BAB III PENDAHULUAN 3.1. LATAR BELAKANG

Transkripsi

1 20 BAB III PENDAHULUAN 3.1. LATAR BELAKANG Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (AC) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari baik di industri maupun di rumah tangga. Hal ini disebabkan karena motor induksi memiliki berbagai keunggulan dibanding dengan motor listrik yang lain, yaitu diantaranya karena harganya yang relatif murah, konstruksinya yang sederhana dan kuat serta karakteristik kerja yang baik. Motor induksi yang umum dipakai adalah motor induksi 3-fase dan motor induksi 1-fase. Motor induksi 3-fase dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri dengan kapasitas yang besar. Motor induksi 1-fase dioperasikan pada sistem tenaga 1-fase dan banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya karena motor induksi 1-fase mempunyai daya keluaran yang rendah TUJUAN Tujuan dalam penulisan makalah ini yaitu : 1. Mengerti dan memahami konsep untuk analisis motor induksi 3 fasa. 2. Dapat memahami tentang aplikasi motor induksi 3 fasa di dalam dunia industi. 3. Dapat memahami prinsip kerja dan kontruksi dari motor listrik 3 fasa dalam hal Vibratin, Balancing and Noice

2 PENGENALAN MOTOR INDUKSI 3 FASA Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. Motor induksi 3-fase dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri dengan kapasitas yang besar. Bentuk gambaran motor induksi 3 fasa diperlihatkan pada gambar 3.1., dan contoh penerapan motor induksi ini di industri diperlihatkan pada gambar 3.2. Gambar 3.1 Elektrik motor CMG series Ex-e (Sumber: Dokumentasi Pribadi) Gambar 3.2 Bagian-bian motor 3 phasa

3 22 Gambar 3.3 Motor High Tention Gambar 3.4 Aplikasi motor elektik dan gearbox (Sumber: Dokumentasi Pribadi) Data-data motor induksi mengenai daya, tegangan dan data lain yang berhubungan dengan kerja motor induksi dibuatkan pada plat nama (name plate) motor induksi.

4 23 Contoh data yang ditampilkan pada plat nama motor induksi ini diperlihatkan pada gambar 2.3 Gambar 3.5 Contoh nameplate motor Motor induksi 3 phase memiliki keunggulan diantaranya handal, tidak ada kontak antara stator dan rotor kecuali bearing, tenaga yang besar, daya listrik rendah dan hampir tidak ada perawatan. Akan tetapi motor induksi 3 phase memiliki kelemahan pada pengontrolan kecepatan. Kecepatan putar motor induksi bergantung pada frekuensi input, sedangkan sumber listrik memiliki frekuensi konstan. Untuk mengubah frekuensi input lebih sulit daripada mengatur tegangan input. Dengan ditemukannya teknologi inverter maka hal tersebut menjadi lebih mudah dan mungkin dilakukan. Dalam beberapa tahun yang lalu F. Blaschke telah mempublikasikan mengenai field oriented control (FOC) untuk motor induksi. Teori ini telah lengkap dikembangkan dan banyak digunakan dalam proses industri. Kemudian teknik baru telah dikembangkan yaitu teknik kontrol torsi dari motor induksi oleh I. Takahashi yang dikenal dengan Direct Torque Control (DTC). Dengan DTC dimungkinkan mengontrol torsi dengan performi yang baik tanpa menggunakan tranduser mekanik pada poros motor, sehingga DTC dapat dikatakan sebagai teknik kontrol type sensorless. Dengan menggunakan

