BAB II DASAR TEORI 2.1 Umum Motor asinkron atau motor induksi biasanya dikenal sebagai motor induksi yang merupakan motor arus bolak-balik yang paling luas penggunaannya. Penamaan ini berasal dari kenyataan bahwa arus rotor pada motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan putaran medan putar yang dihasilkan oleh arus stator. Motor induksi terdiri dari dua bagian yaitu stator dan rotor dimana stator dihubungkan ke sumber tegangan AC. Rotor tidak dihubungkan secara listrik ke pencatu, tetapi mempunyai arus diinduksikan kedalamnya oleh kerja trafo dari stator. Oleh sebab itu stator kadang-kadang dianggap sebagai primer dan rotor sebagai skunder motor. Mesin induksi pada umumnya banyak digunakan karena beberapa hal : 1. Bentuk yang sederhana dan konstruksinya yang kuat. 2. Memiliki efisiensi yang tinggi saat keadaan normal, tidak diperlukan sikat maka rugi-rugi gesek berkurang serta power faktor yang baik. 3. Dapat distart pada keadaan diam, tidak diperlukan motor tambahan untuk start, tidak perlu disinkron, startnya sederhana. Selain itu motor induksi juga memiliki kelemahan, diantaranya : 1. Aus starting nya cukup tinggi. 2. Kecepatan dapat menurun sejalan dengan kenaikan beban. 3. Pada torsi start memiliki kekurangan. 6
2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik (ac) yang paling banyak dipergunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara mum motor induksi tiga fasa memiliki dua komponen dasar yaitu stator (komponen yang diam) dan rotor (bagian berputar), bagian stator dipisahkan dengan bagian rotor oleh celah udara yang sempit (air gap). Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.1 Gambar 2.1 Konstruksi Motor Induksi 2.2.1 Stator Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus fasa. Rangka luarnya terbuat dari baja maupun aluminium, sedangkan intinya berupa lapisan-lapisan yang terbuat dari baja silikon untuk mengurangi rugi-rugi histerisis dan edy current. Pada intinya terdapat rongga (slot) yang berisolasi. Belitannya digulung untuk jumlah kutub tertentu, yang diperlukan dalam menentukan kecepatan. Semakin banyak jumlah kutub maka semakin rendah kecepatan motor. Berikut ini contoh lempengan 7
laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, dan belitan stator yang telah diletekan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga fasa dapat dilihat Gambar 2.2. (a) (b) (c) Gamabar 2.2 Komponen stator motor induksi tiga fasa, (a) Lempengan inti, (b) Tumpukan inti kertas isolasi pada beberapa alurnya, (c) Tumpukan inti dan belitan dalam cangkang stator 2.2.2 Rotor Rotor motor induksi tiga fasa dibedakan menjadi rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar (squirrel cage rotor) terdiri dari inti silinder yang berlapis- konduktor lapis dengan slot (alur) yang paralel sebagai tempat untuk membawa rotor. Konduktor rotor berbentuk batangan (bar) yang terbuat dari tembaga, aluminium atau logam campuran. Masing-masing batang (bar) diletakkan pada slotnya masing-masing. Ujung batang konduktor di hubung singkat dengan cara mengelas dan mengikat dengan cincin akhir (short-circuiting end-rings). Rotor belitan (wound rotor) terdiri dari inti silinder yang berlapis-lapis, akan tetapi konduktor rotornya berupa gulungan tiga fasa yang digulung dengan jumlah kutub yang sama dengan jumlah kutub stator. Bagian akhir belitan yang 8
terbuka dikeluarkan yang dihubungkan dengan tiga buah slip ring yang terisolasi yang menonjol pada tangkai rotor dan dihubungkan dengan sikat. Hal ini bertujuan agar dapat menambahkan tahanan tambahan pada rangkaian rotor selama periode starting untuk meningkatkan torsi start. 2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu: 1. Motor induksi tiga fasa sangkar tupai (squirrel-cage motor) 2. Motor induksi tiga fasa rotor belitan (wound-rotor motor) kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor. 2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai (Squirrel-cage Motor) Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau plat baja yang dipabrikasi. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta ( ) atau pun hubungan bintang (Y) Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3 di bawah ini. Batang Poros Cincin Aluminium Kipas Laminasi Inti Besi Aluminium Batang Poros Kipas Gamabar 2.3 Rotor Sangkar Beserta Bagian-Bagiannya 9
