Motor Arus Searah
5.5 Motor Arus Searah
5.5.1 Prinsip Dasar
Sebuah motor listrik adalah suatu me- sin yang mengubah energi masukan listrik menjadi energi keluaran mekanik, jadi pada dasarnva sebuah mesin arus searah bisa difungsikan sebagai motor atau ge-nerator.
Bila suatu penghantar yang dialiri arus ditempatkan dalam suatu medan magnet, maka akan timbul daya yang besarnya F = B . I . L (Nw). Arah gaya F dapat ditentukan berdasarkan hukum tangan kiri Flemming.
5.5.2 Persamaan Tegangan dan Daya
Gaya yang terjadi pada motor arus searah tergantung pada besarnya arus yang melewati jangkar dan fluks magnit dari medan magnit (penguat). Bila belitan (jangkar) telah berputar,
Garis-garis
gaya magnit
maka dalam belitan itu akan timbul suatu tegangan yang arahnya berlawa- nan dengan tegangan yang disuplai dari luar, dan ini disebut Ggl lawan. Besarnya Ggl Lawan yang dibangkit- kan :
E x Volt ...............(1)
60 A
V = E + Ia . Ra Volt .................(2) Gambar 5.89 Prinsip Kerja Motor
V Arus Searah E Ia Ampere …………(3) Ra
402 Mesin Listrik
Bila persamaan (2) dikalikan dengan la, Gaya yang bekerja pada satu putaran maka :
penuh akan menimbulkan energi sebesar : F . 2 S . n Joule.
V. la = E . Ia + la 2 Ra …………….... (4) Daya yang dibangkitkan : V.la = Daya yang disuplai ke jangkar
Pm = T . Z Watt
= F.r x 2 S . n joule/detik Ia Ra = Rugi Tembaga dlm jangkar
motor.
E.la = Daya yang digunakan jangkar
motor yang mengakibatkan 5.5.3.1 Torsi Jangkar
berputarnya jangkar.
Ta adalah torsi vang dibangkitkan oleh E.la tidak semuanya ada pada poros,
jangkar motor yang berputar dengan karena sebagian digunakan untuk kecepatan per detik (n), maka daya
mengatasi kerugian mekanis atau yang dibangkitkan adalah : kerugian gesekan dari motor.
= Ta x 2 . S .n Watt . Daya Mekanis (Pm)
Pm = E . Ia Watt
Tax2 S . n = E . Ia Watt Differentialkan kedua sisi dengan Ia,
Pm = E la = V.Ia – Ia 2 . Ra
I . Z . N P dPm
Tax2 S.n=
60 maka : = V – 2Ia . Ra A dIa Daya mekanik yang dibangkitkan akan
x x la
Ia
1I .
2 dPm . S
Ta =
Z. P x
Nm
maksimum bila sama dengan nol. lama dengan nol_
dIa
Ia
V – 2 . la . Ra = 0 = 0,159 I .Z x Nm
la . Ra =
V 5.5.3.2 Torsi Poros
E = V – Ia . Ra =
Jadi la harus cukup besar supaya E Tidak seluruh torsi yang dihasilkan setengah dari V, tetapi ini sulit untuk
pada jangkar bisa dimanfaatkan oleh dicapai karena la akan terlampau besar
beban yang dihubungkan pada poros, yang menyebabkan panas, efisiensi karena sebagian akan hilang karena akan dibawah 50%.
rugi-rugi besi dan gesekan pada motor. Torsi yang yang bisa dimanfaatkan ini disehut Torsi Poros (T sh )
5.5.3 Torsi
Tsh = Torsi Jangkar (Ta) - Torsi yang hilang karena rugi besi dan gesekan
Torsi adalah putaran suatu gaya pada
(Tf)
sebuah poros, dan diukur dengan hasil
Eb . Ia Rugi besi dan gesekan
perkalian gaya dengan jari-jari lingkaran
Tsh =
dimana gaya tersebut terjadi(bekerja).
x 746 HP
Nm
Torsi T = F . r (N-m)
Mesin Listrik 403
5.5.4 Rugi-rugi Daya dan sekan dan angin, seperti pada
bagian poros motor.
