BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Motor Arus bolak-balik Motor arus bolak-balik (motor AC) menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC mempunyai dua buah bagian dasar listrik, yaitu Stator dan Rotor. Stator merupakan komponen listrik statis, sedangkan rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Salah satu kerugian menggunakan motor AC dibandingkan dengan motor DC adalah kecepatan motor AC sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian tersebut, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekuensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling poupuler di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. 2.2 Jenis-jenis motor arus bolak-balik 2.2.1 Motor sinkron Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistem frekuensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk 7

8 pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompressor udara, perubahan frekuensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistem, sehingga sering digunakan pada sistem yang menggunakan banyak listrik. Bentuk fisik dari motor sinkron dapat ditunjukkan pada gambar 2.1 Gambar 2.1 Motor sinkron 2.2.2 Motor Asinkron (motor Induksi) Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai industri. Hal tersebut dikarenakan rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat serta dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC. Adapun bagian-bagian dari motor asinkron dapat ditunjukkan pada gambar 2.2 Gambar 2.2 Motor asinkron

9 2.3 Jenis motor asinkron (motor induksi) Dalam penggunaannya motor induksi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu : 2.3.1 Motor induksi satu phasa Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu phase, memiliki sebuah rotor sangkar tupai dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor induksi satu phase merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci, pengering pakaian dan untuk penggunaan hingga 3-4 Hp. 2.3.2 Motor induksi tiga phasa Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga phase yang seimbang. Motor induksi tiga phasa ini memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki sangkar tupai atau gulungan rotor (meskipun 90% memiliki rotor sangkar tupai). Motor jenis ini sering digunakan untuk keperluan industri, seperti penggerak pompa, compressor, belt conveyor maupun jaringan listrik. 2.4 Medan Magnet Putar Apabila belitan stator dihubungkan dengan catu daya tiga fasa maka akan dihasilkan medan magnet yang berputar, medan magnet ini dibentuk oleh kutubkutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah-ubah mengelilingi stator. Dimana diagram phasor fluks tiga fasa yang seimbang seperti pada gambar 2.3. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua, dimana ke-tiga fasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga fasa, dan arus

10 pada fasa ini ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT seperti pada gambar 2.4, maka fluks yang dihasilkan oleh arus arus ini adalah : Φ R = Φ m sin ωt..(2.1a) Φ S = Φ m sin (ωt 120 )..(2.1b) Φ T = Φ m sin (ωt 240 )..(2.1c) Gambar 2.3 Diagram phasor fluks tiga phasa seimbang Gambar 2.4 Arus tiga phasa yang seimbang

11 Gambar 2.5 Medan putar pada motor induksi tiga phasa Pada keadaan a (gambar 2.5), ωt = 0 ; arus dalam fasa R bernilai nol sedangkan besarnya arus pada fasa S dan fasa T memiliki nilai yang sama dan arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φm seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.6 Gambar 2.6 Resultan fluks pada saat ωt = 0

12 Φ 0.....(2.2 a) Φ Φ sin120 Φ..(2.2 b) Φ Φ sin240 Φ.(2.2 c) Oleh karena itu resultan fluks Φ r pada gambar 2.6 adalah jumlah phasor dari Φ T dan - Φ S sehingga resultan fluks adalah : Φ 2 3 2 Φ mcos30 1,5 Φ m (2.2 d) Pada keadaan b (gambar 2.5), arus bernilai maksimum negatif pada fasa S, sedangkan pada R dan fasa T bernilai 0,5 maksimum pada fasa R dan fasa T, dan pada saat ini ωt = 30, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing phasa dapat ditunjukkan pada gambar 2.7 Gambar 2.7 Resultan fluks pada saat ωt = 30 Φ Φ sin30 0,5 Φ...(2.3 a) Φ Φ sin90 Φ...(2.3 b) Φ! Φ sin210 0,5 Φ...(2.2 c)

13 Maka jumlah phasor Φ R dan Φ T pada gambar 2.7 adalah Φ r = 2 x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluksnya didapat : Φ r = 0,5 Φ m + Φ m = 1,5 Φ m......(2.3 d) Dari gambar 2.7 diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 30 dari posisi pertama. Pada keadaan c (gambar 2.5), ωt = 60, arus pada fasa R dan fasa S memiliki besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φm ), oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing phasa dapat ditunjukkan pada gambar 2.8 Gambar 2.8 Resultan fluks pada saat ωt = 60 Φ " Φ sin60 Φ...(2.4 a) Φ Φ sin60 Φ..(2.4 b) Φ Φ sin180 0...(2.4 c)

