Mesin Arus Bolak Balik

Transkripsi

1 1 Mesin Arus Bolak balik TE Institut Teknologi Sepuluh Nopember August, 01

2 ACARA PERKULIAHAN DAN KOMPETENSI Pertemuan ke- Kompetensi Dasar Memahami Motor Induksi Materi Pokok Indikator keberhasilan Prosentase materi 1. Fitur mesin induksi tiga fasa. Sistem kemagnitan dalam m.i. tiga fasa 3. medan putar 4. tegangan induksi pada kumparan stator dan rotor 5. rangkaian ekivalen 6. penentuan parameter 7. aliran daya dalam m.i. 8. pembentukan torka 9. dinamika sistem 10. m.i. tipe sangkar 11. pengaturan arus dan torka mula dalam motor sangkar 1. torka parasit 1. Menjelaskan prinsip kerja motor induksi.. Menjelaskan rangkaian ekivalen motor induksi. 3. Menjelaskan daya dan torsi. 4. Menjelaskan macammacam motor induksi. 5. Menjelaskan prinsip kerja genera-tor induksi 6. Menjelaskan pengaturan putaran. 8%

3 Motor Induksi Fakta umum mengenai motor Induksi Motor Induksi tiga phasa Motor induksi dapat digunakan sebagai motor dan generator. Namun umumnya digunakan sebagai motor. Mesin ini adalah salah satu pilar utama di industri Umumnya yang digunakan di industri adalah tipe rotor sangkar. Baik mesin yang tiga phasa ataupun satu phasa sangat umum digunakan. Generator induksi sangat jarang digunakan. Umumnya diaplikasikan pada pembangkit listrik tenaga angin.

4 Motor Induksi Kontruksi stator Inti besi berlaminasi dengan slot Koil ditempatkan pada slot yang ada untuk membentuk kumparan satu atau tiga phasa. Kontruksi rotor sangkar bajing. Inti besi berlaminasi dengan slot. Batang konduktor disambungkan terpasang dalam slot Dua cincin menghubung singkatkan batang konduktor Batang konduktor dipilin sedikit untuk mengurangi noise.

5 Kontruksi Stator mempunyai inti besi berlaminasi berbentuk cincin dengan slot Kumparan tiga atau satu phasa ditempatkan pada slot Rotor mempunyai inti besi berlaminasi yang berbentuk cincin, dengan slot digabungkan dengan poros/shaft. Rotor sangkar bajing: Batang konduktor ditempatkan dalam slot dan dihubungsingkatkan pada kedua sisi (paling banyak digunakan). Konsep motor sangkar bajing Bars Squirrel cage Rotor Phase B Phase A Stator with laminated iron-core C - A + C + B + B - A - Ring to short circuit the bars Phase C Slots with winding

6 Kontruksi Konsep motor rotor belit Rotor-belit: Belitan tiga phasa ditempatkan pada slot. Kumparan dikoneksikan wye atau delta. Ujung tiap phasa dihubungkan dengan cincin geser atau slip ring. Tiga sikat/brushes terhubung dengan tiga cincin geser/slip-rings. Belitan rotor mungkin di bebani dengan resistor variable atau disuplay dengan sumber tegangan terpisah. Three phase winding Slip rings Phase B Phase A Stator with laminated iron-core C - A + C + B + B - Laminated core with slots A - Phase C Slots with winding Shaft

7 Kontruksi stator Gambar disamping menunjukkan bentuk umum inti stator Inti besi betuk cincin yang berlaminasi disatukan/bolted dengan frame motor. Koil ditempatkan dalam slot. The slots are closed by a wedge. Ujung koil dibentuk kompak melekat pada inti besi dan diikat bersama dengan pengikat. Koil motor tegangan tinggi diisolasi dengan metode dried and impregnated. Kontruksi inti besi stator

8 Kontruksi stator Gambar disamping menunjukan bentuk umum kontruksi koil stator. Koil digulung dan dibentuk menggunakan konduktor tembaga yang berisolasi. Koil juga diisolasi menggunakan insulating tape. Koil yang sudah di isolasi ditempatkan pada slot stator. Dua sisi koil mempunyai beda sudut listrik sekitar 180 o. Kontriksi belitan stator Tape-wound coil insulation coil end coil sides Tape-wound coil insulation coil end coil leads