5 24 sensor putaran rotor motor akan mengakibatkan stabilitas yang rendah dan ada noise, sehingga dalam pengemudian motor induksi dengan pemakaian khusus menggunakan sensor mekanik akan menyulitkan. Untuk mengontrol kecepatan motor induksi 3 phase menggunakan metode Direct Torque Control memiliki beberapa kelebihan diantaranya adalah : 1. Tidak membutuhkan transformasi koordinat. 2. Tidak membutuhkan pembangkit pulsa PWM. 3. Tidak membutuhkan regulator arus. 4. Kurang bergantung pada parameter mesin. Metode Direct Torque Control merupakan tipe kontrol close loop. Kontrol close loop umum digunakan di dalam pengaturan kecepatan motor induksi karena memberikan respon kecepatan yang lebih baik dari pada open loop. Kontrol close loop disebut juga kontrol umpan balik yang menjadikan output sebagai perbandingan dengan input (referensi) untuk memperoleh suatu error. Didalam suatu sistem yang handal, adanya error merupakan suatu kerugian. Oleh karena itu, digunakan control PI yang diharapkan dapat menekan error sampai nilai minimal. Namun hal ini membutuhkan perhitungan matematik yang rumit dan komplek dalam menentukan Kp dan Ki yang sesuai, agar diperoleh kinerja motor yang bagus DIRECT TORQUE CONTROL (DTC) Direct Torque Control (DTC) adalah kontrol berdasarkan fluks stator dalam kerangka seferensi stator menggunakan kontrol langsung dari switching inverter. Ide dasar dari DTC adalah perubahan torsi sebanding dengan slip antara fluk stator dan fluk rotor pada kondisi fluk bocor stator tetap. Hal ini banyak dikenali untuk pengaturan torsi dan fluk cepat dan robust. Pada motor induksi dengan rotor sangkar untuk waktu tetap rotor menjadi sangat besar, fluk bocor rotor berubah perlahan dibanding dengan perubahan fluk bocor stator. Oleh karena itu, pada keadaan perubahan yang cepat fluk rotor cenderung tidak berubah. Perubahan cepat dari torsi elektromagnetik dapat dihasilkan dari putaran fluk stator, sebagai arah torsi. Dengan kata lain fluk stator dapat seketika mempercepat

6 25 atau memperlambat dengan menggunakan vektor tegangan stator yang sesuai. Torsi dan fluk kontrol bersama-sama dan decouple dicapai dengan pengaturan langsung dari tegangan stator, dari error respon torsi dan fluk. DTC biasanya digunakan sesuai vektor tegangan dalam hal ini untuk memelihara torsi dan fluk stator dengan dua daerah histerisis, yang menghasilkan perilaku bang bang dan variasi prosedur frekuensi pensaklaran dan ripple fluk, torsi dan arus yang penting KONTROL PI (PROPORSIONAL INTEGRAL) Kontrol PI merupakan salah satu jenis pengatur yang banyak digunakan pada kontrol loop tertutup. Selain itu sistem ini mudah digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain seperti Fuzzy dan Robust, Sehingga akan menjadi suatu sistem pengatur yang semakin baik. Kontrol PI terdiri dari 2 jenis cara pengaturan yang saling dikombinasikan, yaitu Kontrol P (Proportional) dan Kontrol I (Integral). Masing-masing memiliki parameter tertentu yang harus diset untuk dapat beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing KEUNTUNGAN PENGGUNAAN MOTOR INDUKSI 3 FASA Beberapa keuntungan dalam penggunaan motor induksi 3 fasa adalah : 1. Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila motor dengan rotor sangkar. 2. Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi. 3. Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan kecil. 4. Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan motor hampir tidak diperlukan KERUGIAN PENGGUNAAN MOTOR INDUKSI 3 FASA Beberapa kerugian dalam penggunaan motor induksi 3 fasa adalah : 1. Kecepatan tidak mudah dikontrol 2. Power faktor rendah pada beban ringan 3. Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal

7 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI 3 FASA Berikut adalah beberapa perinsip kerja dari motor induksi 3 fasa : Bila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, maka pada kumparan stator akan timbul medan putar dengan kecepatan, ns = 120f/P, ns = kecepatan sinkron, f = frekuensi sumber, p = jumlah kutup Medan putar stator akan memotong konduktor yang terdapat pada sisi rotor, akibatnya pada kumparan rotor akan timbul tegangan induksi ( ggl ) sebesar E2s = 44,4fnØ. Keterangan : E = tegangan induksi ggl, f = frekkuensi, N = banyak lilitan, Q = fluks Karena kumparan rotor merupakan kumparan rangkaian tertutup, maka tegangan induksi akan menghasilkan arus ( I ). Adanya arus dalam medan magnet akan menimbulkan gaya ( F ) pada rotor. Bila torsi awal yang dihasilkan oleh gaya F pada rotor cukup besar untuk memikul torsi beban, maka rotor akan berputar searah dengan arah medan putar stator. Untuk membangkitkan tegangan induksi E2s agar tetap ada, maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan putar rotor (nr). Perbedaan antara kecepatan nr dengan ns disebut dengan slip ( S ) yang dinyatakan dengan Persamaan S = ns-nr/ns (100%) Jika ns = nr tegangan akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada rotor, dengan demikian tidak ada torsi yang dapat dihasilkan. Torsi suatu motor akan timbul apabila ns > nr. Dilihat dari cara kerjanya motor tiga phasa disebut juga dengan motor tak serempak atau asinkron KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI 3 FASA Sebagaimana mesin pada umumnya menunjukkan bahwa motor induksi juga memiliki konstruksi yang sama baik motor DC maupun AC. Konstruksi dimaksud terdiri dari 2

8 27 bagian utama yaitu stator dan rotor. Secara lengkap dan detail dari kedua konstruksi dapat dilihat pada gambar berikut : Gambar 3.6 bagian-bagian elektrik motor Stator Stator pada motor induksi adalah sama dengan yang dimiliki oleh motor sinkron dan generator sinkron. Konstruksi stator terbuat dari laminasi-laminasi dari bahan besi silikon dengan ketebalan (4 s/d 5) mm dengan dibuat alur sebagai tempat meletakan belitan/kumparan, secara detail ditunjukan pada gambar berikut.

9 28 Gambar 3.7 Stator Motor CMG (Sumber: Dokumentasi Pribadi) Dalam alur-alur stator diletakkan belitan stator yang posisinya saling berbeda satu dengan lainnya, sesuai dengan fase derajat listrik yaitu 120 antar fase (motor 3 fase). Jumlah gulungan pada stator dibuat sesuai dengan jumlah kutub dan jumlah putaran yang diinginkan atau ditentukan. Khusus untuk Stator pada motor-motor listrik dengan ukuran kecil dibentuk dalam potongan utuh. Sedangkan untuk motor-motor dengan ukuran besar adalah tersusun dari sejumlah besar segmen-segmen laminasi Rotor Ini adalah bagian yang berputar dari motor. Seperti dengan stator atas, rotor terdiri dari satu set laminasi baja beralur ditekan bersama dalam bentuk jalur magnetik silinder dan sirkuit listrik. Rangkaian listrik dari rotor dapat berupa :

10 29 Menurut jenis rotor pada motor induksi dibagi menjadi 2 (dua) bagian, yaitu: a. Rotor Sangkar Tupai (Squirrel Cage Rotor) Rotor yang terdiri dari sejumlah lilitan yang berbentuk Batang tembaga yang dihubungkan singkat pada setiap ujungnya kemudian disatukan (di cor) menjadi satu kesatuan sebagaimana gambar 3.8 Gambar 3.8 Rotor Motor Jenis rotor sangkar tupai, yang terdiri dari satu set tembaga atau potongan aluminium yang dipasang ke dalam slot, yang terhubung ke sebuah akhir-cincin pada setiap akhir rotor. Konstruksi gulungan rotor ini menyerupai 'kandang tupai'. Potongan aluminium rotor biasanya dicor mati ke dalam slot rotor, yang membuat konstruksinya sangat kasar. Meskipun potongan rotor aluminium berada dalam kontak langsung dengan laminasi baja, hampir semua arus rotor melalui jeruji aluminium dan tidak di laminasi. Sejumlah motor induksi yang beredar dipasaran maupun yang banyak digunakan sekitar 90% adalah motor induksi dengan Rotor Sangkar. Alasan umum yang diperoleh adalah karena konstruksi yang sederhana dan juga lebih murah harganya. Konstruksi rotor sebagaimana gambar 3.9. berikut ini, menunjukkan konstruksi batang-batang konduktor dari bahan tembaga atau alumunium yang dihubungkan singkat.

