kerja motor, tetapi perubahan frekuensi dengan tegangan dibuat konstan menyebabkan fluks magnet tidak stabil yang berakibat kerja motor tidak stabil serta efisiensi dayanya menurun. Untuk menjaga kestabilan fluks perubahan frekuensi harus diikuti dengan perubahan tegangan. 3) Unjuk kerja motor yang paling optimal pada penelitian ini diperoleh pada tegangan sumber 350 volt dan frekuensi sumber 50 Hz

7.2. Saran Bagi pemakai, hendaknya motor induksi difungsikan dengan kecepatan putaran

64

konstan/tetap serta frekuensi kerjanya spesifikasinya.

Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010

tegangan dan sesuai dengan

Daftar Pustaka Abdul Kadir.1984. Mesin tak serempak. Bandung: Djambatan, Fitzgerald A.E, Jr. Charles Kingsley and Stepen D Umans. 1997. Mesin-Mesin Listrik Terjemahan Edisi Keempat. Jakarta: PT.Gelora Aksara Pratama. Lister.1993. Mesin dan rangkaian listrik. Alih bahasa Hanapi Gunawan. Jakarta: Erlangga. Marappung, Muslimin. 1979. Teori soal penyelesaian teknik tenaga listrik. Bandung: Armico. Rijono Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga Listrik. Yogyakarta: Andi Offset. Schneider Electric.2004. Bahan pelatihan. Jakarta: Schneider Electric Sugiyono. 1997. Statistika untuk penelitian. Bandung: Alfabet. Theraja, B.L. 1977. A text book of technology. New Delhi: S. Chand & Co. LTD., Zuhal. 1991. Dasar tenaga listrik. Bandung: Penerbit ITB.