9 Rotor sangkat bajing Kontruksi rotor Gambar disamping menunjukkan bentuk rotor untuk motor kecil dan besar. Kedua rotor mempunyai inti berlaminasi dengan slot, yang digabungkan dengan shaft. Bar aluminium sedikit dimiringkan/dipilin pada rotor kecil. Hal ini mengurangi kebisingan dan meningkatkan kinerja. Sirip ditempatkan pada cincin untuk menghubung singkatkan batang rotor. Sirip bekerja sebagai kipas dan untuk meningkatkan pendinginan. Rotor besar juga memiliki sirip dan bar. Tapi bar tidak miring.

10 Rotor-Gulung (Wound-rotor) Gambar disamping menunjukkan sebuah rotor dari Rotor-Gulung yang berkapasitas besar Ujung-ujung dari setiap phasa terhubung ke slip ring. Tiga sikat (brushes) terhubung dengan tiga slip-ring dan tiga resistan dengan koneksi wye. Kontruksi Rotor

11 Prinsip operasi Stator disuplai oleh tegangan tiga fase yang mensuplai arus tiga fase seimbang yang mengalir melalui gulungan. Arus tiga-fase menghasilkan medan magnet berputar. Medan ini berputar pada kecepatan sinkron. Kecepatan sinkron ditentukan oleh frekuensi dari tegangan suplai dan jumlah kutub: ns = f/p/ = f/p. Unit ini dalam rpm. Medan berputar menginduksi tegangan di konduktor rotor yang dihubung-singkatkan. Tegangan induksi menghasilkan arus di bar.

12 Prinsip operasi Interaksi antara arus rotor dan medan stator menghasilkan gaya yang menggerakkan motor: Gaya = BIL sin f. Besarnya tegangan induksi tergantung pada perbedaan kecepatan antara medan putar stator dan rotor. Perbedaan kecepatan maksimum terjadi pada saat starting ketika motor menarik arus yang besar. Frekuensi arus rotor adalah 60 Hz ketika rotor stasioner. Pada saat motor mulai berputar perbedaan kecepatan berkurang, yang menghasilkan: reduksi frekuensi pada tegangan induksi di rotor. mengurangi besarnya magnitude arus dan tegangan induksi di rotor.

13 Terbangkitkannya Gaya. Medan putar menginduksi arus di Bar. Force B rotating Arus dan medan berinteraksi menghasilkan gaya gerak Gaya = B rotating L I r I r Gaya menggerakkan motor. L adalah panjang rotor Ring

14 Prinsip Operasi Jika kecepatan rotor sama dengan kecepatan sudut medan stator, tegangan induksi, arus dan torsi menjadi nol. Oleh karena itu kecepatan motor harus kurang dari kecepatan sinkron. Operasi motor membutuhkan perbedaan kecepatan antara medan putar yang dihasilkan stator dan kecepatan rotor yang sebenarnya. Perbedaan kecepatan disebut slip (s) dan didefinisikan sebagai: s = (n s - n r ) / n s dimana n s = f / p Frequency arus rotor adalah: f r = s f Slip untuk kondisi operasi normal adalah antara 1 dan 5 %

15 Motor Induksi tiga phasa, 0 hp, 08 V, 60 Hz, 6 kutub, dikoneksikan wye. Motor megeluarkan daya 15 kw pada slip 5%. Hitunglah: a) Kecepatan sinkron. b) Kecepatan rotor. c) Frekuensi dari arus rotor. Jawaban - Kecepetan sinkron: n s = f / p = (10) / 6 = 0 rev/sec = 100 rpm - Kecepetan rotor: n r = (1-s) n s = (1-0.05) (100) = 1140 rpm - Frekuensi arus rotor: f r = s f = (0.05) (60) = 3 Hz

16 Penurunan rangkaian ekivalen. Motor induksi terdiri dari dua sistem magnet yang terhubung : Stator dan Rotor Tegangan sumber (V 1 ) pada phase A sama dengan penjumlahan dari tegangan induksi (E 1 ). Tegangan drop pada resistansi stator (I 1 R 1 ). Tegangan drop pada reaktansi bocor stator (I 1 j X 1 ).

