PERBANDINGAN PENGARUH TAHANAN ROTOR TIDAK SEIMBANG DAN SATU FASA ROTOR TERBUKA : SUATU ANALISIS TERHADAP EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA Wendy Tambun, Surya Tarmizi Kasim Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU) Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA e-mail: new_id.tambun@yahoo.com Abstrak Motor induksi tiga fasa banyak digunakan dalam perindustrian karena penggunaannya yang sederhana. Bila motor induksi tiga fasa kurang perawatan atau motor tersebut sudah tua, dapat menyebabkan tahanan rotor menjadi tidak seimbang ataupun satu fasanya rusak. Hal ini dapat mempengaruhi kinerja dan efisiensi motor induksi tersebut. Telah dilakukan percobaan untuk mengetahui nilai efisiensi motor induksi dengan tahanan rotor tidak seimbang dan motor induksi dengan satu fasa rotor terbuka. Hasil percobaan menunjukkan untuk beban 20%, 40%, dan 60% motor induksi tahanan rotor yang tidak seimbang memiliki efisiensi 12.76%, 18.02%, dan 20.28% dengan daya masuk 0.38 Kw, 0.41 Kw, dan 0,47 Kw. Dengan beban yang sama motor induksi dengan satu fasa rotor terbuka memiliki nilai efisiensi 37.4%, 49.1%, 69.9% dengan daya masuk 1.1 Kw, 1,4 Kw, dan 1,83 KW. Kata Kunci: Motor induksi, satu fasa terbuka 1. Pendahuluan Motor induksi merupakan motor yang banyak dipakai pada perindustrian. Kinerja dari motor ini sangat dipengaruhi oleh usia motor dan perawatan nya. Lepasnya lempengan rotor pada rotor dapat mengakibatkan tahanan rotor yang tidak seimbang atau merusak satu fasa rotornya. Dengan kondisi tahanan rotor yang tidak seimbang atau dengan kondisi satu fasa rotor rusak dan tidak berfungsi, motor induksi masih dapat dioperasikan ke beban yang lebih ringan dari beban yang dipikul sebelumnya. 2. Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan statornya, selisih putaran rotor dan putaran medan stator ini disebut slip Motor induksi ini hanya memiliki satu suplai tenaga yang mengeksitasi belitan statornya. Belitan rotornya tidak terhubung langsung dengan sumber tenaga listrik melainkan diinduksi oleh perubahan medan magnetik yang disebabkan oleh arus pada belitan statornya. Motor induksi tiga fasa sangat banyak digunakan sebagai penggerak di perindustrian karena memiliki banyak keuntungan namun juga memiliki beberapa kerugian [1]. Keuntungan motor induksi tiga fasa: 1. Motor induksi tiga fasa sangat sederhana dan kuat. 2. Biayanya murah dan handal. 3. Motor induksi tiga fasa memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal. 4. Perawatannya mudah. Kerugian motor induksi tiga fasa: 1. Kecepatannya tidak bias bervariasi tanpa merubah efisiensi. 2. Kecepatannya tergantung beban. 3. Pada torsi start memiliki kekurangan. Perputaran motor pada motor induksi ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluks yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, umumnya fasa 3. Hubungan dapat berupa hubungan bintang atau delta. Misalkan kumparan a a; b b; c c pada Gambar 1.a dihubungkan 3 fasa, dengan beda fasa masing masing 120 0 dan dialiri arus -41- copyright @ DTE FT USU