11 30 Gambar 3.9 Contoh Rotor dan Stator (Sumber: Dokumentasi Pribadi) Sejumlah batang-batang konduktor tersebut dimasukkan ke dalam laminasilaminasi yang terbuat dari bahan besi silikon serta menjadi satu dengan poros rotor. Sebagaimana konstruksi tersebut di atas terutama batang-batang konduktor yang terhubung singkat, maka tidak dimungkinkan untuk menambah Tahanan Luar (yang dipasang secara seri) dengan rotor guna keperluan Pengasutan. Selain itu pula posisi dari batang-batang konduktor/tembaga posisinya dibuat tidak paralel (tidak segaris) dengan poros rotor. Posisi batang konduktor agak dimiringkan sebagaimana terlihat pada gambar di atas. Alasan diletakan posisi miring dari konduktor terhadap poros adalah : 1. Memperhalus suara pada saat motor berputar (memperkecil dengungan magnetis/suara bising) 2. Menghilangkan kecenderungan Lock atau mengunci yang disebabkan karena interaksi langsung antara medan magnit stator dan rotor.

12 31 Pada motor-motor dengan kapasitas kecil, batang-batang konduktor di cor menjadi satu bagian dengan alumunium alloy. Selain itu pula contoh lainnya adalah ada juga yang rotornya hanya berupa besi masip tanpa satupun konduktor. Jenis seperti ini biasanya disebut sebagai Motor Arus Eddy. b. Rotor Belitan (Wound Rotor) Rotor yang terbuat dari laminasi-laminasi besi dengan alur-alur sebagai tempat meletakkan belitan (kumparan) dengan ujung-ujung belitan yang juga terhubung singkat seperti gambar 2.8 Gambar 3.10 Contoh Belitan Motor (Sumber: Dokumentasi Pribadi) Motor dengan jenis rotor belitan biasanya diperlukan pada saat pengasutan atau pengaturan kecepatan dimana dikehendaki torsi asut yang tinggi.

13 32 Gambar 3.11 Slip Ring Motor Belitan-belitan yang terpasang pada rotor telah diisolasi sebagaimana belitan yang terdapat pada stator. Belitan yang ada pada rotor diletakkan juga pada alur-alur rotor dan pada setiap ujungnya dihubungkan secara langsung pada cincin (slipring) yang posisinya dibagian depan dari rotor serta menjadi satu dengan poros (gambar 3.11.). Belitan rotor ini di desain sama dengan kutub yang dimiliki belitan statornya dan selalu dalam bentuk belitan 3 fasa sekalipun statornya hanya 2 fasa. Pengaturan belitan/gulungan/kumparan dilakukan untuk masing-masing fase adalah sama. Sedangkan pada ujung-ujung dari masing kumparan/fase yang keluar dihubungkan ke 3 buah cincin (slipring) berdasarkan jumlah fasenya. Konstruksi slip ring terhubung secara langsung dengan masing-masing sikat. Dengan demikian, maka pada jenis ini dapat dihungkan secara langsung ke Tahanan luar guna keperluan pengasutan. Pada gambar 3.12 dan 3.13 di bawah ini menunjukkan detail dari konstruksi motor induksi dengan rotor sangkar dan rotor belitan termasuk bagian-bagiannya.

14 33 Gambar 3.12 Detail Kontruksi Motor Gambar 3.13 Detail Konstruksi Motor

15 Parts lainnya Bagian lain, yang dibutuhkan untuk melengkapi motor induksi adalah: Dua flensa di ujung untuk mendukung dua bantalan, satu di drive-end (DE) dan yang lainnya di non drive-end (NDE) Dua bantalan untuk mendukung berputarnya poros, pada DE dan NDE Poros baja untuk transmisi torsi ke beban Kipas pendingin yang terletak di NDE untuk memberi pendinginan yang kuat untuk stator dan rotor Kotak terminal di atas atau kedua sisi untuk menerima sambungan listrik eksternal Gambar 3.14 Parts Dasar Elektrik motor