17 Penurunan rangkaian ekivalen. Semakin besar kecepatan relative (perbedaan) antara medan magnet rotor danstator, maka makin besar tegangan rotor yang dihasilkan E. Tegangan paling besar E terjadi pada saat rotor di blok atau ditahan (mengapa?) yang disebut dengan E O. Pada slip tertentu : E = s. E O ; X = s. X O I I I R R R E jx E / s 0 s.e 0 j.sx 0 jx 0

18 Penurunan rangkaian ekivalen. Jika semua paramenter mengacu pada sisi stator, dimana : a = rasio jumlah belitan (efektif) antara stator dan rotor R = Resistansi rotor dengan mengacu pada stator X 0 = Reaktansi rotor (pada blocked rotor) mengacu pada stator R X ' ' 0 a a R X 0

19 Penurunan rangkaian ekivalen. R dan X 0 sangat sulit (atau tidakmungkin) di hitung langsung dari rotor sangkar, begitu juga a. Tetapi kira bisa mendapatkan-nya dari pengukuran R dan X

20 Motor tiga phasa. Penurunan rangkaian ekivalen. Rangkaian ekivalen motor induksi dapat disederhanakan dengan memindahkan cabang magnetisasi ke sisi tegangan suplai, dan membagi resistansi rotor menjadi dua bagian :R / s = R + R (1-s) / s. Resistansi yang pertama merepresentasikan rugi tembaga dalam rotor. Bagian yang kedua merepresentasikan daya yang dibangkitkan motor (electric developed motor power). Rotor Copper Losses Electric Developed Power

21 Perhitungan parameter dari hasil test Parameter motor dihitung dari tiga macam test, yaitu : 1. Test tanpa beban (No-load test). Menghasilkan reaktansi magnetisasi dan reistansi inti ( R c dan X m ).. Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test) atau (Short circuit test). menghasilkan (R 1 +R ) dan (X 1 +X ). 3. Mengukuran resistansi DC stator. Menghitung nilai resistansi stator ( R 1 ).

22 Perhitungan parameter dari hasil test Pengukuran resistansi DC stator Motor disupplay dengan tegangan DC di dua terminalnya (digambar pada titik A dan B) Tegangan dan arus DC diukur Resistansinya adalah A R 1 V dc I dc V dc I dc R 1 jx 1 R 1 R 1 B

23 Perhitungan parameter dari hasil test Test tanpa beban Motor di suplai dengan tegangan rating (V ml ), kemudian arus I nl dan daya tanpa beban diukur P nl. Daya tanpa beban meliputi rugi magnetisasi dan rugi putaran. Dengan menggunakan hasil pengukuran, admitansi dan resistansi dihitung. Jika impedansi bocor diabaikan, maka : P in = V 1.I 1.cos j Y = I / V Y = G +jb

24 Perhitungan parameter dari hasil test Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test) Motor disuplai dengan tegangan yang direduksi V 1 dan frekuensi yang lebih rendah. Frekuensi yg direduksi digunakan agar frekuensi arus rotor menjadi kecil pada kondisi operasi normal. Tegangan V br, arus I br, daya input P b r diukur dan dicatat. Pada kondisi rotor di tahan, slip adalah s =1. Reaktansi dan resistansi magnetisasi diabaikan karena tegangan suplai di reduksi (diperkecil).

25 Perhitungan parameter dari hasil test Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test) R br P I. R br br br R br P br 3I br X br Z br V br I br

26 Perhitungan parameter dari hasil test Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test) Reaktansi rotor pada frekuensi penge-test-an f test adalah: Xbrtest Zbr Rbr Reaktansi pada saat rotor ditahan dengan dasar frekuensi rating adalah: X br = X br, test (f rated / f test ) Parameter rangkaian ekivalen dihitung dari: R br = R 1 + R and X br = X 1 + X R 1 dihitung dengan mengukur resistansi stator.