sinusoid. Distribusi arus i a, i b, i c sebagai fungsi waktu adalah seperti Gambar 1. b. Pada t 1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan a a; sedangkan pada t 2, fluks resultannya mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilakan oleh kumparan c c; dan untuk t 3 fluks resultan mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan oleh kumparan b b. Untuk t 4, fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks resultan yang dihasilkan pada saat t 1 [2], [3]. Gambar 1. (a) Kumparan a -a;b b; c-c (b) Arus tiga fasa setimbang (c) Medan putar pada motor induksi tiga fasa Dari Gambar 1 [2], terlihat fluks resultan ini akan berputar satu kali. Oleh karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron dapat diturunkan sebagai berikut : 120. f n s = (2.1) p n s = Kecepatan sinkron (Rpm) f = frekuensi ( Hz ) p = jumlah kutub Secara umum prinsip kerja motor induksi dapat dijabarkan dalam langkah-langkah berikut [1], [2]: 1. Pada keadaan beban nol Ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang 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 d e 1 = N 1 ( Volt ) dt atau E1 4,44fN1Φ (Volt) (2.2) 5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik secara periodic akan menghasilkan medan putar yang disebut dengan kecepatan sinkron n s. Besarnya nilai n s ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan sesuai dengan persamaan 2.1 6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E 2 yang besarnya dimana : E 2 E (2.3) 2 4,44fN2Φ m = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt) N 2 = Jumlah lilitan kumparan rotor Ф m = Fluksi maksimum(wb) 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% (2.4) ns 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 E 4,44sfN Φ (2.5) 2s dimana 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 m -42- copyright @ DTE FT USU
3. Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa Dalam Keadaan Tahanan Rotor Tidak Seimbang dan Satu Fasa Rotor Terbuka 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 dimasukkan pada kumparan stator (P in ) dirumuskan dengan Pin 3V 1I1 cos ( Watt) (3.1) dimana : V 1 = tegangan sumber (Volt) I 1 = arus masukan(ampere) θ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber. Berbagai rugi-rugi timbul selama proses konversi energi [1]. Adapun rugi-rugi tersebut yaitu: 1. Rugi-rugi tembaga stator 2. Rugi-rugi inti stator 3. Daya pada celah udara 4. Rugi-rugi tembaga rotor 5. Rugi-rugi gesek dan angin Rugi-rugi ini akan mengakibatkan berkurangnya daya keluar, diagram aliran daya pada motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2 [1], [4]. Motor induksi tiga fasa dalam keadaan tahanan rotor tidak seimbang dapat dilihat pada Gambar 3[5]. Gambar 3. Motor induksi dengan belitan rotor tidak seimbang Untuk persamaan arus pada motor induksi dengan keadaan tahanan rotor yang tidak seimbang dapat dilihat pada persamaan dibawah ini : = ( + + ) (3.3) = ( + + ) (3.4) = ( + a + ) (3.5) = ( + + a ) (3.6) = - ; = - ; = - (3.7) Motor induksi tiga fasa dalam keadaan satu fasa rotor terbuka dapat dilihat pada Gambar 4[5]. Gambar 2. Diagram aliran daya motor induksi Efisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan 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% (3.2) Gambar 4. Motor induksi dengan satu fasa rotor terbuka Untuk persamaan arus pada motor induksi dengan keadaan tahanan satu fasa rotor terbuka dapat dilihat pada persamaan dibawah ini : I a = 0 I b = -Ic V b = V c = = (3.8) = = ( ) (3.9) Dari nilai besaran dan untuk kedua keadaan diatas, maka kita dapat mendapatkan -43- copyright @ DTE FT USU
