BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA.1. Secara Umum Motor-motor pada daarnya digunakan ebagai umber beban untuk menjalankan alat-alat tertentu atau membantu manuia dalam menjalankan pekejaannya ehari-hari, terutama dalam bidang perindutrian Umumnya motor litrik yang digunakan dalam perindutrian terbagi ata dua jeni, yaitu Motor DC ( Direct Current ) dan Motor AC ( Alternating Current ).Motor AC terdiri dari motor in kron dan motor ainkron ( motor induki ). Karakteritik dari motor DC, yaitu : Tori tinggi pada kecepatan rendah Kemampuan pada beban lebih lebih baik Lebih mahal dibandingkan dengan motor AC Pada daya yang ama ukuran fiik lebih bear daripada motor AC Memerlukan perawatan dan perbaikan lebih rutin Karakteritik dari motor induki, yaitu : Kecepatan kontan Lebih murah dibandingkan motor DC Arah putaran dapat dibalik dengan menukarkan dua dari tiga line daya utama pada motor. Sederhana, kuat, dan kontrukinya kuat Pada Tuga Akhir ini memilih menggunakan motor induki AC karena motor ini paling banyak digunakan pada indutri, ederhana, kuat, dan murah.
Motor induki AC dapat bekerja pada itcm tegangan uplai atu phaa maupun item tegangan uplai tiga phaa. Daya motor induki atu phaa kurang dari 3 HP dan biaanya digunakan pada lokai dimana tidak terdapat tegangan uplai tiga phaa. Selain itu pada daya yang ama ukuran fiik dari motor atu phaa lebih bear dibandingkan dengan motor tiga phaa. Sedangkan daya motor induki tiga phaa dapat lebih dari beberapa ribu HP, ukuran fiiknya lebih kecil daripada yang atu phaa, dan umumnya yang digunakan adalah daya kurang dari 50 HP. Tuga Akhir ini menggunakan motor induki tiga phaa karena mempergunakan tegangan uplai tiga phaa dari PLN. Berdaarkan rotor dari motor induki terdapt dua jeni motor, yaitu motor angkar bajing ( quirrel-cage motor ) dan motor rotor-lilitan ( woundrotor induction motor ). Yang dipergunakan dalam Tuga Akhir ini adalah motor angkar bajing karena murah, mudah perawatannya, ederhana, kuat, dan keandalannya tinggi... Pinip Kerja Motor Induki Tiga Faa..1. Gambaran Umum Motor Induki Tiga Faa Sebuah motor induki tiga faa memiliki kontruki yang hampir ama dengan motor litrik jeni lainnya. Pada daarnya terdiri ata dua bagian, yaitu tator, adalah bagian dari motor yang tidak bergerak ( tidak berputar ) dan rotor, bagian dari motor yang bergerak. Rotor letaknya terpiahkan dari tator dengan adanya celah udara ( gap ) yang bearnya dari 0,4 mm ampai 4 mm, tergantung pada daya motor terebut.
