UMUM PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

6

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA

2.1 UMUM

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik ac yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke rotornya, dimana 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 oleh arus stator. Mesin ini juga disebut mesin asinkron mesin tak serempak, hal ini dikarenakan putaran motor tidak sama dengan putaran fluks magnet stator. Dengan perkataan lain, bahwa antara rotor dan fluks magnet stator terdapat selisih perputaran yang disebut dengan slip. Pada umumya motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga fasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan. Keuntungan motor induksi tiga fasa: 1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat konstruksi hampir tidak pernah terjadi kerusakan, khususnya tipe squirel cage. 2. Harga relatif murah dan perawatan mudah. Universitas Sumatera Utara 7 3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang diakibatkannya dapat dikurangi. 4. Tidak memerlukan starting tambahan dan tidak harus sinkron. Kerugian motor induksi tiga fasa: 1. Kecepatan tidak dapat berubah tanpa pengorbanan efisiensi. 2. Kecepatannya menurun seiring dengan pertambahan beban. 3. Kopel awal mutunya rendah dibanding dengan motor DC shunt.

2.2 KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik ac yang paling luas digunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. 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. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada Gambar 2.1. Rotor Stator Gambar 2.1 Konstruksi motor induksi Universitas Sumatera Utara 8 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. Gambar 2.2 Komponen Stator motor induksi tiga fasa a Lempengan inti, b Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya, c Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator. a b c Universitas Sumatera Utara 9 Diantara stator dan rotor terdapat celah udara yang merupakan ruangan antara stator dan rotor. Pada celah udara ini lewat fluks induksi stator yang memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor berputar. Celah udara yang terdapat antara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil kerja motor yang optimum. Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu besar akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak antara celah terlalu kecilsempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin. Adapun tipe-tipe motor induksi tiga phasa berdasarkan konstruksi rotornya yaitu motor induksi tiga phasa rotor sangkar tupai squirrel-cage rotor dan motor induksi tiga phasa rotor belitan wound rotor. Kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

2.2.1. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Sangkar Tupai

Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta Δ ataupun bintang Υ . Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3 di bawah ini. Universitas Sumatera Utara 10 Batang Poros Kipas Laminasi Inti Besi Aluminium Cincin Aluminium Batang Poros Kipas b a Gambar 2.3 Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar a Tipikal rotor sangkar, b Bagian-bagian rotor sangkar Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar. Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4. Universitas Sumatera Utara 11 Gambar 2.4 Konstruksi motor induksi rotor sangkar a Konstruksi motor induksi rotor rangkar ukuran kecil, b Konstruksi motor induksi iotor sangkar ukuran besar

2.2.2. Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan

Motor rotor belitan motor cincin slip berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor. Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal berfungsi membatasi arus pengasutan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor. a b Universitas Sumatera Utara 12 Sumber tegangan Belitan Stator Belitan Rotor Slip Ring Tahanan Luar Gambar 2.5 Skematik motor induksi rotor belitan Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga phasa rotor belitan ditunjukkan pada Gambar 2.6 berikut. Gambar 2.6 Konstruksi motor induksi rotor belitan a Rotor belitan, b Konstruksi motor induksi tiga phasa dengan rotor belitan. a b Universitas Sumatera Utara 13

2.3 PRINSIP 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 berua hubungan delta Δ atau bintang Y. Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan tiga fasa, dengan beda fasa masing – masing 120 gambar 2.5a dan dialiri arus sinusoid. Distribusi arus i a , i b , i c sebagai fungsi waktu adalah seperti Gambar 2.7b. pada keadaan t 1 , t 2 , t 3 , dan t 4 fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing – masing adalah seperti Gambar 2.8. 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 dihasilkan 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 analisis vektor. Gambar 2.7. a Diagram phasor fluksi tiga phasa, b Arus tiga phasa setimbang Universitas Sumatera Utara 14 Gambar 2.8. 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 : ...2.1 Dimana : = kecepatan sinkron rpm = frekuensi Hz = jumlah kutub

2.3.1. Analisis Secara Vektor

Analisis secara vector didapatkan atas dasar: 1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar sesuai dengan perputaran sekrup Gambar 2.9 . Universitas Sumatera Utara 15 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 2.9 . Maka diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t 1 , t 2 , t 3 , t 4 , dapat dilihat pada Gambar 2.10. 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 berputar. Universitas Sumatera Utara 16

2.4 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah …2.2 Atau …2.3 Dimana: = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam = Jumlah lilitan kumparan rotor = Fluks maksimum Weber Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan arus I 2 . Adanya arus I 2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator. 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 …2.4 Universitas Sumatera Utara 17 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 2s = …2.5 Dimana : E 2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar Volt = s. = frekuensi rotor frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar 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

2.5 RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA