BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA II.1 Umum Motor induksi merupakan motor arus bolak balik ( AC ) yang paling luas digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan arus stator. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan, sementara pada motor DC hal yang sama tidak dijumpai. II.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Bentuk konstruksi motor induksi dapat dilihat pada gambar 2.1:
Rotor Stator Gambar 2.1 Penampang rotor dan stator motor induksi Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus phasa. 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 lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa dimana untuk motor tiga phasa, 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 phasa. (a) (b)
(c) Gambar 2.2 Menggambarkan komponen stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan inti, (b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya. (c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator. Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot slot yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap tiap ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan shorting rings. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukan pada Gambar 2.3 : (a) (b) Gambar 2.3 (a) Rotor Sangkar dan Bagian bagiannya. (b) Konstruksi motor induksi rotor sangkar. Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga phasa dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor induksi rotor belitan, rangkaian rotornya
dirancang untuk dapat disisipkan dengan tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam memodifikasi karakteristik torsi kecepatan dari motor. (a) (b) Gambar 2.4 (a) Rotor belitan (b) Kontruksi Motor Induksi Tiga Fasa dengan Rotor Belitan. II.3 Medan Putar Perputaran motor pada mesin arus bolak balik 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 dihubungkan 3 fasa, dengan beda fasa masing masing 120 0 ( gambar 2.5a ) dan dialiri arus sinusoid. Distribusi arus i a, i b, i c sebagai fungsi waktu adalah seperti gambar 2.5b. Pada keadaan t 1, t 2, t 3, dan t 4, fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing masing adalah seperti gambar 2.6c, d, e, dan f. 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 keterangan ini akan lebih jelas pada analisa vektor. Gambar 2.5 (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa (b) Arus tiga phasa seimbang Gambar 2.6 Medan putar pada motor induksi tiga phasa Dari gambar c, d,e, dan f tersebut 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 : dimana : f = frekuensi p = jumlah kutub n s = 120. f p n s = kecepatan sinkron
II.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi maka dapat dijabarkan langkah langkah untuk menjalankan motor induksi sebagai berikut : 1. Apabila sumber tegangan 3 fasa dipasang pada kumparan stator akan dihasilkanlah arus pada tiap belitan fasa. 2. Arus pada fasa menghasilkan fluksi bolak balik yang berubah ubah. 3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah ubah secara sinussoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan fasa.. 4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah e 1 = - N 1 dφ dt (Volt) atau E 1 = 4,44 f N 1 Φ (Volt) 5. penjumlahan ketiga fluksi bolak balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan kecepatan sinkron n s, besarnya nilai n s ditentukan oleh jumlah kutup p dan frekuensi stator f yang dirumuskan dengan : 120.f n s = ( rpm ) p 6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada belitan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E 2 yang besarnya Dimana : E 2 = 4,44 fn 2 Φ m ( Volt ) E 2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam ( Volt ) N 1 = Jumlah belitan belitan rotor. Φ m = Fluksi maksimum (Wb)
7. Karena belitan 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. S = ns nr ns x 100 % 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 s ) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan : S = ns nr ns x 100 % 11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada belitan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E 2 yang besarnya : Dimana : E 2s = 4,44 sfn 2 Φ m E 2s f 2 = Tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt) = s. f = frekuensi rotor ( frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar ). 12. bila n r = n s, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada belitan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika n r < n s
II.5 Aliran Daya Nyata 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 dimasukkan pada kumparan stator (P in ) dirumuskan dengan P = V I cosθ ( Watt )... (2.1) in 3 1 1 Dimana : V 1 = tegangan sumber (Volt) I 1 = arus masukan(ampere) θ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber. Bentuk rugi-rugi pada motor iduksi dapat dilihat pada gambar 2.7 : Gambar 2.7 Rugi rugi pada motor induksi Adapun rugi rugi yang terdapat pada motor induksi dapat didefinisikan dari persamaan persamaan berikut : Rugi tembaga stator : Daya lewat celah udara : P ts = 3. I 1 2. R 1 ( Watt )... (2.2) P cu = 3. I 2 2. R 2 ( Watt ). (2.3) S
Bentuk aliran diagram aliran daya motor induksi dapat dilihat pada gambar 2.8 : Energi listrik konversi Energi mekanik Gambar 2.8 Diagram aliran daya motor induksi Atau dari gambar 2.8 di atas : P cu = P in P ts P i ( Watt ). (2.4) Dimana : - P ts = rugi rugi tembaga pada kumparan stator ( Watt ) - P i = rugi rugi inti pada stator ( Watt ) - P cu = daya yang ditranfer melalui celah udara ( Watt ) - P tr = rugi rugi tembaga pada kumparan rotor ( Watt ) - P a & g = rugi rugi gesek + angin ( Watt ) - P b = stray losses ( Watt ) - P mek = daya mekanis keluaran ( output ) ( Watt ) Rugi tembaga rotor : P tr = 3. I 2 2. R 2 ( Watt ). (2.5) atau P tr = s. P cu ( Watt ) (2.6) Daya mekanik ( daya yang dikonversikan dari elektris ke mekanis ) : P mek = P cu P tr ( Watt ) (2.7)
P mek = 3. I 2 2. R 2-3. I 2 2. R 2 S P mek = 3. I 2 2. R 2. ( 1 s s ) P mek = P tr x ( 1 s s ) ( Watt ). (2.8) Dari persamaan (2.7) dan (2.8) : P mek = P cu x ( 1 s ) ( Watt ). (2.9) Sehingga daya keluarannya : P out = P mek P a&g P b ( Watt ).. (2.10) Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu : P cu : P tr : P mek = 1 : s : 1 s. II.6 Analisis Secara Vektor Analisis secara vektor didapatkan atas dasar: 1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar sesuai dengan perputaran sekrup. Bentuk arah fluks dapat dilihat pada gambar 2.9 : Gambar 2.9 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar 2. Kebesaran fluks yang ditimbulkan ini sebanding dengan arus yang mengalir. Notasi yang dipakai untuk menyatakan positif atau negatifnya arus yang mengalir pada kumparan a a, b b, dan c c yaitu: harga positif, apabila tanda silang (x) terletak pada pangkal konduktor tersebut ( titik a, b, c ), sedangkan negatif apabila tanda titik (. )
terletak pada pangkal konduktor tersebut (gambar 2.8 ). Maka diagram vekor untuk fluks total pada keadaan t 1, t 2, t 3, t 4, bentuk diagram dapat dilihat pada gambar 2.10 : (berputar). Gambar 2.10 Diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t 1, t 2, t 3, t 4 Dari semua diagram vektor di atas dapat pula dilihat bahwa fluks resultan berjalan II.7 Efisiensi Motor Induksi Tiga Phasa 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 : P (%) = P out in loss out η 100% in P x100% = P P in x100% = P out P + P Loss. (2.11) Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb (2.12) P in = 3. V 1. I 1. Cos φ1... (2.13) Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi motor tergantung pada besarnya rugi rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan efisiensi motor induksi
bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan. Bentuk gambar Efisiensi pada motor induksi dapat dilihat pada gambar 2.11 : Gambar 2.11 Efisiensi pada motor induksi Efisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi rugi mekanik dan rugi rugi inti. Rugi rugi tembaga stator tidak dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan maupun tanpa beban.