Penampang potongan motor induki tiga phaa ditunjukkan pada Gambar.1.1 Gambar.1.1 Potongan motor induki..1.1. Stator Stator adalah bagian dari motor yang tidak bergerak ( tidak berputar ) dan terdiri dari beberapa bagian. Penampang dari tator motor induki angkar bajing ditunjukkan pada Gambar.1. Gambar.1. Stator Motor Induki
Inti tator lapi-lapi plat baja beralur yang didukung dalam rangka tator yang terbuat dari bei tuang atau plat baja yang dipabrikai. Lilitan lilitan diletakkan dalam alur tator yang terpiah 10". Lilitan phaa ini bia terambung delta (A ) ataupun tar ( Y )...1.. Rotor Berdaarkan jeni rotor nya, motor induki tiga faa dapat dibedakan menjadi dua jeni, yang juga akan menjadi penamaan untuk motor terebut, yaitu rotor belitan (wound rotor) dan rotor angkar tupai (quirrel cage rotor). Jeni rotor belitan terdiri dari atu et lengkap belitan tiga faa yang merupakan bayangan dari belitan pada tatornya. Belitan tiga faa pada rotor belitan biaanya terhubung Y, dan maing-maing ujung dari tiga kawat belitan faa rotor terebut dihubungkan pada lip ring yang terdapat pada poro rotor (gambar.1.3(a)). Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung ingkatkan melalui ikat (bruh) yang menempel pada lip ring (perhatikan gambar.1.4), dengan menggunakan ebuah perpanjangan kawat untuk tahanan luar. (a) (b) Gambar.1.3. (a) Tampilan Cloe-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan (b) Motor Induki Tiga Faa Rotor Belitan
Gambar.1.4. Skematik Diagram Motor Induki Rotor Belitan Dari gambar.1.4. dapat dilihat bahwa emata-mata keberadaan lip ring dan ikat hanyalah ebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (external reitance). Keberadaan tahanan luar diini berfungi pada aat pengautan yang berguna untuk membatai aru mula yang bear. Tahanan luar ini kemudian ecara perlahan dikurangi ampai reitaninya nol ebagaimana kecepatan motor bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor telah mencapai kecepatan nominalnya, maka tiga buah ikat akan terhubung ingkat tanpa tahanan luar ehingga rotor belitan akan bekerja eperti halnya rotor angkar tupai. Rotor angkar mempunyai kumparan yang terdiri ata beberapa batang konduktor yang diuun edemikian rupa hingga menyerupai angkar tupai. Rotor terdiri dari tumpukan lempengan bei tipi yang dilaminai dan batang konduktor yang mengitarinya (perhatikan gambar.1.5(a)). Tumpukan bei yang dilaminai diatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (ebagai batang konduktor) dimaukan ke dalam lot dari inti rotor untuk membentuk erangkaian konduktor yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari ederetan batang-batang konduktor yang terletak pada alur-alur ekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya
dihubung ingkat dengan menggunakan cincin hubung ingkat (horting ring) atau diebut juga dengan end ring. (a) (b) Gambar.1.5. (a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya (b) Motor Induki Tiga Faa Rotor Sangkar Tupai... Prinip Kerja Motor Induki Tiga Faa Pada aat terminal tiga faa tator motor induki diberi uplai tegangan tiga faa eimbang, maka akan mengalir aru pada konduktor di tiap belitan faa tator dan akan menghailkan fluki bolak-balik. Amplitudo fluki per faa yang dihailkan berubah ecara inuoidal dan menghailkan fluk reultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya kontan yang berputar dengan kecepatan inkron : n = 10 f/p (.1) dimana, n = kecepatan inkron/medan putar (rpm) f = frekueni umber daya (Hz) p = jumlah kutub motor induki Medan putar akan terinduki melalui celah udara menghailkan ggl induki (ggl lawan) pada belitan faa tator. Medan putar terebut juga akan memotong
konduktor-konduktor belitan rotor yang diam (perhatikan gambar..1). Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluki yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang diebut juga dengan lip (). = n nr n. (.) Akibat adanya lip, maka ggl (gaya gerak litrik) akan terinduki pada konduktorkonduktor rotor. Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka aru akan mengalir pada konduktorkonduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan aru ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihailkan tator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini euai dengan hukum gaya lorentz yaitu bila uatu konduktor yang dialiri aru berada dalam uatu kawaan medan magnet, maka konduktor terebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) ebear : dimana, F = B.i.l.in θ (.3) F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton) B = kerapatan fluk magnetik (Wb/m) i = bear aru pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) θ = udut antara konduktor dan vektor kerapatan fluk magnetik Gaya F ini adalah hal yang angat penting karena merupakan daar dari bekerjanya uatu motor litrik.