Efisiensi
Efisiensi
Rugi-rugi daya yang terjadi pada sebuah motor arus searah dapat dibagi
Efisiensi adalah prosentase perban- kedalam :
dingan daya keluar dan daya masuk x Rugi- rugi tembaga atau listrik.
yang terjadi pada motor. x Rugi-rugi besi atau magnet.
x Rugi-rugi mekanis.
Daya K= Keluar
x 100%
Daya Masuk
Rugi-rugi tembaga atau listrik
Daya K= Keluar
x 100% x Daya yang hilang dalam panas
Daya Masuk 6 rugi
lilitan medan dan rangkaian jangkar
x Rugi tembaga dari lilitan dibagi atas:
5.5.5 Macam-macam Hubu-
9 Rugi tembaga jangkar
ngan Motor Arus
Ia 2 . Ra Watt
Searah
9 Rugi tembaga medan terdiri dari:
Seperti pada generator arus searah berdasarkan sumber arus kemagnetan
Ish 2 .Rsh Watt Motor Shunt/ untuk kutub magnit, maka dapat dibe-
Motor Kompon
dakan atas :
Is 2 .Rs Watt Motor Seri/ x Motor arus searah dengan peguat
Motor Kompon
terpisah, bila arus untuk lilitan kutub magnet berasal dari sumber
Rugi-rugi Besi atau Magnet arus searah yang terletak di luar motor.
- Rugi histerisis
x Motor arus searah dengan P h = K.B max
X f . V Watt penguat sendiri, bila arus untuk K = Steinmetz hysterisis coefficient lilitan kutub magnet berasal dari
B max = Kerapatan fluks
motor itu sendiri.
ª Wb º
maksimum
2 «¬ Sedangkan berdasarkan hubungan lili-
m »¼
tan penguat magnit terhadap lilitan
f = Frekuensi dlm Hertz jangkar untuk motor dengan pennguat
sendiri dapat dikelompokkan atas : nilai x = antara 1,6 s/d 2
V = Volume inti (m 3 )
x Motor Shunt
- Arus Pusar (Eddy Current)
x Motor Seri
Panjang Ke = Konstanta arus pusar
Pe = Ke.B 2 max .f 2
.V.t 2 Watt
x Motor Kompon
t = Ketebalan dari inti magnit (m) Pendek
Rugi Mekanis
Rugi mekanis yang terjadi pada
motor disebabkan oleh adanya ge-
404 Mesin Listrik
Persamaan Arus dan Tegangan :
5.5.5.1 Motor Arus Searah
IL = la + Ish
Penguat Terpisah V
Ish =
Rsh
E = V - Ia.Ra
b. Motor Seri
Gambar 5.90 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Terpisah
Persamaan Arus,Tegangan dan Daya
Em
Im = Amp
Rm
la = IL
E = V – la . Ra - 2 'e Volt . Gambar 5.92 Rangkaian Motor Arus
Pin = V.IL Watt Searah Penguat Sendiri Seri Pj = Pm = E .la Watt
Pout = Pm - Rugi besi&gesekan Persamaan Arus dan Tegangan IL = Is = la
E = V - IL (Rs + Ra)
5.5.5.2 Motor Arus Searah Penguat Sendiri
c. Motor Kompon
a. Motor Shunt
c.1 Motor Kompon Panjang
Gambar 5.91 Rangkaian Motor Arus Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus Searah Penguat Sendiri Shunt
Searah Kompon Panjang
Mesin Listrik 405 Mesin Listrik 405
searah. Karakteristik tersebut antara IL = la + Ish
lain
V a. Karakteristik putaran sebagai fungsi Ish =
Rsh
dan arus . jangkar (Karakteristik Puta-
V = E + la (Ra + Rs)
ran)
N = f (la)
, V konstan
c.1 Motor Kompon Pendek
b. Karakteristik torsi sebagai fungsi dari arus jangkar (Karakteristik
Torsi)
T = f (la)
, V konstan
c. Karakteristik putaran sebagai fungsi dari torsi (Karakteristik Mekanis)
N = f(T)
, V konstan
5.5.6.1 Karakteristik Motor Arus Searah Penguat Terpisah
a. Karakteristik Putaran
Putaran pada motor dengan penguat Gambar 5.93 Rangkaian Motor Arus
terpisah relatif konstan, penurunan ke- Searah Kompon Pendek
cepatan akibat perubahan beban sa- ngat kecil. Hal ini disebabkan karena
Persamaan Arus dan Tegangan fluks medan pada motor relatif konstan dan tahanan jangkar Ra sangat kecil,
IL = la + Ish sehingga penurunan kecepatan antara
Ish = ab tanpa beban dan beban penuh adalah
Rsh
kecil sehingga motor bisa dikatagorikan V=V ab + lL . Rs
sebagai motor yang mempunyai kece- patan tetap.