27 Perhitungan parameter dari penge-test-an Mesin induksi tiga-phasa, 30 hp, 08 V, 4 kutub, 60 Hz, dikoneksikan wye telah ditest dan menghasilkan data test sebagai berikut: - Tanpa beban pada 60 Hz: V nl = 08 V ; I nl = A ; P nl = 1600 W - Rotor ditahan pada 15 Hz: V br = 1 V ;I br =71 A ; P br = 100 W - DC test : V dc = 1 V ; I dc =75 A a) Hitunglah: parameter rangkaian ekivalen Rugi putar (rotational losses) b) Gambarlah rangkaian ekivalen dengan nilai nilai parameternya.

28 Motor tiga phasa. Analisa kinerja. Kinerja/performance motor induksi dapat di evaluasi menggunakan rangkaian ekivalennya. Diagram aliran daya motor induksi ditunjukkan sebagai berikut:

29 Krakteristik Torsi Vs Kecepatan Torsi induksi pada motor dinyatakan sebagai berikut: V R 1 jx jx 1 m jx m V 1 V R 1 X X m 1 X m V 1

30 Krakteristik Torsi Vs Kecepatan Z jx R 1 m R1 j X jx X 1 1 m Since Xm>>X1 and Xm>>R1 then V X 1 X m X m V 1

31 Krakteristik Torsi Vs Kecepatan Z R jx jx R 1 m j R1 X jx X 1 1 m Karena Xm>>X1 dan Xm+X1>>R1 maka : R X R X m 1 X 1 X m X 1 V X

32 I ' Krakteristik Torsi Vs Kecepatan R R V / s jx jx X I ' R R / s X X V P AG 3V R R / s X X. R / s Torsi induksi pada rotor adalah ind P AG sync

33 Krakteristik Torsi Vs Kecepatan ind sync R R / s X X. 3V. R / s Persamaan diatas dapat di nyatakan dengan gambar berikut:

34 Torsi maksimum motor Induksi Dari rangkaian ekivalen, daya maksimum yang ditransfer dapat dicapai ketika R sama dengan impedansi dibagian kiri s R X R X max T Dengan mensubstitusikan ke persamaan torsi T max sync 3 V. R R X X

35 Torsi starting motor induksi Ketika start, slip sama dengan (n s - n r )/n r = 1. Pada persamaan torsi, isilah s = 1 : start sync R R /1 X X. 3V. R /1 start sync R R X X. 3V. R

36 Desain klas (Class Design) dari motor induksi Motor Klass A B C D Rotor Gulung Description X1 X Normal starting Torque, normal starting current Normal starting Torque, Low starting current High starting Torque, Low starting current High starting Torque, High Slip

37 Pengaturan/Control Motor Induksi Mengapa kita perlu mengatur motor induksi? Parameter apa yang dapat dikontrol pada motor induksi?

38 Pengaturan kecepatan motor induksi Terdapat beberapa teknik pengaturan (kecepatan) pada motor induksi: 1. Pengubahan inti. Pengaturan frekuensi sumber 3. Pengaturan tegangan sumber 4. Pengaturan resistansi rotor (hanya untuk rotor gulung) 5. Pengaturan slip menggunakan peralatan khusus (hanya untuk rotor gulung)

39 Pengubahan kutub Teknik Elektro-ITS Surabaya Pengaturan motor induksi

40 Pole changing Teknik Elektro-ITS Surabaya Pengaturan motor induksi

41 Pole changing derives three control of Induction Motor : A) Constant Torque B) Constant Horse Power C) Variable Torque Pengaturan motor induksi