cincin ujung atau tahanan luar. Arus yang mengalir dalam belitan rotor berada dalam medan magnet yang dihasilkan stator, sehingga pada belitan rotor akan dihasilkan gaya (F). Gaya ini akan menghasilkan torsi (τ) dan jika torsi yang dihasilkan lebih besar dari torsi beban, maka rotor akan berputar dengan kecepatan n r yang searah dengan medan putar stator. Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat dijabarkan dalam langkah-langkah berikut : 1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang seimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa. 2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah. 3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa. 4. Akibat fluksi yang berputar timbul GGL pada stator motor yang besarnya adalah = Φ...(2.2) Atau = 4,44....(2.3) 5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan kecepatan sinkron n s, besarnya nilai n s ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan : f n 120 s...(2.4) p 16
6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (GGL) sebesar E 2 yang besarnya : = 4,44...(2.5) dimana : = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt) = Jumlah lilitan kumparan rotor = Fluksi maksimum(wb) n s = Medan putar stator (rpm) 7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka GGL tersebut akan menghasilkan arus I 2. 8. Adanya arus I 2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor 9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator. 10. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (n s ) dan kecepatan rotor (n r ) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan ns nr s 100%...(2.6) n s 11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E 2s yang besarnya = 4,44f (volt)...(2.7) dimana 17
E 2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (volt) f 2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar) 12. Bila n s = n r, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika n r < n s 2.6 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor dan proses transfer energi dari stator ke rotor melalui induksi, sehingga motor induksi disebut juga trafo dengan kumparan sekunder yang berputar. Stator dari motor induksi sama dengan kumparan primer pada trafo, dan rotornya sama dengan kumparan sekunder dari transformator. Rangkaian Stator Motor induksi memiliki tahanan dan induktansi sendiri pada statornya, yang dapat dilihat dalam rangkaian ekivalen motor induksi. Tahanan stator di namakan R 1 dan reaktansi stator disebut X 1. Tegangan internal stator disimbolkan dengan E 1. Tegangan terminal pada stator dinyatakan dengan persamaan 2.8: V 1 = E 1 + I 1 (R 1 +jx 1 ) volt...(2.8) Dimana: V 1 = Tegangan terminal stator (Volt) E 1 = GGL lawan (Volt) I 1 = Arus Stator (Ampere) R 1 = Resistansi stator (Ohm) 18
I 2 R 2 E 2 S jx R
Keterangan Gambar 2.16 : I 2 = I 2 a (Ampere) R 2 = a 2. R 2 (Ohm) X 2 = a 2. X 2 (Ohm) 2.7 Torsi Motor Induksi Tiga Fasa Torsi Motor Induksi adalah tenaga atau gaya yang dihasilkan oleh suatu motor yang digunakan untuk memikul beban, semakin besar torsinya semakin berat mesin itu bekerja dengan beban yang sama. Namun, torsi tergantung pada desain motor yang digunakan. Suatu persamaan torsi pada motor induksi dapat dihasilkan dengan bantuan teori rangkaian thevenin. Dalam bentuk umumnya, teorema thevenin mengizinkan penggantian sembarang jaringan yang terdiri atas unsur-unsur rangkaian linier dan sumber tegangan fasor tetap. Rangkain rotor direfrensikan terhadap stator. Misalkan V 1 tegangan input motor, dengan melihaat dari sisi terminal a-b, dapat dicari tegangan theveninnya. Perhatikan Gambar 2.17. berikut ini. R 1 X 1 I 2 V 1 I 1 X m I 0 X 2 R 2 s Gambar 2.17 Rangkain Ekivalen Motor Induksi Dengan Mengabaikan R c 23