5.5.6 Karakteristik Motor
b. Karakteristik Torsi
Arus Searah
Berdasarkan persamaan T = C . Ia . I Karakteristik sebuah motor arus searah
Nm, jika tegangan terminal V konstan dapat kita tentukan berdasarkan persa-
maka arus ke lilitan medan penguat maan kecepatan dan torsi.
juga akan konstan, sehingga fluks yang ditimbulkan medan akan konstan.
x Persamaan Kecepatan Dengan demikian torsi pada motor de-
V Ia . Ra
Rpm ngan penguat terpisah hanya tergan-
C I tung pada arus jangkar atau perubahan x Persamaan Torsi
torsi berbanding lurus dengan arus T = C . Ia . I Nm
jangkar.
Berdasarkan persamaan diatas maka
c. Karakteristik Mekanis
dapat diperoleh karakteristik-karakte-
Dengan merujuk pada persamaan
406 Mesin Listrik
T=C.Ia.
I salah satu faktor yang menga-
b. Karakteristik Torsi
kibatkan kenaikkan Torsi adalah naik-
Motor Seri :
nya arus jangkar la, dan akibat naiknya arus jangkar maka berdasarkan persa-
Berdasarkan persamaan :
Ia
maan N =
V Ia . Ra
Nm, atau C I
Rpm, kecepa-tan
Ta = 0,159 I .Z.Px
D I D Ia, sebelum titik jenuh I D If Khusus untuk motor dengan penguat
akan turun dengan asumsi I kons-tan.
Ta
dan Ia, karena Ia = If oleh karena itu terpisah yang memiliki Ra kecil pada beban ringan Ta
D Ia 2 . Sesudah penurunan kecepatan tidak terlalu be-
I hampir berdiri sendiri sar.
titikk jenuh
maka Ta
D la, bentuk karakteristik
menjadi lurus.
5.5.6.2 Karakteristik Motor Arus
Searah Penguat Sendiri
Motor Kompon :
Akibat adanya fluks medan seri dan Karakteristik Putaran, Torsi, dan Meka-
shunt pada motor kompon yang saling nis untuk motor shunt dengan penguat
mempengaruhi, maka karakteristik sendiri hampir sama dengan motor Torsi yang terjadi merupakan gabu- dengan penguat terpisah, sedangkan
ngan dari karakteristik motor seri dan untuk motor seri dan kompon bisa shunt. Pada saat beban normal de- dijelaskan sbb :
ngan naiknya la, maka pertambahan Torsi motor shunt lebih besar bila
a. Karakteristik Putaran
dibandingkan motor seri dan karakte-
Motor Seri :
ristik motor kompon berada diantara kedua karakteristik tersebut, demikian
Dengan memperhatikan kembali rang- juga pada saat beban besar. kaian listrik motor seri, besarnya arus
jangkar (Ia) sama dengan arus pengua-
c. Karakteristik Mekanis
tan (Is) dengan demikian :
I = f(Ia) = f(Is), dan berdasarkan persa-
Motor Seri
maan : Dengan naiknva Torsi, akan mengaki-
V Ia . Ra N= Rpm batkan naiknya la dan if ( I), dari C I
V Ia . Ra
V Ia . maka N = Ra Rpm C . I
persamaan : N =
Rpm, pada
C . Ia saat Ia = 0, maka harga N men-dekati tak terhingga, sedangkan pada saat Ia
sehingga karakteristik akan berbentuk (Ta) besar, kecepatan turun mendekati hiperbolis.
nol.
