BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2. 1 Motor Induksi Tiga Fasa Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik yang paling banyak digunakan dalam dunia industri. Dinamakan motor induksi karena pada kenyataannya arus rotor motor ini bukan diperoleh dari suatu sumber listrik, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar. Dalam kenyataannya, motor induksi dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu dengan kumparan stator sebagai kumparan primer yang diam, sedangkan kumparan rotor sebagai kumparan sekunder yang berputar [6]. Motor induksi tiga fasa berputar pada kecepatan yang pada dasarnya adalah konstan, mulai dari tidak berbeban sampai mencapai keadaan beban penuh. Kecepatan putaran motor ini dipengaruhi oleh frekuensi, dengan demikian pengaturan kecepatan tidak dapat dengan mudah dilakukan terhadap motor ini. Walaupun demikian, motor induksi tiga fasa memiliki beberapa keuntungan, yaitu sederhana, konstruksinya kokoh, harganya relatif murah, mudah dalam melakukan perawatan, dan dapat diproduksi dengan karakteristik yang sesuai dengan kebutuhan industry [6]. 2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama dengan motor listrik jenis lainnya. Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar sebagaimana diperlihatkan pada gambar 2.1. Antara bagian stator dan rotor dipisahkan oleh celah udara yang sempit, dengan jarak berkisar dari 0,4 mm sampai 4 mm [6]. 4

Gambar 2.1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lempengan besi (Gambar 2.2(a)). Tiap lempengan besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan fasa dimana untuk motor tiga fasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120 o. Kawat kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.2(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga fasa [6]. (a) (b) (c) Gambar 2.2. Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa : (a) Lempengan Inti, (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, 5

(c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator. Berdasarkan jenis rotornya, motor induksi tiga fasa dapat dibedakan menjadi dua jenis, yang juga akan menjadi penamaan untuk motor tersebut, yaitu rotor belitan (wound rotor) dan rotor sangkar tupai (squirrel cage rotor). Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa yang merupakan bayangan dari belitan pada statornya. Belitan tiga fasa pada rotor belitan biasanya terhubung Y, dan masing-masing ujung dari tiga kawat belitan fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada poros rotor (gambar 2.3(a)). Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui sikat (brush) yang menempel pada slip ring (perhatikan gambar 2.4), dengan menggunakan sebuah perpanjangan kawat untuk tahanan luar [6]. (a) (b) Gambar 2.3. Rotor Belitan (a) Tampilan Close-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan Gambar 2.4. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan 6

Dari gambar 2.4. dapat dilihat bahwa semata-mata keberadaan slip ring dan sikat hanyalah sebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (exsternal resistance). Keberadaan tahanan luar disini berfungsi pada saat starting yang berguna untuk membatasi arus mula yang besar. Tahanan luar ini kemudian secara perlahan dikurangi sampai resistansinya nol sebagaimana kecepatan motor bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor telah mencapai kecepatan nominalnya, maka tiga buah sikat akan terhubung singkat tanpa tahanan luar sehingga rotor belitan akan bekerja seperti halnya rotor sangkar tupai. Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor terdiri dari tumpukan lempengan besi tipis yang dilaminasi dan batang konduktor yang mengitarinya (perhatikan gambar 2.5(a)). Tumpukan besi yang dilaminasi disatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (sebagai batang konduktor) dimasukan ke dalam slot dari inti rotor untuk membentuk serangkaian konduktor yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang konduktor yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat (shorting ring) atau disebut juga dengan end ring [6]. (a) (b) Gambar 2.5. Rotor Sangkar (a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai 7

2.3 Prinsip Medan Putar Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa motor induksi, maka arus bolak-balik sinusoidal I R, I S, I T akan mengalir pada belitan stator. Arus-arus ini akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang mana pada kumparan akan menghasilkan fluks magnetik yang berputar sehingga disebut juga dengan medan putar. Medan magnet yang demikian kutub-kutubnya tidak diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran posisinya disekitar stator. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang dihasilkan oleh arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah [6]: Φ R = Φ m sin ωt (2.1) Φ S = Φ m sin (ωt 120 o ) (2.2) Φ T = Φ m sin (ωt 240 o ) (2.3) Gambar 2.6 Arus Tiga Fasa Setimbang Gambar 2.7 Diagram Fasor Fluksi Tiga Fasa Setimbang 8

1 2 3 4 Gambar 2.8 Medan Putar Pada Motor Induksi Tiga Fasa (Menggambarkan keadaan pada gambar 2.6) (a). Pada keadaan 1 (gambar 2.6 dan 2.8), 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 Φ m dan dibuktikan sebagai berikut : 9

Φ R = 0; (2.4) Φ S = Φ m sin (-120 o ) Φm (2.5) Φ T = Φ m sin (-240 o ) = Φ m (2.6) Oleh karena itu resultan fluks, Φ r adalah jumlah fasor dari Φ T dan -Φ S. Sehinngga resultan fluks, Φ r = 2 x Φ m cos 30 o = 1,5 Φ m. (b). Pada keadaan 2, 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 o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa : Φ R = Φ m sin (-120 o ) = 0,5 Φ m (2.7) Φ S = Φ m sin (-90 o ) = - Φ m (2.8) Φ T = Φ m sin (-210 o ) = 0,5 Φ m (2.9) Maka jumlah fasor Φ R dan Φ T adalah = Φ r = 2 x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluks Φ r = -Φ S + Φr = 0,5 Φm + Φ m = 1,5 Φ m. Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 30 o dari posisi pertama. (c). Pada keadaan ini ωt = 60 o, arus pada fasa R dan fasa T memiliki besar yang sama dan arahnya berlawanan (0,866 Φm), oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa: 10

Φ R = Φ m sin (60 o ) = Φ m (2.10) Φ S = Φ m sin (-60 o ) = - Φ m (2.11) Φ T = Φ m sin (-180 o ) = 0 (2.12) Maka magnitud dari fluks resultan: Φ r = 2 x Φ m cos 30 o = 1,5 Φ m. Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 60 o dari posisi pertama. (d). Pada keadaan ini ωt = 90 o, arus pada fasa R maksimum (positif), dan arus pada fasa S dan fasa T = 0,5 Φ m, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masingmasing fasa: Φ R = Φ m sin (90 o ) = Φ m (2.13) Φ S = Φ m sin (-30 o ) = - 0,5 Φ m (2.14) Φ T = Φ m sin (-150 o ) = - 0,5 Φ m (2.15) Maka jumlah fasor -Φ T dan -Φ S adalah = Φ r = 2 x 0,5 Φ m cos 60 = 0,5 Φ m. Sehingga resultan fluks Φ r = Φ r + Φ T = 0,5 Φ m + Φ m = 1,5 Φ m. Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah sejauh 90 o dari posisi pertama. 11

2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik. Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron [6]: ns = 120 (2.16) dimana, ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm) f = frekuensi sumber daya (Hz) P = jumlah kutub motor induksi Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator sebesar: (2.17) (2.18) dimana, e 1 = ggl induksi sesaat stator/fasa (Volt) E m1 = ggl induksi maksimum stator/fasa (Volt) E 1 = ggl induksi efektif stator/fasa (Volt) f 1 = frekuensi saluran (Hz) N 1 = jumlah lilitan kumparan stator/fasa = fluks magnetik maksimum (Weber) 12

Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor yang diam (perhatikan gambar 2.9). Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s). (2.19) Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada konduktor-konduktor rotor sebesar : (2.20) (2.21) dimana : e 2 = ggl induksi sesaat pada saat rotor diam/fasa (Volt) E 2 = ggl induksi efektif pada saat rotor diam/fasa (Volt) f 2 = frekuensi arus rotor (Hz) N 2 = jumlah lilitan pada kumparan rotor/fasa = fluks magnetik maksimum (Weber) Gambar 2.9 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktorkonduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini 13

sesuai dengan hukum gaya lorentz (perhatikan gambar 2.10) yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar [6]: F = B.i.l.sin θ (2.22) dimana, F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2) i = besar arus pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m) θ = sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik Gaya F ini adalah hal yang sangat penting karena merupakan dasar dari bekerjanya suatu motor listrik. Arah dari gaya elektromagnetik tersebut dapat dijelaskan oleh kaidah tangan kanan (right-hand rule). Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari vektor arus i dan jari tengah menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut. Gaya F yang dihasilkan pada konduktor-konduktor rotor tersebut akan menghasilkan torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar daripada torsi beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar searah dengan putaran medan putar stator. Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet 14