14 Maka magnitudo dari fluks resultan adalah Φ % 2 Φ cos30 1,5Φ...(2.3 d) Dari gambar 2.8 diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 60 dari posisi pertama. Pada keadaan d (gambar 2.5), ωt = 90, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan arus pada phasa S dan phasa T = 0,5 Φm, oleh karena itu fluks yang diberikan pada masing-masing phasa dapat ditunjukkan pada gambar 2.9 Gambar 2.9 Resultan fluks pada saat ωt = 90 Φ " Φ sin90 Φ...(2.5 a) Φ Φ sin30 0,5 Φ...(2.5 b) Φ Φ sin150 0,5 Φ......(2.5 c) Maka jumlah phasor - Φ T dan Φ S adalah = Φ r = 2 x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluks adalah : Φ r = 0,5 Φ m + Φ m = 1,5 Φ m...(2.5 d)

15 Dari gambar 2.8 diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah 90 dari posisi pertama. 2.5 Frekuensi Rotor Frekuensi rotor tidak persis sama seperti frekensi stator. Jika rotor motor terkunci sehingga tidak dapat bergerak nr = 0 rpm, maka rotor akan mempunyai frekuensi yang sama seperti stator f2 = f1, dimana pada kondisi ini slip s = 1. Akan tetapi, jika rotor berputar pada kecepatan (mendekati) sinkron nr ns, maka frekuensi rotor akan menjadi (mendekati) nol f2 0, dimana pada kondisi ini slip s 0. Dari pernyataan di atas, maka dapat dibuat hubungan persamaan frekuensi rotor f2 terhadap frekuensi stator f1 sebagai berikut, & ' ( ) ' * ' (...(2.6) f2 = sf1...(2.7) Dengan mensubstitusikan persamaan (2.6) ke dalam persamaan (2.7), maka didapat, +, ' ( ) ' * ' ( - +....(2.8) Dari persamaan (2.7) diketahui bahwa ns = 120f1/P, maka + / 0 / 1 2 +.34. 5 + / 0 / 1 2.3......(2.9)

16 2.6 Karakteristik motor induksi 3 phasa Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi pada motor induksi 3 phasa dengan arus yang sudah ditetapkan dapat ditunjukkan kedalam satu grafik torquekecepatan motor seperti yang ditunjukkan pada grafik 2.1. Grafik 2.1 Hubungan torque dan kecepatan motor induksi 3 phasa Pada grafik 2.1 Hubungan torque dan kecepatan diatas terdapat 3 kondisi yaitu : Bila motor mulai menyala ternyata terdapat arus start awal yang tinggi dan torsi yang rendah (pull-up torque). Bila motor mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (pull-out torque) dan arus mulai menurun. Bila motor pada kecepatan penuh atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke nol.

17 2.7 Motor Current Signature Analysis Motor current signature analysis (MCSA) adalah suatu teknik yang digunakan untuk menentukan kondisi operasi motor arus bolak-balik (motor AC) tanpa harus menghentikan produksi. Teknik MCSA dapat digunakan bersama dengan analisa vibrasi dan analisa yang berkenaan dengan Thermography untuk mengkonfirmasikan keputusan diagnostik mesin. MCSA digunakan pada prinsip bahwa motor induksi dalam keadaan operasi, pada pokoknya dipandang sebagai suatu transducer. Dengan clamping sensor arus Hall effect baik pada sirkuit primer maupun sirkuit sekunder, fluktuasi arus didalam motor dapat diamati. Riset telah menunjukkan bahwa ketika ada resistance tinggi (sebagai contoh dalam kaitan dengan broken rotor bars) harmonic fluxes diproduksi didalam air gap. Fluxes ini mempengaruhi komponen arus didalam gulungan stator yang menyebabkan modulasi supply arus (banyaknya slip pada pole motor). Sinyal diproses dengan teknik memisahkan frekuensi modulasi dan dengan jelas menghadirkan hubungan amplitudo frekuensi modulasi ke line frekuensi. Dapat diketahui hubungan ini memperlihatkan perilaku, peristiwa kehadiran dan besarnya kerusakan (defect). Motor current signature analysis (MCSA) adalah suatu sistem untuk meneliti atau kecenderungan dinamis, yang diberi sistem tenaga. Analisa sesuai hasil MCSA akan membantu teknisi dalam mengidentifikasi : 1. Kesehatan lilitan incoming 2. Kesehatan gulungan stator 3. Kesehatan rotor 4. Air gap static dan dynamic eccentricity