Arah dari gaya elektromagnetik terebut dapat dijelakan oleh kaidah tangan kanan (right-hand rule) eperti pada gambar..1. Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor aru i dan jari tengah menyatakan arah dari vektor kerapatan fluk B, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor terebut. Gambar..1. Kaidah Tangan Kanan (Right Hand Rule) Gaya F yang dihailkan pada konduktor-konduktor rotor terebut akan menghailkan tori (τ). Bila tori mula yang dihailkan pada rotor lebih bear daripada tori beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar earah dengan putaran medan putar tator. Seperti yang telah diebutkan di ata, motor akan tetap berputar bila kecepatan medan putar lebih bear dari pada kecepatan putaran rotor (n > nr). Apabila n = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan medan putar (n) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain lip () adalah nol. Hal ini menyebabkan tidak adanya ggl terinduki pada kumparan rotor ehingga tidak ada aru yang mengalir, dengan demikian tidak akan dihailkan gaya yang dapat menghailkan kopel untuk memutar rotor.
.3. Rangkaian Ekivalen Motor Induki Tiga Faa Telah diebutkan ebelumnya bahwa motor induki identik dengan ebuah tranformator, tentu aja dengan demikian rangkaian ekivalen motor induki ama dengan rangkaian ekivalen tranformator. Perbedaan yang ada hanyalah, karena pada kenyataannya bahwa kumparan rotor (kumparan ekunder pada tranformator) dari motor induki berputar, yang mana berfungi untuk menghailkan daya mekanik. Awal dari rangkaian ekivalen motor induki dihailkan dengan cara yang ama ebagaimana halnya pada tranformator. Semua parameter-parameter rangkaian ekivalen yang akan dijelakan berikut mempunyai nilai-nilai perfaa..3.1 Rangkaian Ekivalen Stator Gelombang fluk pada celah udara yang berputar dengan kecepatan inkron membangkitkan ggl lawan tiga faa yang eimbang Ē 1 di dalam faa-faa tator. Bearnya tegangan terminal tator V 1 berbeda dengan ggl lawan Ē 1 ebear jatuh tegangan pada impedani bocor tator I 1(R 1 + jx 1 ), ehingga dapat dinyatakan dengan peramaan : V 1 = Ē 1 + I 1(R 1 + jx 1 ) (.4) dimana, V 1 = tegangan terminal tator (Volt) Ē 1 = ggl lawan yang dihailkan oleh fluk celah udara reultan (Volt) I 1 = aru tator (Ampere) R 1 = tahanan efektif tator (Ohm) jx 1 = reaktani bocor tator (Ohm)
Sebagaimana halnya pada tranformator, aru tator I 1 terdiri dari dua komponen. Komponen pertama I adalah komponen beban yang akan menghailkan fluk yang akan melawan fluk yang dihailkan oleh aru rotor. Komponen lainnya yaitu I 0, aru I 0 ini terbagi lagi menjadi dua komponen yaitu komponen rugi-rugi inti I 0 yang efaa dengan Ē 1 dan komponen magnetiai I m yang menghailkan fluk magnetik pada inti dan celah udara yang tertinggal 90 dari Ē 1. Sehingga dapat dibuat rangkaian ekivalen pada tator, eperti gambar.3.1 berikut ini. Gambar.3.1. Rangkaian Ekivalen Stator per-faa Motor Induki.3.. Rangkaian Ekivalen Rotor Reaktani yang didapat karena ebanding dengan frekueni rotor dan lip. Jadi X didefiniikan ebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktani bocor pada rotor dengan patokan pada frekueni tator. Pada tator ada gelombang fluk yang berputar pada kecepatan inkron. Gelombang fluk ini akan mengimbakan tegangan pada rotor dengan frekueni lip ebear E dan ggl lawan tator E 1. Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor akan ama dengan tegangan tator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan tator. Karena kecepatan relatif gelombang fluk terhadap rotor
adalah kali kecepatan terhadap tator, hubungan antara ggl efektif pada tator dan rotor adalah: E = E 1....(.5) Gelombang fluk magnetik pada rotor dilawan oleh fluk magnetik yang dihailkan komponen beban I dari aru tator, dan karenanya, untuk harga efektif I = I...(.6) Dengan membagi peramaan (.5) dengan peramaan (.6) didapatkan: E I S S = E I 1.....(.7) Didapat hubungan antara peramaan (.6) dengan peramaan (.7), yaitu E I S S = E 1 = I R + jx.........(.8) Dengan membagi peramaan (.8) dengan, maka didapat E 1 = I R + jx...... (.9) Dari peramaan (.9) dapat dibuat rangkaian ekivalen untuk rotor. Dari peramaan (.5) dan (.9) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor ebagai berikut : R X R X I E X E 1 I R E 1 I 1 R ( 1) Gambar.3.. Rangkaian Ekivalen Pada Rotor Motor Induki.