Untuk mendapatkan nilai tegangan thevenin maka tegangan terminal a-b pada rangkain ekivalen pada gambar diatas hasur dibuka. Perhatikan Gambar 2.17 berikut. Gambar 2.18 Rangkain Thevenin Dari Gambar 2.18 dapat dihitung tegangan thevenin (V th) dan impedansi thevenin (Z th). = ( ) (volt)... (2.15) = + = ( ) ( ) (Ohm)... (2.16) Rangkaian ekivalen pada Gambar 2.18 berubah menjadi seperti Gambar 2.19 berikut : Gambar 2.19 Rangkaian Thevenin Motor Induksi. 24
2.8 Disain Motor Induksi Tiga Fasa Motor asinkron yang sering kita temukan sehari-hari misalnya adalah kipas angin, mesin pendingin, kereta api listrik gantung, dan lain sebagainya. Untuk itu perlu diketahui kelas-kelas dari motor tersebut untuk mengetahui unjuk kerja dari motor tersebut, Adapun kelas-kelas tersebut adalah sebagai berikut 1. Kelas A : Torsi start normal, arus start normal dan slip kecil Tipe ini umumnya memiliki tahanan rotor sangkar yang rendah. Slip pada beban penuh kecil atau rendah namun efisiensinya tinggi. Torsi maksimum biasanya sekitar 21 dari torsi beban penuh dan slipnya kurang dari 21. Motor kelas ini berkisar hingga 20 Hp. 2. Kelas B : Torsi start normal, arus start dan slip rendah Torsi start kelas ini hampir sama dengan kelas A tetapi arus startnya berkisar 75 I fl. Slip dan efisiensi pada beban penuh juga baik. Kelas ini umumnya berkisar antara 7,5 Hp sampai dengan 200 Hp. Penggunaan motor ini antara lain : kipas angin, boiler dan lainnya. 3. Kelas C: Torsi start tinggi dan arus start kecil Kelas ini memiliki resistansi rotor sangkar yang ganda yang lebih besar dibandingkan dengan kelas B. Oleh sebab itu dihasilkan torsi start yang lebih tinggi pada arus start yang rendah, namun bekerja pada efisiensi dan slip yang rendah dibandingkan kelas A dan B. 4. Kelas D : Torsi start tinggi, slip tinggi Kelas ini biasanya memiliki resistansi rotor sangkar tunggal yang tinggi sehingga dihasilkan torsi start yang tinggi pada arus start yang rendah. 26
Sebagai tambahan pada keempat kelas tersebut diatas, NEMA juga memperkenalkan disain kelas E dan F, yang sering disebut motor induksi softstart, namun disain kelas ini sekarang sudah ditinggalkan. Gambar 2.21 Karakteristik torsi dan keceapatan motor induksi pada berbagai disain 2.9 Aliran Daya Pada Motor Induksi Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang diinputkan ke rotor. Daya total yang dimasukan pada kumparan stator (P in ) dirumuskan dengan : = 3.. (Watt).....(2.20) Dimana : P in = daya input pada stator (Watt) V 1 = tegangan sumber (Volt) I 1 = arus masukan (Ampere) 27
θ = Perbedaaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber. Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik pada poros motor. Berbagai rugi-rugi yang timbul selama proses konversi energi listrik antara lain : 1. Rugi-rugi tetap (fixed losses), terdiri dari : Rugi-rugi inti stator (P i ) =. (Watt).....(2.21) rugi-rugi gesek dan angin 2. Rugi-rugi Variabel, terdiri : rugi-rugi tembaga stator (P is ) = 3. (Watt).....(2.22) rugi-rugi tembaga rotor (P tr ) = 3.. (Watt).....(2.23) Daya pada celah udara (P cu ) dapat dirumuskan dengan : = (Watt).....(2.24) Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu-satunya elemen pada rangkain ekivalen yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R 2 /s. Oleh karena itu daya pada celah udara dapat juga ditulis dengan : = 3.. (watt).....(2.25) Apabila rugi-rugi tembaga dan rugi-rugi inti ini dikurangi dengan daya input motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya mekanik. 28
Besarnya daa mekanik yang dibangkitkan motor adalah : = (Watt).....(2.26) = 3.. 3.. = 3... ( ) = ( ) (Watt).....(2.27) Dari persamaan (2.24) dan (2.26) dapat dinyatakan hubungan rugi-rugi tembaga dengan daya pada celah udara : =. (Watt).....(2.28) Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi-rugi tembaga rotor, maka daya mekanik dapat juga ditulis dengan : = (1 ) (Watt).....(2.29) Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya mekanik dikurangi dengan rugi-rugi gesek dan angin, sehingga daya keluarannya : = & (Watt).....(2.30) Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu : : = 1 1 Gambar 2.20 menunjukan aliran daya pada motor induksi tiga phasa : 29
