MESIN LISTRIK 1. PENDAHULUAN Motor listrik merupakan sebuah mesin yang berfungsi untuk merubah energi listrik menjadi energi mekanik atau tenaga gerak, di mana tenaga gerak itu berupa putaran dari pada rotor Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, 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 kerja nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. 2. JENIS MOTOR LISTRIK Motor berdasarkan bermacam-macam tinjauan dapat dibedakan atas beberapa jenis. Gambar 1. Klasifikasi Jenis Utama Motor Listrik
3. MOTOR ARUS BOLAK BALIK ( MOTOR AC) Motor listrik memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan daalam Gambar 2. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. 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) Gambar 2 Stator dan Rotor Motor AC dibedakan atas: 1. Motor Asinkron ( Motor Induksi ) 2. Motor Sinkron 3.1. MOTOR INDUKSI Pada dasarnya motor asinkron terdiri dari dua bagian utama : (a) Stator.(bagian yang diam). Suatu bagian yang dilengkapi dengan alur-alur untuk penempatan lilitan stator, yang disusun berbentuk gelang (b) Rotor (bagian yang bergerak).
Gambar 3 Bentuk lengkap motor induksi Apabila belitan-belitan stator disuplai dengan arus, maka menghasilkan medan magnet atau fluksi yang mana adalah pada harga tetap asal saja berputar pada kecepatan sinkron (N s ). Dalam hal hubungannya : Slip 120 f N s p N s = Kecepatan sinkron dalam rpm. f = frekwensi p = jumlah kutub. Slip suatu motor adalah tergantung dari besar atau kecilnya beban motor, makin besar beban makin besar pula slip. Slip adalah perbedaan antara kecepatan sinkron N s dan kecepatan sebenamya N, dapat dituliskan : Slip = N s - N. N s N adalah disebut slip kecepatan. Persentase slip dirumuskan sebagai : % slip s = Ns N N x 100 %.
Frekwensi dari arus rotor: Apabila motor diam, frekuensi arus rotor adalah sama seperti frekuensi penyedia. Tapi apabila rotor start atau jalan, maka frekuensi tergantung atas kecepatan relatif atau kecepatan slip. Frekuensi yang dibangkitkan pada belitan rotor adalah f, pada suatu kecepatan slip hubungannya dapat dituliskan sebagai berikut : N s N = 120 f p Dapat pula ditulis : f f N N s N s,atau N = N s - 120 f p di mana N s = 120 f p = s, jadi f = s f, dimana f = frekuensi medan putar stator. Rugi-rugi dan Efisiensi Motor Induksi Gambar 4 : Rugi-rugi daya motor induksi Motor induksi gambar-4 memiliki rugi rugi yang terjadi karena dalam motor induksi terdapat rugi-rugi tembaga, rugi inti dan rugi karena gesekan dan hambatan angin. Besarnya rugi tembaga sebanding dengan I 2.R, makin besar arus beban maka rugi tembaga makin besar juga. Daya input motor sebesar P1, maka daya yang diubah menjadi daya output sebesar P2. Persamaan menghitung rugi-rugi motor induksi : Rugi-rugi motor = P1 P2 Persamaan menghitung efisiensi motor induksi :
Rugi besi stator tergantung atas frekuensi penyedia dan rapat fluksi dalam inti besi. Rugi rugi besi rotor diabaikan sebab kecil sekali dibanding rugi Cu 2 Rugi Cu rotor total = 3 I 2 R2 Klasifikasi motor induksi Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama: 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. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp. 3.2. MOTOR SINKRON Konstruksi motor sinkron sama dengan konstruksi generator sinkron. Perbedaannya terletak pada penggunaannya. Generator sinkron diputar untuk menghasilkan tenaga listrik, sedangkan pada motor sinkron dimasukkan tenaga listrik untuk menghasilkan putaran. Motor sinkron terdiri dari: 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 terdiri dari belitan-belitan penguat, inti magnet dan slip ring/sikat. Slip ring/sikat ini berfungsi untuk memasukkan listrik DC pada belitan penguat sehingga timbul kutub magnet pada rotor. Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok
Gambar 5. Motor Sinkron PRINSIP KERJA MOTOR SINKRON Gambar 6: Konstruksi motor sinkron. Gambar di atas adalah penampang dari sebagian dari stator dan rotor motor sinkron. Belitan-belitan stator tidak digambarkan di sini, tetapi pada stator itu dibayangkan adanya kutub-kutub kayal yang sedang berputar dengan arah tertentu dan dengan kecepatan: 120 n P f Banyaknya putaran tiap menit dari kutub-kutub kayal tersebut dinamakan kecepatan medan putar atau kecepatan sinkron. Pada rotor terdapat kutub-kutub magnet yang sesungguhnya. Apabila rotor dengan kutubkutub magnet itu berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar, maka rotor itu akan dapat berputar terus, mengikuti putaran kutub-kutub kayal. Jadi motor serempak tak dapat berputar dengan sendirinya. Ini di-sebabkan kutub-kutub rotor tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar motor terhubung dengan jala-jala. Gaya tarik antara kutub rotor dengan kutub kayal yang berhadapan, akan silih berganti dengan gaya tolak dengan cepat sekali. Karena hal tersebut dan konyataannya rotor dengan seluruh kutub-kutub magnet adalah berat, akibatnya justru tak ada kopel sama sekali. Rotor
hanya bergetar saja. Supaya rotor ini dapat berputar bersama-sama dengan medan putar, maka rotor perlu diputar dahulu sampai mendapatkan kecepatan sinkron Setelah dicapai kecepatan sinkron, barulah belitan-belitan stator itu dihubungkan dengan jaia-jala. Seperti telah kita ketahui, bahwa untuk terjadinya kutub magnet, diperlukan sumbcr DC. Jadi motor sinkron untuk penguatannya harus tersedia sumber DC (baterai, accu, generator arus searah). CARA MENJALANKAN MOTOR SINKRON 1. Mesin DC dikopel dengan motor sinkron Pada waktu start mesin DC berfungsi sebagai penggerak hingga motor sinkron mencapai kecepatan sinkron. Setelah motor berjalan normal, mesin DC berfungsi sebagai generator DC dan merupakan beban dari motor sinkron. 2. Motor induksi dikopel dengan motor sinkron Jumlah kutub motor induksi lebih sedikit dibandingkan jumlah kutub motor sinkron (biasanya berselisih dua), sehingga dengan adanya slip motor induksi masih mampu menggerakkan sehingga mencapai putaran sinkronnya. Setelah motor berjalan normal motor induksi dilepas. 4. MOTOR DC Gambar 7. Sebuah motor DC Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, 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. Mesin arus searah dapat berupa generator DC atau motor DC.. Generator DC alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik DC. Motor DC alat yang mengubah energi listrik DC menjadi energi mekanik putaran. Sebuah motor DC dapat difungsikan sebagai generator, atau sebaliknya generator DC bisa difungsikan sebagai motor DC. Gambar 8 : Stator Mesin DC dan Medan Magnet Utama dan Medan Magnet Bantu Secara fisik mesin DC tampak jelas ketika rumah motor atau disebut stator dibongkar terdapat kutub-kutub magnet bentuknya menonjol gambar8. Mesin DC yang sudah dipotong akan tampak beberapa Komponen yang mudah dikenali. Bagian yang berputar dan berbentuk belitan kawat dan ditopang poros disebut sebagai rotor atau jangkar gambar-9. Gambar 9 : Fisik Mesin DC Bagian rotor mesin DC salah satu ujungnya terdapat komutator yang merupakan kumpulan segmen tembaga yang tiap-tiap ujungnya disambungkan dengan ujung belitan