persamaan torsi untuk kedua keadaan tersebut, yaitu [5]: =3 [ ( ) + ( )] = + (3.10) Dimana torsi adalah penjumlahan dari maju ( ) dan torsi mundur ( ). Untuk menggunakan komponen simetris urutan 1 dan untuk memakai komponen simetris urutan 2. Setalah diketahui besar torsi maka dapat diperoleh besar P out untuk kedua keadaan diatas. P out = Te. (Nm) (3.11) Maka efisiensi: Te. r (3.12) P in 4. Pengujian Motor Induksi Dengan Tahanan Rotor Tidak Seimbang dan Satu Fasa Rotor Terbuka Pada penelitian ini dilakukan percobaan untuk mendapatkan nilai efisiensi motor induksi tiga fasa dengan tahanan rotor tidak seimbang dan satu fasa rotor terbuka. Spesifikasi motor induksi tiga fasa yang digunakan dapat dilihat pada Tabel 1. Tabel 1. Spesifikasi Motor Induksi Motor Induksi 3 Fasa Jenis Motor AEG Typ C AM 112MU 4RI Tipe Belitan /Y Tegangan 220/380 V Arus 10,7 / 6,2 A Putaran 1410 rpm Frekuensi 50 H Jenis Isolasi Isolasi B Percobaan dilakukan di laboratorium konversi energi listrik, Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara. Percobaan yang pertama dilakukan adalah percobaan berbeban. Rangkaian percobaan untuk percobaan berbeban dapat dilihat pada Gambar 5. Gambar 5. Rangkaian percobaan pembebanan motor induksi Pada percobaan berbeban, terminal rotor dihubungkan dengan tahanan luar yang sama besar, yaitu sebesar 2 ohm, kemudian tegangan pada PTAC dinaikkan secara perlahan hingga 250 Volt. Beban dinaikkan menjadi 20%, 40%, 60%. Ukur kecepatan putar rotor, slip, daya masuk, dan arus pada setiap fasa rotor untuk setiap kenaikan bebannya. Dari percobaan tersebut diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2. Data hasil pengujian motor induksi keadaan berbeban Percobaan yang dilakukan setelah itu yaitu percobaan berbeban dengan tahanan rotor tidak seimbang. Rangkaian percobaan dengan tahanan rotor tidak seimbang dapat dilihat pada Gambar 6. PT AC1 3 Phasa S 1 A1 K L R S T V 1 Gambar 6. Rangkaian percobaan berbeban dengan tahanan rotor yang tidak seimbang Pada percobaan berbeban dengan tahanan rotor tidak seimbang, salah satu tahanan luar yang terhubung pada terminal rotor dinaikkan menjadi 3 ohm, kemudian tegangan pada PTAC dinaikkan secara perlahan hingga 250 Volt. Beban dinaikkan menjadi 20%, 40%, 60%. Ukur kecepatan putar rotor, slip, daya masuk, dan arus pada setiap fasa rotor untuk setiap kenaikan bebannya. Dari percobaan tersebut diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 3. A5 MI A6 A4 n T Mesin DC S 3 A2 A3 PT DC 1 S2 R PT AC1 3 Phasa A 1 V 1 MI A6 n T Mesin DC A2 R Tabel 3. Data hasil pengujian motor induksi keadaan berbeban dengan kondisi tahanan rotor tidak seimbang S1 A5 A4 A3 S2 K L R S T PT DC1-44- copyright @ DTE FT USU
Percobaan yang kemudian dilakukan adalah percobaan berbeban dengan satu fasa rotor terbuka. Pada percobaan ini tahanan luar yang pada percobaan sebelumnya dinaikkan menjadi 3 ohm dilepas, sehingga hanya menggunakan dua tahanan luar dengan besar masing-masing 2 ohm. Rangkaian percobaan berbeban dengan satu fasa rotor terbuka dapat dilihat pada Gambar 7. Dari hasil perhitungan, diketahui bahwa nilai efisiensi dari motor induksi dengan keadaan satu fasa rotor terbuka lebih besar dari pada motor induksi dengan keadaan tahanan normal dan tahanan rotor tidak seimbang. Kurva perbandingan efisiensi terhadap beban dapat dilihat pada Gambar 8. Gambar 7. Rangkaian percobaan berbeban dengan satu phasa rotor terbuka Kemudian tegangan pada PTAC dinaikkan hingga secara perlahan menjadi 250 Volt. Beban dinaikkan menjadi 20%, 40%, 60%. Ukur kecepatan putar rotor, slip, daya masuk, dan arus pada setiap fasa rotor untuk setiap kenaikan bebannya. Dari percobaan tersebut