Gambar 2.22 Diagram aliran daya motor induksii Dimana : - P ts - P i - P cu - P tr - P mek - P a&g - P b = rugi-rugi tembaga pada belitan stator (Watt) = rugi-rugi inti pada stator (Watt) = daya yang transfer melalui celah udara(watt) = rugi-rugi tembaga pada belitan rotor (Watt) = daya mekanik keluaran (output) (Wattt) = rugi-rugi gesek dan angin (Watt) = stray losses (Watt) 2.10 Efisiensi Motor Induksi Tiga Phasa Efisiensi dari suatu motor induksi didefinisikan sebagai ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan/rasio daya output (keluaran) dengan daya input (masukan), atau dapat juga dirumuskan dengan : ( ) = 100% = 100% = 100%.....(2.31) = + + + & +.....(2.32) 30
= 3... cos 1.....(2.33) Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi motor tergantung pada besarnya rugi-rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan efisiensii motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secaraa penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan Gambar 2.23 Efisiensi pada motor induksi dimana : P cu P tr P mek = dayaa yang diinputkan ke rotor (Watt) = rugi-rugi tembaga rotor (Watt) = dayaa mekanik dalam bentuk putaran (Watt) Efisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujiann beban nol akan di peroleh rugi-rugi mekanik dan rugi-rugi inti. Rugi-rugi tembaga stator tidak dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan maupun tanpa beban. 31
saja, keluaran motor adalah putaran, jadi supaya putaran atau kecepatan tetap terjaga pada saat tegangan turun maka arus pada rotor diperbesar untuk mempertahankan putaran motor dan slip pun besar. Persamaan berikut dapat digunankan untuk menghitung persentase slip/geseran. = 100 dimana n r = n s (1-s)... (2.34) 2.12 Jatuh Tegangan Jatuh tegangan adalah selisih antara tegangan ujung pengirim dengan tegangan ujung penerima. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut : =.....(2.35) Dimana : = jatuh tegangan (volt) = tegangan di sisi pengirim (volt) = tegangan di sisi penerima (volt) Atau dapat juga ditulis dalam bentuk persentase : (%) = 100%.....(2.36) Dimana : (%) = rugi tegangan dalam persen = tegangan kerja (volt) = rugi tegangan (volt) Jatuh tegangan pada saluran tenaga listrik secara umum berbanding lurus dengan panjang saluran dan beban serta berbanding terbalik dengan luas 33
penampang penghantar. Besarnya jatuh tegangan dinyatakan baik dalam persen atau dalam besaran volt. Besarnya batas atas dan batas bawah ditentukan oleh kebijaksanaan perusahaan listrik terkait. Penurunan tegangan maksimum pada beban penuh yang dibolehkan di beberapa titik pada jaringan adalah [SPLN 72 : 1987] : 1. SUTM = 5% dari tegangan kerja bagi sisitem radial 2. SKTM = 2% dari tegangan kerja pada system spindle dan gugus 3. Trafo distribusi = 3% dari tegangan kerja 4. Saluran tegangan rendah = 4% dari tegangan kerja tergantung kepadatan beban 5. Sambungan rumah = 1% dari tegangan nominal Adapun penyebab jatuh tegangan (voltage drop) adalah : 1. Jauhnya jaringan,jauhnya jarak transformator dari gardu induk 2. Rendahnya tegangan yang diberikan gardu induk atau rendahnya tegangan keluaran dari transformator distribusi 3. Sambungan penghantar yang tidak baik sehingga bermasalah di sisi tegangan menengah dan tegangan rendah 4. Pemilihan jenis penghantar, ukuran penghantar dan konektor yang tidak tepat 5. Arus yang dihasilkan Untuk menghitung jatuh tegangan, diperhitungkan reaktansinya, maupun faktor dayanya yang tidak sama dengan satu. Maka tegangan yang hilang disepanjang saluran penghantar adalah : 34
= ( cos + sin ).....(2.37) Dimana : I R X = arus beban = tahanan saluran (ohm) = reaktansi saluran (ohm) Cos θ = faktor daya beban 35