rotor. Komutator merupakan bagian yang sering dirawat dan dibersihkan karena bagian ini bersinggungan dengan sikat arang untuk memasukkan arus dari jala-jala ke rotor. Gambar 10 : Pemegang Sikat Arang Salah satu kelemahan dari mesin DC adalah kontak mekanis antara komutator dan sikat arang yang harus terjaga dan secara rutin dilakukan pemeliharaan. Tetapi mesin DC juga memiliki keunggulan khususnya untuk mendapatkan pengaturan kecepatan yang stabil dan halus. Motor DC banyak dipakai di industri kertas, tekstil, kereta api diesel elektrik, dsb Prinsip Umum Generator DC Prinsip dasar mesin diperlihatkan pada Gambar 11. Bila arus searah disalurkan ke segmen komutator 1 dan 3 dengan polaritas seperti yang diperlihatkan, mesin tersebut akan bekerja sebagai motor dan berputar searah jarum jam bila dilihat dari ujung komutator Gambar 11. Prinsip dasar mesin dc
Percobaan untuk mengecek apakah belitan jangkar berfungsi dengan baik, tidak ada yang putus atau hubungsingkat dengan inti jangkarnya periksa gambar-12. Poros jangkar ditempatkan pada dudukan yang bisa berputar bebas. Alirkan listrik DC melalui komutator, dekatkan sebuah kompas dengan jangkar, lakukan pengamatan jarum kompas akan berputar ke arah jangkar. Hal ini membuktikan adanya medan elektromagnet pada jangkar, artinya belitan jangkar berfungsi baik. Tetapi jika jarum kompas diam tidak bereaksi, artinya tidak terjadi elektromagnet Gambar 12 : Pengecekan sifat elektromagnetik pada Jangkar Konstruksi Generator DC Potongan melintang memperlihatkan konstruksi generator DC gambar-13. Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator bagian mesin DC yang diam, dan bagian rotor bagian mesin DC yang berputar. Bagian stator terdiri atas : rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing, terminal box. Bagian rotor terdiri : komutator, belitan rotor, kipas rotor, poros rotor. Gambar 13 : Bentuk Fisik Generator DC Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodik.
Generator dan motor dc terdiri dari 4 bagian utama, yakni 1. gandar (Yoke) 2. kutub 3. jangkar 4. komutator dan sikat a. Gandar (Yoke) Gandar mesin secara sederhana terdiri dari kerangka luar; tetapi sebagai mana terlihat pada Gambar 2(c), gandar tersebur juga membentuk bagian rangkaian medan magnet. b. Kutub Kutub-kutub dirancang agar menghasilkan fluksi paling besar di dalam celah-celah yang berisi penghantar-penghantar jangkar. Setiap rakitan kutub terdiri dari inti kutub yang di atasnya disekrupkan sebuah gulungan medan. Inti tersebut dibaut ke gandar. Celah antara permukaan-permukaan kutub dan inti jangkar dipertahankan sekecil mungkin, untuk mengurangi gaya gerak maknit (ggm). c. Jangkar Celah-celah untuk penempatan kumparan-kumparan jangkar adalah bersisi paralel. Pasak sering dipasang untuk mempertahankan konduktor-konduktor ini pada posisinya. Gambar 14 Belitan Jangkar
GAMBAR 15. Perincian konstruksi mesin arus searah. (a) Hubungan jangkar ke komutator. (b) Kumparan jangkar terdiri dari banyak gulungan. (c) Sistem medan 4 kutub dan inti jangkar. d. Komutator dan Roda Gigi Sikat (Brush Gear) Sikat-sikat yang melakukan kontak dengan komutator, untuk mengumpulkan arus dari generator ataupun disalurkan ke sebuah motor. Sebuah kotak sikat menampung masingmasing pasangan sikat. Sikat-sikat dihubungkan ke terminal oleh gumpalan timbal fleksibel dan sering dimiringkan agar menghasilkan permukaan kontak yang lebih luas.