Seperti yang telah disebutkan di atas, motor akan tetap berputar bila kecepatan medan putar lebih besar dari pada kecepatan putaran rotor (ns > nr). Apabila ns = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan medan putar (ns) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain slip (s) adalah nol. Hal ini menyebabkan tidak adanya ggl terinduksi pada kumparan rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir, dengan demikian tidak akan dihasilkan gaya yang dapat menghasilkan kopel untuk memutar rotor [6]. 2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa Rangkaian ekivalen perfasa motor induksi dengan model transformator, dengan rasio perbandingan a antara stator dan rotor adalah seperti gambar 2.11. Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Per-Fasa Motor Induksi Model Transformator Untuk menghasilkan rangkaian ekivalen per-fasa akhir dari motor induksi, penting untuk menyatakan bagian rotor dari model rangkaian ekivalen gambar 2.11 di atas terhadap sisi stator. Pada transformator yang umum, tegangan, arus, dan impedansi pada sisi sekunder, dapat dinyatakan terhadap sisi primer dengan menggunakan rasio perbandingan belitan dari transformator tersebut. Dengan mengasumsikan jenis rotor yang digunakan adalah jenis rotor belitan dan terhubung bintang ( Y ), yang mana motor dengan rotor jenis ini sangat mirip dengan transformator, maka kita dapat juga menyatakan sisi rotor terhadap sisi stator seperti halnya pada transformator [6]. Jika rasio perbandingan efektif dari sebuah motor induksi adalah a (=N1/N2), maka pentransformasian tegangan rotor terhadap sisi stator menjadi [6]: (2.23) 15

Untuk arus rotor : (2.24) Dan untuk impedansi rotor: (2.25) Dengan penguraian lebih lanjut: (2.26) (2.27) Adapun rangkaian rotor yang dinyatakan terhadap bagian stator, rangkaian ekivalen tersebut dapat dilihat pada gambar 2.12(a), sedangkan pada gambar 2.12(b) merupakan modifikasi dari gambar 2.12(a) dimana adanya ) menyatakan resistansi variabel sebagai analog listrik dari beban mekanik variabel. (a) (b) Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen per-fasa Motor Induksi dengan Bagian 16

Rangkaian Rotor Dinyatakan Terhadap Sisi Stator (a) dengan tahanan variabel (b) dengan tahanan variabel ) sebagai bentuk analog listrik dari beban mekanik Pada transformator, analisis rangkaian ekivalen dilakukan dengan mengabaikan cabang pararel yang terdiri dari Rc dan Xm atau dengan memindahkan cabang pararel ke terminal primer. Bagaimanapun, penyederhanaan ini tidak diperbolehkan pada rangkaian ekivalen motor induksi. Ini disebabkan kenyataan bahwa arus penguatan pada transformator bervariasi dari 2% sampai 6% dari arus beban penuh dan per unit reaktansi bocor primer kecil. Tetapi pada motor induksi, arus penguatan bervariasi dari 30% sampai 50% dari arus beban penuh dan per unit reaktansi bocor stator adalah lebih tinggi. Dengan demikian kesalahan yang besar akan terjadi dalam penentuan daya dan torsi, dalam hal cabang pararel diabaikan, atau dihubungkan pada terminal stator [6]. Dibawah kondisi kerja normal pada tegangan dan frekuensi konstan, rugi inti pada motor induksi biasanya juga konstan. Dalam pandangan pada kenyataan ini, tahanan rugi inti Rc yang mewakili rugi inti motor, dapat dihilangkan dari rangkaian ekivalen motor induksi pada gambar 2.12(b). Akan tetapi, untuk menentukan daya poros atau torsi poros, rugi inti yang konstan harus diikut-sertakan dalam pertimbangan, bersama dengan gesekan, rugi-rugi beban buta (stray-load losses) dan angin. Dengan penyederhanaan ini, maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen baru (gambar 2.13) dengan akurasi rugi yang dapat diabaikan [6]. Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen per-fasa Motor Induksi dengan Mengabaikan Rugi Inti 17