Motor Kompon
Motor Kompon
Karakteristik motor kompon berada Untuk motor kompon karakteristiknya diantara karakteristik motor seri dan berada diantara karakteristik motor seri motor shunt, sedangkan berdasarkan
dan motor shunt.
arah melilit penguat medannya motor kompon bisa dibagi atas Kompon Lawan dan Kompon Bantu.
Mesin Listrik 407
5.6 Motor Induksi Tiga
Pada umumnya mesin-mesin pengge-
rak yang digunakan di Industri mempu- nyai daya keluaran lebih besar dari 1
HP dan menggunakan motor Induksi
5.6.1 Konstruksi dan
Tiga Fasa. Adapun kelebihan dan ke-
Prinsip Kerja
kurangan motor induksi bila diban- dingkan dengan jenis motor lainnya,
Pendahuluan
adalah :
Kelebihan Motor Induksi
Mesin-mesin listrik digunakan untuk x Mempunyai konstruksi yang sederha- mengubah suatu bentuk energi ke
na.
energi yang lain, misalnya mesin yang x Relatif lebih murah harganya bila di- mengubah energi mekanis ke energi
bandingkan dengan jenis motor yang listrik disebut generator, dan sebalik-
lainnya.
nya energi listrik menjadi energi x Menghasilkan putaran yang konstan. mekanis disebut motor. Masing-masing
x Mudah perawatannya. mesin mempunyai bagian yang diam x Untuk pengasutan tidak memerlukan dan bagian yang bergerak. motor lain sebagai penggerak mula.
Bagian yang bergerak dan diam terdiri x Tidak membutuhkan sikat-sikat, se-
hingga rugi gesekan bisa dikurangi. dari inti besi, dipisahkan oleh celah
udara dan membentuk rangkaian mag-
netik dimana fluksi dihasilkan oleh alir-
Kekurangan Motor Induksi
an arus melalui kumparan/belitan yang x Putarannya sulit diatur.
terletak didalam kedua bagian tersebut. x Arus asut yang cukup tinggi, berkisar
antara 5 s/d 6 kali arus nominal motor
Gambar 5.95 Penampang Motor Induksi Tiga Fasa
408 Mesin Listrik
Inti besi stator dan rotor terbuat dari la- tukan kecepatan motor tersebut. Sema- pisan baja silikon yang tebalnya berkisar kin banyak jumlah kutubnya maka puta- antara 0,35 mm - 1 mm yang tersusun ran yang terjadi semakin rendah. secara rapi dan masing-masing teriso- lasi secara listrik dan diikat pada ujung- ujungnya.
5.6.1.2 Rotor
Celah udara antara stator dan rotor pada motor yg berukuran kecil 0,25 mm-
Motor Induksi bila ditinjau dari rotornya 0,75 mm, sedangkan pada motor yang berukuran besar bisa mencapai 10 mm. terdiri atas dua tipe yaitu rotor sangkar
Celah udara yang besar ini disediakan dan rotor lilit.
untuk mengantisipasi terjadinya peleng- kungan pada sumbu sebagai akibat Rotor Sangkar pembebanan. Tarikan pada pita (belt) Motor induksi jenis rotor sangkar lebih atau beban yang tergantung akan me- banyak digunakan daripada jenis rotor nyebabkan sumbu motor melengkung.
lilit, sebab rotor sangkar mempunyai bentuk yang sederhana. Belitan rotor
terdiri atas batang-batang penghantar
5.6.1.1 Stator
yang ditempatkan di dalam alur rotor. Batang penghantar ini terbuat dari tem-
baga, alloy atau alumunium. Ujung- ujung batang penghantar dihubung sing- kat oleh cincin penghubung singkat, se- hingga berbentuk sangkar burung. Mo- tor induksi yang menggunakan rotor ini disebut Motor Induksi Rotor Sangkar.