42 Line Frequency Control Teknik Elektro-ITS Surabaya Pengaturan motor induksi

43 Line Voltage Control Teknik Elektro-ITS Surabaya Pengaturan motor induksi

44 Rotor Resistance Control Pengaturan motor induksi

45 Pengaturan motor induksi Slip Control

46 Motor Induksi Efek penggunaan rangka ganda (Double Cage) Ketika rotor berputar pada kecepatan rendah, frekuensi arus yang mengalir pada batang rotor menjadi tinggi. Begitu pula sebaliknya. Rotor sangkar dapat di desain untuk mendapatkan resistansi efektif pada frekuensi tinggi sama dengan beberapa kali-nya pada frekuensi rendah

47 Motor Induksi Efek pemilinan (pemiringan) batang rotor Rotor sangkar dipilin/dimiringkan untuk mengurangi tegangan induksi pada rotor, sehingga arus hubung singkat (pada slip 1) dapat dikurangi

48 Motor induksi satu phasa Motor satu phasa sering disebut sebagai fractional hp motor karena rating dayanya yang kecil. Motor satu phasa paling sering digunakan untuk lemari es, mesin cuci, jam, kompresor, pompa, dll Jenis motor satu phasa diklasifikasikan berdasarkan metode startingnya.

49 Motor induksi satu phasa Kumparan utama disuplai oleh sumber satu phasa yang menghasilkan medan magnet berdenyut atau berbentu pulsa. Medan magnet berpulsa dibagi menjadi dua medan, berputar dengan arah yang berlawanan. Interaksi antara medan dan arus yang terinduksi di batang rotor menghasilkan torsi yang berlawanan. Dengan kondisi ini, motor belum akan dapat berputar, seperti yang ditunjukkan pada gambar. Main winding flux -t Main winding + _ +t

50 Konsep kerja motor satu phasa. Motor induksi satu phasa Diasumsikan, motor di star dengan torsi luar dan berputar denga kecepatan n dengan arah maju. n s adalah kecepatan sinkron. Kondisi ini menghasilkan slip positif terkait dengan medan magnet putar yang berputar maju s + =(n s -n)/ n s Slip positif sangatlah kecil: 1-5% Hal ini pula dapat menghasilkan slip negatif karena diasumsikan berputar melawan arah medan putar s - =(n s + n) / n s Slip negatif sangatlah besar Kombinasi dari kedua persamaan diatas menghasilkan : s - = - s +

51 Motor induksi satu phasa Besar torsi berbanding terbalik tergantung slip. T P s I R (1 s) s 1 s I R (1 s) s s Slip positif kecil ( ) menghasilkan torsi yang lkebih besar dari pada slip negatif yang besar ( ). Perbedaan torsi, akan menggerakkan motor untuk terus berputar dalam arah maju walaupun tanpa torsi eksternal.

52 Motor induksi satu phasa Torsi eksternal diperlukan sebagai penggerak awal rotor. Sebuah auxiliary winding dipasang tegak lurus dengan gulungan utama seperti yang terlihat pada gambar. Saklar sentrifugal akan beroperasi (terputus/membuka) pada saat kecepatan mencapai sekitar 75% kecepatan sinkron. SPLIT PHASE MOTORS

53 Motor induksi satu phasa Umumnya digunakan untuk kipas angin, blowers, centifugal pump. typical rating dayanya dari 1/0-hp sampai ½-hp.

54 Motor induksi satu phasa Torsi eksternal diperlukan sebagai penggerak awal rotor. Selain auxiliary winding, kapasitor yang ditambahkan untuk meningkatkan kinerja awal pada saat starting. CAPACITOR-TYPE MOTORS

55 Motor induksi satu phasa Biasanya digunakan untuk peralatan compressor, pump, refrigeration, air conditioning.

56 Motor induksi satu phasa Penggunaan kapasitor permanen dapat menyederhanakan konstruksi, meningkatkan faktor daya dan efisiensi.

57 Motor induksi satu phasa Penggunaan kapasitor permanen yang dikombinasikan starting kapasitor menghasilkan optimal starting dan saat pengoperasian.

58 Motor induksi satu phasa Sebuah "shaded pole" secara skematis diilustrasikan pada gambar. Arus induksi dalam kumparan shading menyebabkan fluks di "bagian shaded" dari kutub untuk menggeser fluks agar tertinggal (lag) dibanding bagian yang lain.