diperoleh data yang dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4. Data hasil pengujian motor induksi keadaan berbeban dengan kondisi satu phasa rotor terbuka Dari data yang diperoleh dalam percobaan berbeban, percobaan berbeban dengan tahanan rotor tidak seimbang, dan percobaan berbeban dengan satu fasa rotor terbuka, maka dapat dilakukan perhitungan untuk mendapatkan nilai torsi dan efisiensi pada motor induksi dengan kondisi tersebut. Adapun hasil perhitungan nilai torsi dan efisiensi pada percobaan berbeban, percobaan berbeban dengan tahanan rotor tidak seimbang, dan percobaan berbeban dengan satu fasa rotor terbuka dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5. Hasil perhitungan torsi dan efisiensi motor induksi keadaan berbeban dengan kondisi phasa normal, tahanan rotor tidak seimbang dan satu phasa terbuka Gambar 8. Kurva perubahan efisiensi terhadap beban Daya yang diperlukan motor induksi dengan keadaan satu fasa rotor terbuka jauh lebih besar, dibandingkan daya yang diperlukan motor induksi dengan keadaan tahanan rotor tidak seimbang dan kedaan normal. Perbandingan daya masuk terhadap beban dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9. Kurva perbandingan daya masuk terhadap beban Kesimpulan Dari hasil perhitungan dan analisis data maka dapat disimpulkan: 1. Untuk beban 20%, 40%, dan 60%, motor induksi dengan keadaan satu fasa rotor -45- copyright @ DTE FT USU
terbuka memiliki efisiensi sebesar 37.4%, 49.1%, dan 69.9%, sedangkan pada keadaan normal nilai efisiensinya, 25.76%, 34.46%, dan 39.11%, dan pada keadaan tahanan rotor tidak seimbang nilai efisiensinya 12.76%, 18.02% dan 20.28% 2. Dengan penambahan beban menjadi 20%, 40% dan 60% maka terlihat, motor induksi satu fasa rotor terbuka mengalami kenaikan daya input yang besar yaitu 1,1 Kw, 1,4 Kw, dan 1,83 Kw, sedangkan pada keadaan normal daya input yang digunakan yaitu 0,39 Kw, 0,41 Kw, dan 0,48 Kw, dan pada keadaan tahanan rotor tidak seimbang daya input yang digunakan yaitu 0,38 Kw, 0,41 Kw dan 0,47 Kw, dengan kata lain kemampuan dari motor induksi dengan satu fasa rotor terbuka mengalami penurunan kinerja kerja yang lebih buruk dari pada keadaan tahanan rotor yang tidak seimbang. [8] Theraja, B.L. & Theraja, A.K., A Text Book of Electrical Technology, New Delhi, S.Chand and Company Ltd., 2001. Ucapan Terimakasih Penulis mengucapkan terimakasih kepada Bapak alm. Ir. Satria Ginting, MT dan Bapak Ir. Surya Tarmizi Kasim, M.Si dan juga asisten laboratorium konversi energi listrik FT-USU atas bantuannya dalam menyelesaikan penelitian ini. Referensi [1] Wijaya, Mochtar, Dasar-Dasar Mesin Listrik, Penerbit Djambatan, Jakarta, 2001. [2] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Edisi ke-5, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995. [3] Wildi, Theodore, Electrical Machines, Drives And Power System, Prentice Hall International, Liverpool, 1983. [4] Chapman, Stephen J, Electric Machinery Fundamentals,Third Edition Mc Graw Hill Companies, New York, 1999. [5] Boldea, I., and Nasar, S.A., Induction Machines Handbook, CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, 2002. [6] Fitzgerald, A.E., Kingsley, C.Jr., Umans, S.D., Electric Machinery, Sixth Edition, Mc Graw Hill, Singapore, 2003. [7] Lister, E.C., Mesin dan Rangkaian Listrik, Sixth Edition, McGraw-Hill, Inc., 1984.diterjemahkan oleh : Ir.Drs. Gunawan, H., P.T. Gelora Aksara Pratama, 1993. -46- copyright @ DTE FT USU