Karena batang penghantar rotor yang telah dihubung singkat, maka tidak dibu- tuhkan tahanan luar yang dihubungkan seri dengan rangkaian rotor pada saat awal berputar. Alur-alur rotor biasanya tidak dihubungkan sejajar dengan sum- bu (poros) tetapi sedikit miring.
Gambar 5.96 Lilitan Motor Induksi
Pada dasarnya belitan stator motor in- duksi tiga fasa sama dengan belitan motor sinkron. Konstruksi statornya be- lapis-lapis dan mempunyai alur untuk melilitkan kumparan. Stator mempunyai tiga buah kumparan, ujung-ujung belitan kumparan dihubungkan melalui terminal untuk memudahkan penyambungan de- ngan sumber tegangan. Masing-masing
kumparan stator mempunyai beberapa Gambar 5.97 Rotor Sangkar buah kutub, jumlah kutub ini menen-
Mesin Listrik 409
Rotor Lilit
Rotor lilit terdiri atas belitan fasa banyak, belitan ini dimasukkan ke dalam alur- alur initi rotor. Belitan ini sama dengan belitan stator, tetapi belitan selalu dihu- bungkan secara bintang. Tiga buah ujung-ujung belitan dihubungkan ke terminal- terminal sikat/cincin seret yang terletak pada poros rotor.
Pada jenis rotor lilit kita dapat mengatur kecepatan motor dengan cara mengatur tahanan belitan rotor tersebut. Pada keadaan kerja normal sikat karbon yang berhubungan dengan cincin seret tadi dihubung singkat. Motor induksi rotor lilit dikenal dengan sebutan Motor Induksi
Gambar 5.98 Rotor lilit Slipring atau Motor Induksi Rotor Lilit.
5.6.1.3 Medan Putar
Gambar 5.99 Nilai Arus Sesaat dan Posisi Flux
Putaran motor pada mesin arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluksi yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini timbul bila kumparan stator dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa.
410 Mesin Listrik
Hubungannya dapat berupa hubungan bintang atau segitiga. Pada gambar 5.98 diperlihatkan bagaimana terjadinya medan putar pada motor induksi tiga fasa. Perhatikan gambar 5.99 a s/d f
x Pada posisi ketiga atau c, fluks re- x Pada posisi pertama atau a, fluks sultannya mempunyai arah yang sa- resultan mempunyai arah yang sa- ma dengan fluks yang dihasilkan ma dengan arah fluk yang dihasilkan oleh kumparan b - b. oleh kumparan a - a. x Pada posisi keempat s/d keenam x Pada posisi kedua atau b, fluks re- terlihat fluks resultan yang terjadi sultan mempunyai arah yang sama arahnya akan berlawanan dengan dengan arah fluks yang dihasilkan arah fluks sebelumnya pada masing- oleh kumparan c - c. masing kumparan.
Mesin Listrik 411
(e) (f)
Gambar 5.100 Proses Terjadinya Medan Putar
x Selanjutnya arus di dalam medan Dari gambar diatas terlihat bahwa fluks
magnet menimbulkan gaya (F) pada resultan akan berputar, dan jumlah
rotor.
putarannya bisa ditentukan berdasarkan
120 . f
persamaan : Ns Rpm
5.6.1.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa
Prinsip kerja motor induksi atau terjadinya putaran pada motor, bisa dijelaskan sebagai berikut : x Bila kumparan stator diberi suplai
tegangan tiga fasa, maka akan (a) terjadi medan putar dengan
120 . f
kecepatan Ns
x Medan putar stator tersebut akan mengimbas penghantar yang ada pada rotor, sehingga pada rotor timbul tegangan induksi.
x Tegangan yang terjadi pada rotor menyebabkan timbulnya arus pada penghantar rotor.
(b)
412 Mesin Listrik
120 f
Ns . Medan putar yang terjadi
pada stator ini akan memotong peng- hantar- penghantar yang ada pada bagi- an rotor, sehingga terinduksi arus, dan sesuai dengan dengan Hukum Lentz, sehingga rotor akan berputar mengikuti putaran medan stator.