2.6 Torsi Motor Induksi Torsi berhubungan dengan kemampuan motor untuk mesuplai beban mekanik. Oleh karena itu Torsi (T) secara umum dapat dirumuskan sebagai berikut. (2.28) Dengan : ωr = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor. Jika, Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula: ωr = ωs (1-s) (2.29) Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (perhatikan gambar 3.14) akan diperoleh hasil sebagai berikut. (2.30) Dimana: Torsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (2.30), torsi mekanik yang bermanfaat untuk memutar rotor menjadi: (2.31) diperoleh hasil: Torsi maksimum dicapai pada dt/ds = 0, maka dari persamaan (2.32) 18

(2.33) Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (Tmx) sebesar: Torsi maksimum (1/2k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin bertindak sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai generator induksi). Gambar 3.14 menunjukan contoh grafik karakteristik kerja motor hubungan antara torque terhadap kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Gambar 2.14 Karakteristik torsi terhadap kecepatan motor Dari gambar 3.14 ini dapat dijelaskan sebagai berikut. 1. Saat motor mulai menyala (start) ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torque yang rendah ( pull-up torque ). 19

2. Mencapai 80% kecepatan penuh, torque berada pada tingkat tertinggi ( pullout torque ) dan arus mulai turun. 3. Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun ke nol. Hubungan antara torsi dan slip juga dapat dinyatakan seperti pada gambar 3.15 sebagai berikut. Gambar 2.15 Hubungan antara torsi dan slip motor induksi Dengan memperhatikan gambar 3.15 ini dapat dilihat bahwa: - Pada kecepatan hipersinkron (kecepatan melebih kecepatan sinkron), slipnya negatif (biasanya kecil), mesin beroperasi sebagai generator induksi dengan torsi bekerja dengan arah yang berlawanan dengan putaran medan putar. - Saat mesin bekerja pada kecepatan di antara standstill dan kecepatan sinkron, dengan slip positif antara 1 dan 0: Mesin berputar pada keadaan tanpa beban sehingga slipnya kecil sekali, GGL rotor juga kecil sekali, Z2 (rotor circuit impedance) hampir R murni dan arus cukup untuk membangkitkan torsi dan memutar rotornya. 20

- Selanjutnya beban mekanik dipasang pada poros sehingga putaran rotor makin lambat, slip naik, GGL rotor naik (besar maupun frekuensinya), menghasilkan arus dan torsi yang lebih besar. - Jika motor induksi diputar berlawanan dengan arah putaran medan putar maka masih akan dihasilkan torsi yang bertindak sebagai rem dan terjadi penyerapan tenaga mekanik: Misalnya mesin dalam keadaan berputar dengan slip s, kemudian arah medan putar tiba-tiba di balik, maka akan terjadi rotor mempunyai slip (2 - s), kecepatan turun menuju nol dan dapat dibawa ke kondisi standstill. Cara ini adalah cara pengereman motor yang disebut dengan plugging. 2.7 Sistem Pengasutan Pada motor induksi tiga fasa rotor yang banyak digunakan adalah rotor sangkar. Pada rotor sangkar terdapat alur-alur yang berpenampang bundar. Dalam alur-alur ini terdapat batang-batang kawat yang ujung-ujungnya saling dihubung singkat dengan cincin tembaga dan ditempakan pada tepi muka dan tepi belakang dari besi rotor. Karena batang-batang kawat dalam alur-alur rotor dihubung singkat maka tahanannya kecil sekali, dengan tahanan kecil maka pemakaian arus pada awal perputaran besar sekali. Sesuai dengan penjelasan diatas maka motor induksi pada saat awal perputaran akan membutuhkan arus yang besar. Besarnya bahkan sampai 4 sampai 5 kali, bakan ada yang sampai 7 kali dari besanya arus stator pada waktu berputar normal dan beban penuh. Pemakaian arus start yang besar sekali antara 4 sampai 7 kali pada permulaan berjalan akan membutukan daya yang besar hal ini menimbulkan kerugian pada industri yang memakai motor induksi tersebut, karena dapat mengakibatkan gangguan penurunan nilai tegangan pada bus-bus disekitar motor yang dilakukan start. Gangguan penurunan pada kualitas daya ini dinamakan sag. Jika penurunan tegangan yang terjadi cukup besar maka akan berakibat buruk pada sistem tersebut yaitu motor akan berhenti berputar karena kekurangan suplai tegangan, penurunan usia peralatan listrik hingga merusak peralatan tersebut. Untuk penyalaan motor induksi khususnya yang berkapasitas besar perlu 21