R R = + R - R R 1 = R + R ( 1).....(.10) Dari penjelaan mengenai rangkaian ekivalen pada tator dan rotor di ata, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induki tiga faa pada maing maing faanya. Perhatikan gambar di bawah ini. R 1 X 1 I X I 1 I Φ I V 1 Rc Ic X m I m E 1 E R Gambar.3.3. Rangkaian Ekivalen Motor Induki Tiga Phaa Untuk mempernudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada gambar.3.3 diata dapat dilihat dari ii tator, rangkaian ekivalen motor induki tiga faa akan dapat digambarkan ebagai berikut. R1 X 1 I X I 0 V 1 I 1 X m R c E 1 R I m I c Gambar.3.4. Rangkaian Ekivalen Dilihat Dari Sii Stator Motor Induki Atau eperti gambar berikut :
R1 X 1 I X R I 0 V 1 I 1 X m R c E 1 R 1 ( 1) I m I c Dimana: Gambar.3.5. Rangkaian Ekivalen Dilihat Dari Sii Stator Motor Induki X = a X R = a R Dalam teori tranformator-tatika, analii rangkaian ekivalen ering diederhanakan dengan mengabaikan eluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan memindahkan langung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induki yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya uatu aru peneralan yang angat bear (30% ampai 40% dari aru beban penuh) dan karena reaktani bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen R c dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi gambar berikut. R1 X 1 I X R I 0 V 1 I 1 X m E 1 R 1 ( 1) Gambar.3.6. Rangkaian Ekivalen Lain Dari Motor Induki
.4. Aliran daya dan Efiieni Motor Induki.4.1. Aliran Daya Pada motor induki, tidak ada umber litrik yang langung terhubung ke rotor, ehingga daya yang melewati celah udara ama dengan daya yang diinputkan ke rotor. Daya total yang dimaukkan pada kumparan tator (P in ) dirumukan dengan P = V I coθ ( Watt )..;...(.11 ) in 3 1 1 dimana : V 1 = tegangan umber (Volt) I 1 = aru maukan(ampere) θ = perbedaan udut phaa antara aru maukan dengan tegangan umber. Daya litrik diuplai ke tator motor induki diubah menjadi daya mekanik pada poro motor. Berbagai rugi rugi yang timbul elama proe konveri energi litrik antara lain : 1. rugi rugi tetap ( fixed loe ), terdiri dari : rugi rugi inti tator ( P i ) P i = 3. E 1 R C ( Watt )..(.1 ) rugi rugi geek dan angin. rugi rugi variabel, terdiri dari : rugi rugi tembaga tator ( P t ) P t = 3. I 1. R 1 ( Watt ).....(.13 ) rugi rugi tembaga rotor ( P tr )
P tr = 3. I. R ( Watt ).....(.14 ) Daya pada celah udara ( P cu ) dapat dirumukan dengan : P cu = P in P t P i ( Watt ). (.15 ) Jika dilihat pada rangkaian rotor, atu atunya elemen pada rangkaian ekivalen yang mengkonumi daya pada celah udara adalah reitor R /. Oleh karena itu daya pada celah udara dapat juga dituli dengan : P cu = 3. I. R ( Watt )....(.16 ) S Apabila rugi rugi tembaga dan rugi rugi inti dikurangi dengan daya input motor, maka akan diperoleh bearnya daya litrik yang diubah menjadi daya mekanik. Bearnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah : P mek = P cu P tr ( Watt )..... (.17 ) P mek = 3. I. R - 3. I. R S P mek = 3. I. R. ( 1 ) P mek = P tr x ( 1 ) ( Watt )... (.18 ) Dari peramaan (.11 ) dan (.13 ) dapat dinyatakan hubungan rugi rugi tembaga dengan daya pada celah udara : P tr =. P cu ( Watt ). (.19 ) Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan eliih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi rugi tembaga rotor, maka daya mekanik dapat juga dituli dengan : P mek = P cu x ( 1 ) ( Watt )...... (.0 )
Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonverikan dalam bentuk daya mekanik dikurangi dengan rugi rugi geek dan angin, ehingga daya keluarannya : P out = P mek P a&g P b ( Watt )... (.1 ) Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induki dapat dijabarkan dalam bentuk lip yaitu : P cu : P tr : P mek = 1 : : 1. Gambar.4.1 menunjukkan aliran daya pada motor induki tiga phaa : Energi litrik konveri Energi mekanik Gambar.4.1. Diagram Aliran Daya Motor Induki.4.. Efiieni Efiieni dari uatu motor induki didefeniikan ebagai ukuran keefektifan motor induki untuk mengubah energi litrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan ebagai perbandingan / raio daya output ( keluaran ) dengan daya input ( maukan ), atau dapat juga dirumukan dengan : P (%) = P out in lo out η 100% in P x100% = P P in x100% = P out P + P Lo...(. ) Plo = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb..(.3 )
P in = 3. V 1. I 1. Co (.4 ) Dari peramaan di ata dapat dilihat bahwa efiieni motor tergantung pada bearnya rugi rugi. Pada daarnya metode yang digunakan untuk menentukan efiieni motor induki bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani ecara penuh atau pembebanan imulai yang haru digunakan. dimana : P cu = daya yang diinputkan ke rotor ( Watt ) P tr = rugi rugi tembaga rotor ( Watt ) P mek = daya mekanik dalam bentuk putaran ( Watt ) Efiieni dari motor induki dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol dan pengujian hubung ingkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi rugi mekanik dan rugi rugi inti. Rugi rugi tembaga tator tidak dapat diabaikan ekalipun motor berbeban ringan maupun tanpa beban..5. Klaifikai Deain Motor Induki Standard NEMA pada daarnya mengkategorikan motor induki ke dalam empat kela yakni diain A,B,C, dan D. 1. Kela A : diain ini memiliki tori tart normal (150 170%) dari nilai ratingnya) dan aru tart relatif tinggi. Tori break down nya merupakan yang paling tinggi dari emua diain NEMA. Motor ini mampu menangani beban lebih dalam jumlah bear elama waktu yang ingkat. Slip 5%. Kela B : merupakan diain yang paling ering dijumpai di paaran.
Motor ini memiliki tori tart yang normal eperti halnya diain kela A, akan tetapi motor ini memberikan aru tart yang rendah. Tori locked rotor cukup baik untuk mentart berbagai beban yang dijumpai dalam aplikai indutri. Slip motor ini 5 %. Effiieni dan faktor dayanya pada aat berbeban penuh tinggi ehingga diain ini merupakan yang paling populer. Aplikainya dapat dijumpai pada pompa, kipa angin/ fan, dan peralatan peralatan mein. 3. Kela C : memiliki tori tart lebih tinggi (00 % dari nilai ratingnya) dari dua diain yang ebelumnya. Aplikainya dijumpai pada beban beban eperti konveyor, mein penghancur (cruher ), kompereor,dll. Operai dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpaoverload dalam jumlah bear. Aru tartnya rendah, lipnya 5 %. 4. Kela D : memiliki tori tart yang paling tinggi. Aru tart dan kecepatan beban penuhnya rendah. Memiliki nilai lip yang tinggi (5-13 % ), ehingga motor ini cocok untuk aplikai dengan perubahan beban dan perubahan kecepatan ecara mendadak pada motor. Contoh aplikainya : elevator, crane, dan ektraktor. Karakteritik tori kecepatannya dapat dilihat pada gambar.5.1. Gambar.5.1. Karakteritik Tori-Kecepatan Motor Induki Pada Berbagai Diain