Perbedaan kecepatan medan putar stator dengan putaran rotor biasa dise-
but slip. Apabila terjadi penambahan (c) beban, maka akan mengakibatkan naik-
Gambar 5.101 Terjadinya Putaran pada Motor nya kopel motor dan selanjutnya akan Induksi
memperbesar arus induksi pada bagian rotor.
x Bila kopel mula yang dihasilkan oleh
gaya (F) pada rotor cukup besar Frekuensi rotor saat motor belum ber- untuk menanggung kopel beban, putar nilainya akan sama dengan fre- maka rotor akan berputar searah kuensi yang terjadi pada belitan stator, dengan medan putar stator.
dan apabila sudah berputar frekuensi rotornya akan sebanding dengan peru-
x Supaya timbul tegangan induksi bahan slip yang terjadi pada motor ter- pada rotor, maka harus ada perbe- sebut. daan relatif antara kecepatan medan
putar stator(Ns) dengan kecepatan putar rotor (Nr).Perbedaan kecepat-
5.6.2.1 Tegangan Induksi pada
an antara Nr dengan Ns disebut Slip
Rotor
(S), dan dinyatakan dengan persa-
Ns Nr
maan S x 100 %
Ns
Saat rotor belum berputar maka Slip =
1, frekuensi dari ggl rotor nilainya sama x Bila Nr = Ns tegangan tidak akan dengan frekuensi yang di suplai ke terinduksi dan arus tidak mengalir bagian stator. Nilai tegangan induksi pada kumparan jangkar rotor, se- pada rotor saat diam adalah maksimum,
hingga tidak dihasilkan kopel. Kopel sehingga motor ekuivalen dengan se- pada motor akan terjadi bila Nr lebih buah transformator tiga fasa yang di kecil dari Ns.
hubung singkat pada sisi sekundernya.
Saat rotor mulai berputar, kecepatan
5.6.2 Frekuensi dan Slip Rotor
relatif antara rotor dengan fluks medan putar stator akan menurun, sehingga
Kumparan stator motor induksi tiga fasa tegangan induksi rotor berbanding lang- bila dihubungkan dengan suplai tega- sung dengan kecepatan relatif, dengan ngan tiga fasa akan mengasilkan medan demikian tegangan induksi di rotor akan magnet yang berputar dengan kecepat- mengalami penurunan. an sinkron sesuai dengan persamaan
Mesin Listrik 413
Jadi untuk Slip S, tegangan induksi rotor
5.6.3 Rangkaian Ekuivalen
akan S kali tegangan induksi saat diam, oleh karena itu pada kondisi ber-putar :
E 2 r SE 2 Dalam beberapa hal mesin Induksi me- nyerupai mesin sinkron, tetapi pada da-
sarnya mesin induksi ini hampir sama
5.6.2.2 Slip dan Frekuensi Rotor dengan transformator, terutama saat
belum berputar.
Seperti telah dijelaskan diatas, putaran Energi yang “dipindahkan” dari stator ke rotor tidak akan sama dengan putaran rotor dilakukan berdasarkan azas imbas medan stator, karena bila rotor berpu- elektromagnet(induksi) dengan bantuan tar sama cepatnya dengan medan sta- fluksi bersama, karena itu rangkaian tor, tidak akan timbul perbedaan kece- ekuivalen motor induksi digambarkan patan sehingga tidak ada Ggl induksi seperti rangkaian ekuivalen transforma- yang timbul pada rotor, tidak ada arus tor. Bagian stator membentuk sisi primer dan tidak ada kopel yang mendorong dan rotor sebagai sisi sekunder. rotor.
Itulah sebabnya rotor selalu berputar 5.6.3.1 Rangkaian Ekuivalen Rotor pada kecepatan dibawah kecepatan medan putar stator. Perbedaan kece-
patan tergantung pada besarnya beban motor. Slip mutlak menunjukkan kece- patan relatif rotor terhadap medan putar.