dilakukan studi terlebih dahulu, agar dapat melihat dampak yang akan terjadi saat motor tersebut di start. Dampak yang terjadi saat pengasutan motor induksi berdasarkan standar IEEE 399-1997 yaitu [7]: 1. Masalah yang terlihat Studi pengasutan motor harus dilakukan jika daya motor melebihi 30% dari suplai transformator akan tetapi jika suplai tidak ada pembangkitan lain yang terlibat, suplai dipertimbangkan apabila daya motor melebihi 10-15% dari rating generator [7]. 2. Penurunan tegangan Ketika starting dilakukan, tingkat tegangan pada terminal motor harus dipertahankan sekitar 80% dari tegangannya atau sesuai dengan National Manufacturers Association (NEMA) design B [7]. Hal-hal yang perlu diperhatikan atau dilakukan pendataan dari motor induksi dengan kapasitas besar sebelum dioperasikan yaitu [7]: 1. Besar Locked Rotor Current yang dimiliki motor. Semakin besar LRC maka arus pengasutan semakin besar. 2. Letak motor tersebut berada pada bus dengan nilai tegangan yang sesuai. 3. Jika arus pengasutan bernilai tinggi dan menyebabkan nilai jatuh tegangan yang tidak diizinkan, maka motor tersebut tida boleh menggunakan DOL. Motor tersebut harus menggunaka metode start yang lain, seperti autotrafo, reaktor dan star-delta. Untuk mengatasi pemakaian arus atart yang besar maka dalam pengoperasian motor induksi tiga fasa menggunakan system pengasutan. Adapun macam-macam pengasutan ada dua yaitu sistem direct on line (DOL) dan sistem mereduser tegangan. 2.7.1 Sistem DOL (Diret On Line) Penggunaan metoda ini sering dilakukan untuk motor-motor AC yang mempunyai kapasitas daya yang kecil. Ketika motor dengan kapasitas yang sangat besar di-start dengan direct-on-line, tegangan sistem akan terganggu (terjadi 22

voltage dip pada jaringan suplai) karena adanya arus starting yang besar. Gangguan tegangan ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan elektronis yang lain yang terhubung dengan sumber. Pengertian start secara langsung ialah motor yang akan dijalankan langsung di swich On ke sumber tegangan jala-jala sesuai dengan besar tegangan nominal motor. Artinya tidak perlu mengatur atau menurunkan tegangan pada saat starting. Gambar 2.16 Diagram Direct On Line starter Rangkaian untuk pengasut langsung (DOL Direct On Line) akan memutus atau menghubungkan suplai utama ke motor secara langsung. Karena arus pengasutan motor dapat mencapai 6 sampai 8 kali lebih besar dari arus kondisi normal, maka pengasut langsung ini hanya digunakan untuk motor-motor kecil dengan daya kurang dari 5 kw. Prinsip kerja starting langsung DOL (Direct On Line) secara umum yaitu, jika tombol mulai (Start) ditekan maka arus akan mengalir dari fasa merah (R) melalui rangkaian kendali dan kumparan kontaktor ke fasa biru. Arus ini akan mengkatifkan kumparan kontaktor sehingga kontaktor akan menutup untuk menghubungkan suplai 3 fasa ke motor. Jika tombol mulai dilepaskan rangkaian kendali akan tetap dipertahankan seperti semula melalui sebuah kontak penahan. 23