18 5. Kesehatan coupling, termasuk belt sistem dan gear sistem 6. Beban 7. Beban sistem dan effisiensi 8. Kesehatan bearing Suatu sinyal arus motor idealnya suatu gelombang sinusoidal sempurna pada 50Hz. Dengan gambar, kita dapat menghadirkan arus dalam kaitan dengan waktu seperti halnya frekuensi. Pada gambar 2.10 menampilkan gambar yang pertama (gambar 2.10 a) yaitu hubungan arus dan waktu, sedangkan gambar kedua (gambar 2.10 b) menampilkan hubungan arus dan frekuensi. (a) Hubungan arus dan waktu (b) Hubungan arus dan frekuensi Gambar 2.10 Sinyal 50 Hz dalam domain time dan frequency Amplitudo dari puncak frekuensi adalah sama dengan RMS amplitudo dari gelombang sinus. Ini adalah suatu teoritis dengan tidak adanya suatu harmonisa, kita dapat melihat hanya ada satu puncak dalam spektrum frekuensi. Konversi

19 arus dari waktu ke daerah frekuensi dicapai dengan menggunakan algoritma Fast Fourier Transform (FFT). Selama motor beroperasi, akan banyak sinyal harmonisa hadir di motor. Suatu sinyal akan menunjukkan banyak peak yang mencakup line frekuensi dan harmonisanya. Hal inilah yang dikenal dengan sebagai motor s current signature. Penelitian harmonisa ini setelah pengaruh amplifikasi dan kondisi sinyal akan memungkinkan identifikasi berbagai kesalahan pada motor. 2.7.1 Analisa Rotor Salah satu yang utama kekuatan Motor Current Signature Analisys (MCSA) adalah analisa rotor. Broken rotor bar, static ecentricity dan dynamic eccentricity adalah tiga jenis dasar issue motor yang dapat dianalisa dengan menggunakan metode MCSA. Broken rotor bar biasanya ditemukan ketika slip frekuensi sidebands disekitar line frekuensi. Standar peraturan dari pengalaman adalah kesalahan itu dideteksi ketika sidebands ini ditemukan melebihi -35db atau sering dikenal sebagai 35db menurun. Sideband yang ditemukan pada analisa rotor ini dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan : 6 789:;'8 <6 0='>?1@'@A002998 6 1A''7'B 02998 C DEFG&...(2.10) 6 1A''7'B 02998 @H;1= 291 7'AH92 I3 09>@'8/7'.......(2.11) 6 0K72 L M7'9 419NA9'>= 2@K90......(2.12) Dimana : Fsideband = frekuensi sideband yang timbul (Hz) Fsynchronous speed = Frekuensi slip motor

20 Frunning speed = frekuensi motor per detik selama motor beroperasi (Hz) Poles = jumlah kutub pada sebuah motor induksi Gambar 2.11 Broken rotor bar pada low frequency Jika frekuensi sideband yang sebesar -17.32 Hz seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.11 tersebut muncul pada puncak line frekuensi 50 Hz pada algoritma Fast Fourier Transform (FFT) dan bernilai -40 db maka dapat ditentukan bahwa motor tersebut teridentifikasi adanya kerusakan rotor bar (rotor bar broken). Tabel 2.1 Rotor bar damage severity level chart

21 2.7.2 Analisa Static eccentricity Static eccentricity dapat ditemukan didalam spektrum frekuensi tinggi seperti pada gambar 2.12. Static eccentricity terjadi jika pusat frekuensi (Center frekuensi/cf) tidaklah mencapai puncak didalam spektrum tetapi disusun sebagai hasil perkalian antara running frekuensi (RF) dengan jumlah rotor bar (RB) pada motor induksi. Persamaan yang digunakan untuk menghitung terjadinya static eccentricity adalah sebagai berikut : 6 0H;H7> 9>>9'H17>7H= O P Q O R S T Q U R....(2.13) 6 1A''7'B 02998 @H;1= 291 7'AH92 I3 09>@'8/7'.......(2.14) Dimana : Fstatic eccentricity = frekuensi sideband timbul akibat adanya eccentricity (Hz) RF (Frunning speed) = frekuensi motor per detik selama motor beroperasi (Hz) RB (Rotor Bar) = jumlah rotor bar pada motor induksi LF (Line frekuensi) = frekuensi dasar (50 Hz) N = bilangan bulat integer Gambar 2.12 Static eccentricity pada high frequency