Jika selanjutnya tombol berhenti (stop) ditekan atau jika kumparan-kumparan beban lebih bekerja maka rangkaian kendali akan terputus dan kontaktor akan membuka untuk memutuskan suplai listrik 3 fasa ke motor. Penghubungan kembali suplai ke motor hanya dapat dilakukan dengan menekan kembali tombol mulai, jadi rangkaian ini juga dapat memberi proteksi terhadap kehilangan tegangan suplai. Gambar 2.17 Rangkaian dan Karakteristik Starting DOL 24

Karena dalam keadaan start, rotor belum berputar ( n=0), maka slip S = 1 rangkaian ekuivalen motor induksi tiap fasanya dapat digambarkan sebagai berikut: R1 X1 R2 X2 a + Ist V1 Xm - b R1 X1 a + Ist V1 Rp Xp Z Z ab ab Z P jx m // ( R2 j X 2 ) R j X P P - b Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen Sehingga didapatkan persamaan arus starting, sebagai berikut : V 1 1 I st 2 2 ( R R Z 1 P) ( X1 X p ) sc V Keunggulan dari metode ini adalah peralatan start yang sederhana,torsi mula yang besar,dapat start dengan cepat da biaya yang murah.metode ini bisa digunakan ketika: 1. Daya motor relatif rendah di bandingkan suplai utama, yang di batasi dengan arus inrush 2. Peralatan yang digerakkan tidak memerlukan peningkatan secara bertahap atau peralatan peredam yang membatasi shock dari start mula. 25

3. Starting torsi diperbolehkan cukup besar tanpa mengganggu operasi dari peralatan atau beban yang di gerakkan. 2.7.2 Memperkecil tegangan yang masuk ke motor. Cara ini dikenal dalam bebeapa bentuk starting yaitu: a) Pengasutan dengan menggunakan primary resistance (reaktor) Yaitu pengasutan dengan memasang tahanan pada rangkaian primer (stator). Starter ini digunakn untuk menjankan motor rotor sangkar tiga fasa dengan cara memperkecil tegangan masuk ke motor pada saat start. Dengan waktu yang telah di tetapkan untuk lamanya starting kemudian tahanan dapat di lepaskan kembali. Pada saat ini motor mengambil tegangan penuh dari jala-jala. b) Autotrafo Yaitu dengan cara memasang autotrafo yang di tempatkan pada rangkaian utama atau rangkaian primer (stator). Starting ini digunakan untuk menjalankan motor rotor sangkar tiga fasa dengan cara memperkecil tegangan masuk ke motor melalui ototrafo. Transformator memiliki berbagai tap yang dapat digunakan untuk menetapkan tegangan awal. Pengurangan tegangan awal dapat menyebabkan pengurangan arus pada motor. Selanjutnya dikurangi oleh transformator yang mengakibatkan arus line lebih kecil daripada arus motor sebenarnya. Biasanya sebuah auto-transformator menyediakan sejumlah tap untuk mengurangi tegangan ke terminal motor, sehingga mengurangi arus motor dan torsi saat pada starting. Timer atau sentrifugal switch dapat digunakan untuk mengubah pengaturan tap selama start. Saat pengaturan kita dapat memberikan transisi tertutup atau terbuka. Transisi terbuka memiliki logika yang lebih sederhana, tetapi bias menyebabkan arus transien saat transisi perubahan tap. Transisi tertutup membutuhkan lebih logika yang lebih rumit tetapi memiliki transisi yang mulus antara perubahan tap. Karena tegangan motor berkurang, arus motor berkurang, sedangkan nilai torsi berkurang dengan kuadrat pengurangan tegangan. 26

Gambar 2.19 Rangkaian starting metode autotransfer Gambar 2.20 Gambar karakteristik arus-kecepatan starting metode autotrafo 27

Gambar 2.21 Gambar karakteristk torsi-kecepatan starting metode autotrafo Untuk rangkaian ekivalennya sebagai berikut: Gambar 2.22 Gambar rangkaian ekivalen starting metode autotrafo Beberapa keuntungan menggunakan starting motor auto-transformator: 1. Menyediakan torsi tertinggi per ampere arus line. 2. Tap pada autotranfo member pengaturan untuk tegangan awal 3. Cocok untuk periode pengasutan yang lama. 4. Saat starting, arus motor lebih besar dari arus line nya. 28

5. Faktor daya yang rendah. Beberapa kerugian menggunakan starting motor auto-transformator: 1. Ukuran yang cukup besar 2. Biaya cukup tinggi 3. Memilik jumlah tap yang terbatas 4. Semakin banyak tap yang digunakan, maka semakin rumit logika yang digunakan c) Pengasutan dengan secondary resistance Yaitu pengasutan dengan memasang tahanan pada rangkaan sekunder (rotor). Cara pengasutan ini khusus hanya digunakan pada rotor lilit (motor slipring). d) Pengasutan bintang segitiga Start dengan methode star-delta ini memanfaatkan penurunan tegangan yang dicatu ke motor saat stator motor terhubung dalam rangkaian star. Pada waktu start, yakni saat stator berada pada rangkaian bintang, arus motor hanya mengambil sepertiga dari arus motor jika motor diasut dengan metode DOL. Berhubung torsi motor berbanding lurus dengan quadratis dari tegangan, maka torsi motor pada rangkaian bintang juga hanya sepertiga dari torsi pada rangkaian delta. Prinsip Kerja saat start, pertama-tama kontaktor utama K 1 dan kontaktor bintang K Y diaktifkan. Peralihan dari rangkaian bintang ke rangkaian delta terjadi pada kecepatan n D, yakni jika kecepatan motor sudah mencapai kira kira 80% dari kecepatan nominal. Caranya dengan pengaktifan kontaktor K D dan pada saat yang sama kontaktor K Y dibuat tidak aktif. Namun, sesaat motor sudah terlepas dari rangkaian bintang tetapi masih belum terhubung ke rangkaian delta, rotor masih berputar, demikian juga arus rotor masih mengalir di kumparan rotor. Ada fluks magnetik sisa di rotor yang memotong kumparan stator. Sehingga terjadi tegangan induksi ke stator yang frekuensinya tergantung dari kecepatan rotor saat itu. Kecepatan rotor saat itu tergantung sekali pada beban. Saat motor terhubung ke rangkaian delta, terjadilah arus inrush yang sangat besar, yang mana nilainya dapat 29

mencapai hingga 2000 % dalam durasi yang sangat pendek sekitar 200 ms (lihat grafik di bawah ini).hal ini terjadi karena adanya perbedaan phasa yang sangat besar telah terjadi saat stator terhubung kembali ke jaringan listrik dalam rangkaian delta dengan fluk dari rotor. Arus yang tinggi ini mengakibatkan terjadinya torsi kejut dan dapat memberikan dampak buruk bagi komponen transmisi dan komponen pemutus arus dari system drive tersebut. Gambar 2.23 Rangkaian dan Grafik Peralihan Star ke Delta e) M D Torsi hubungan M Y Torsi hubungan Y I LD Arus line hubungan I LY Arus line hubungan Y Gambar 2.24 Karakteristik Arus Starting Way-Delta Bagian kurva Torsi terhadap Kecepatan yang diberi bayangan arsir adalah torsi asselerasi yang dibutuhkan untuk meng-asselerasi beban. Perhatikan torsi start pada rangkaian bintang harus selalu lebih besar dari torsi awal beban supaya motor dapat mengangkat beban dan berasselerasi menuju kecepatan nominal. 30

I st 1 ( Y ) x Ist ( ) 3 Hubungan bintang delta atau star-delta atau wye-delta ini memang cukup digemari sebagai pilihan aplikasi yang membutuhkan konsumsi arus yang kecil beberapa saat awal motor dihidupkan namun memiliki suatu kelemahan yang membuatnya kurang menjadi pilihan setelah adanya pengembangan starting yang lebih baik seperti soft starter. Satu-satunya alasan pemilihan jenis starting ini adalah biaya yang lebih murah dibandingkan starting lainnya. Satu lagi dari kelemahan starting star-delta adalah apabila beban membutuhkan 40% dari torsi awal atau lebih untuk start maka terpaksa harus memilih motor induksi dengan satu frame size yang lebih besar. 31

Gambar 2.25 Grafik arus dan torsi starting bintang segitiga f) Soft starting Soft starting merupakan metode pengasutan yang bekerja dengan cara mengurangi tegangan pengasutan motor induksi dan kemudian menaikkan tegangan secara bertahap sampai tegangan penuh. Metode soft starting ini menjadi solusi atas tingginya nilai arus saat pengasutan motor induksi dan merupakan metode yang nilai arus pengasutannya rendah. Rangkaian soft starting dipasang seri dengan suplai tegangan ke motor. Soft starting terdiri dari komponen solid state yang berupa SCR / thyristor yang dipasang anti parallel untuk mengatur tegangan yang masuk ke motor secara bertahap sampai tegangan penuh. Dalam penelitian ini penggunaan thyristor anti parallel diganti dengan triac karena triac adalah komponen yang tersusun sedemikian rupa dari dua buah thyristor. Berikut adalah rangkaian dasar soft starting: 32

Gambar 2.26 Rangkaian dasar soft starting Dengan mengatur variasi sudut picu tegangan (α), V 0 dapat divariasikan dari 0 V sampai dengan VS. Dengan rangkaian kendali yang tepat dapat dicapai pengendalian arus motor atau waktu percepatan yaitu dengan mengenakan pulsa gerbang ke triac pada waktu yang berbeda dalam setiap setengah siklus tegangan sumber. Untuk mendapatkan nilai tegangan bertahap dari nol sampai tegangan penuh, maka pemicuan terhadap triac harus dimulai dari sudut 180 0 sampai 0 0. g) Starting Metode Reaktor Dapat dikatakan bahwa untuk membatasi arus yang dibangkitkan, resistor menambah impedansi pada rangkaian AC yang sebanding dengan nilai induktansi dan frekuensi yang digunakan. Di sini tegangan yang diturunkan diperoleh dengan menggunakan tahanan yang dihubungkan seri dengan setiap belitan stator selam periode start. Penurunan tegangan dalam tahanan dapat dilakukan secara bertahap sesuai dengan kebutuhan. Semakin banyak tingkatannya semakin halus pula percepatan yang dihasilkan sehingga jatuh tegangan pada saluran mungkin bisa lebih kecil karena starting dengan resistor mempunyai faktor daya yang lebih baik. 33

Setelah periode start dengan tahanan selesai maka motor akan dihubungsingkatkan sehingga motor akan bekerja dengan tegangan penuh. Perpindahan ini dilakukan dengan control otomatis dengan menggunakan timer. Keuntungan dari starting ini adalah panas yang ditimbulkan relatif sedikit yaitu 5%-10% dari panas yang akan timbul. Dengan metode reaktor starting, dengan menghubungkan kumparan dengan inti besi (reaktor) secara seri dengan motor selama start, arus akan dibatasi secara proporsional dengan tegangan. Namun, ini juga berarti substansial (kuadrat) pengurangan torsi awal yang tersedia. Keuntungan dari metode ini adalah biaya rendah dibandingkan dengan metode lain[3]. Diharapkan motor tidak menarik arus starting yang terlalu besar. Sehingga diharapkan motor akan aman dan berumur lebih lama[2]. Gambar 2.27 Rangkaian sederhana reaktor starting Dimana: Salah satu keuntungan dari starter reaktor utama adalah pengurangan saat ini sejalan dengan disipasi panas kurang dari resistor utama sirkuit. Kelemahan dari starter reaktor utama adalah faktor daya yang buruk yang disebabkan oleh induktansi tambahan dalam rangkaian awal dan keterbatasan pengaturan tegangan awal. 34

XL Ist + + - Vreak. + V1 Vm Motor Induksi - - Gambar 2.28 Rangkaian Ekivalen Dimana: V 1 = Tegangan sumber V m = Tegangan pada motor v reak. V 1 V vm Ist x Z Vreak L I X. st sc m Adapun karakteristk torsi terhadap kecepatan dan arus terhadap kecepatan untuk startng metode reaktor adalah sebagai berikut: Gambar 2.29 Karakteristik kecepatan dan arus starting metode reaktor 35

Gambar 2.30 Karakteristik kecepatan dan torsi starting metode reaktor 36