22 2.7.3 Analisa Dynamic eccentricity Dynamic eccentricity berbeda dengan static eccentricity, pada keadaan dynamic eccentricity akan ada juga running speed sideband disekitar static eccentricity sideband dari frekuensi dasar seperti pada gambar 2.13. Gambar 2.13 Dynamic eccentricity dengan sidebandnya Gambar 2.14 Pola Eccentricity pada rotor dan stator

23 2.7.4 Analisa stator Permasalahan stator winding ditemukan dengan mengidentifikasi stator slot passing frequencies (SP). Center frekuensi (CF) pada analisa stator dapat ditentukan dengan perkalian banyaknya slot stator dengan running speed. Permasalahan ditemukan ketika sideband nampak disekitar slot passing (SP) pada center frekuensi (CF). 6 0H;H@10K@H = O R VWXWE &FEW.......(2.15) 6 1A''7'B 02998 = @H;1= 291 7'AH92 I3 09>@'8/7'.......(2.16) Dimana : Fstator slot = frekuensi sideband yang muncul akibat stator Stator slot = banyaknya slot stator pada winding motor induksi RF (Frunning speed) = frekuensi motor per detik selama motor beroperasi (Hz) Apabila center frekuensi (CF) mempunyai sideband yang muncul pada line frekuensinya maka adanya indikasi kerusakan pada mekanik stator (mechanical stator), sedangkan bila sideband muncul pada running speednya maka terindikasi adanya penurunan atau degradasi pada elektrik stator (stator electrical). 2.7.5 Analisa bearing Untuk menganalisa kerusakan sebuah bearing pada motor induksi dengan metode MCSA, terlebih dahulu kita harus memperoleh pabrikan bearing yang sesuai dengan ukuran kemudian memperoleh jenis bearing yang mana dapat diperoleh dari cataog pabrik atau secara langsung melalui MCSA perangkat lunak ATPOL S. Jenis ini sudah dilengkapi dengan :

24 1. Ball pass Outer Race (BPOR) 2. Ball pass Inner Race (BPIR) 3. 2x Ball spin Frequency (2x BSF) 4. Cage Frequency (FTF) Frekuensi bearing ditemukan seperti masing-masing running frekuensi dengan line frekuensi sideband. Harmonisa untuk frekuensi bearing dapat ditemukan oleh perkalian masing-masing frekuensi bearing yaitu bilangan bulat (N) dengan line frekuensi (LF) dengan sideband disekelilingnya. 6 P9;17'B = YZ[O O R T±U R.......(2.17) 6 1A''7'B 02998 = @H;1= 291 7'AH92 I3 09>@'8/7'.......(2.18) Dimana : Fbearing = frekuensi sideband yang muncul pada masing-masing bearing (Hz) BPOR = Ball pass Outer Race RF (Frunning speed) = frekuensi motor per detik selama motor beroperasi (Hz) LF (Line frekuensi) = frekuensi dasar (50 Hz) N = bilangan bulat integer 2.7.6 Analisa Mechanical Unbalance Mechanical unbalance ditemukan dengan menentukan perkalian antara jumlah rotor bar dengan running frekuensi seperti pada static eccentricity dan dynamic eccentricity. 6 9>?;'7>;K A':;K;'>9 O P Q O R S T Q U R...(2.19) 6 1A''7'B 02998 @H;1= 291 7'AH92 I3 09>@'8/7'.......(2.20)

25 Dimana : Fstatic eccentricity = frekuensi sideband timbul akibat adanya eccentricity (Hz) RF (Frunning speed) = frekuensi motor per detik selama motor beroperasi (Hz) RB (Rotor Bar) = jumlah rotor bar pada motor induksi LF (Line frekuensi) = frekuensi dasar (50 Hz) N = bilangan bulat integer Akan ada line frekuensi (LF) disekitar center frekuensi (CF) yang diikuti dengan empat kali line frekuensi (LF), kemudian dua kali line frekuensi (LF) peak. Didalam sistem 50 Hz, pola ini akan nampak ketika pada 100 Hz, 200 Hz dan 100 Hz.