Slip Mutlak = Ns – Nr
Slip (S) merupakan perbandingan slip mutlak terhadap Ns, ditunjukkan per unit atau prosen oleh hubungan :
Dalam keadaan diam, frekuensi rotor ( f 2 ) sama besarnya dengan frekuensi sumber tegangan, bila rotor berputar
frekuensi rotor tergantung pada besar- nya kecepatan relatif atau slip mutlak. Hubungan antara frekuensi dengan slip dapat dilihat sebagai berikut :
dan pada rotor berlaku hubungan :
S f 2 Sxf 1 Gambar 5.102 Rangkaian Ekuivalen
Rotor
414 Mesin Listrik
Pada saat rotor berputar tegangan in-
1 ) duksi rotor (E2) dan reaktansi bocor
rotor (X2) dipengaruhi oleh Slip, maka
arus rotor menjadi : dimana R 2 Resistansi Rotor
1 ) = Resistansi Beban R 2 ( S . X 2 )
2 · ¨ 2 ¸ .X
5.6.3.2 Rangkaian Ekuivalen Motor
Gambar 5.103 Rangkaian Ekuivalen Motor
Gambar rangkaian ekuivalen pada gambar 5.102 bisa disederhanakan lagi dengan merefrensikannya pada sisi primer (stator) seperti terlihat pada gambar 5.103
Gambar 5.104 Rangkaian Ekuivalen dengan Refrensi Primer
Mesin Listrik 415
5.6.4 Torsi dan Daya atau
Seperti telah dibahas pada sub bab
2 X 2 R 2 X 2 mengenai konstruksi dan prinsip kerja
motor induksi, tidak ada suplai listrik
yang dihubungkan secara langsung ke 2
bagian rotor motor, daya yang dilewat-
kan senjang udara adalah dalam bentuk
magnetik dan selanjutnya diinduksikan ¾ Torsi saat Rotor(Motor) Berputar ke rotor sehingga menjadi energi listrik. Rata-rata daya yang melewati senjang Pada saat motor berputar, maka : udara harus sama dengan jumlah rugi
v T E 2 r . I 2 r . Cos M 2 daya yang terjadi pada rotor dan daya
yang dikonversi menjadi energi meka- dimana : nis.
E 2 r Tegangan rotor / fasa saat Daya yang ada pada bagian rotor meng- berputar hasilkan torsi mekanik, tetapi besar-nya torsi yang terjadi pada poros motor di-
I 2 r Arus rotor/fasa saat berputar mana tempat diletakkannya beban, ti- dak sama dengan besarnya torsi meka-
nik, hal ini disebabkan adanya torsi yang hilang akibat gesekan dan angin.
5.6.4.1 Torsi Motor
Cos 2 r
) 2 ( . ) ¾ Torsi Asut (Starting Torque) 2 R 2 S X 2
Torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor
2 2 pada saat mulai diasut disebut Torsi
2 ( S . X 2 ) Asut, nilainya bisa lebih besar atau lebih
kecil dari Torsi putar dalam keadaan
3 normal.
k = konstanta, nilainya =
2 . S . Ns
Z 2 2 R 2 X 2 . S . Ns
2 2 ¾ Torsi Maksimum saat Motor Ber- 2
Cos M
putar
Torsi Asut T s k . E 2 . I 2 . Cos M 2 Kondisi Torsi Maksimum pada saat motor berputar bisa diperoleh dengan
mendeferen-tialkan persamaan Torsi terhadap Slip S.
416 Mesin Listrik
Torsi Maksimum
dT
dS
Sm S
Berdasarkan hasil diferensial ini akan
diperoleh ; Sm ¸¸
2 ¨¨ 2 S
Sm 2 ¾ Torsi Asut dan Torsi Maksimum
X k ¸¸
2 . X 2 ¾ Torsi pada Rotor Lilit
Untuk menentukan Arus, daya, dan Torsi pada Motor Induksi rotor lilit tidak berbeda dengan rotor sangkar, hanya pada rotor lilit kita bisa menambahkan tahanan luar terhadap bagian rotor tersebut.
Gambar 5.105 Karakteristik Slip Vs Torsi
¾ Torsi Beban Penuh dan Torsi Mak-
simum
T max
2 . X 2 Gambar 5.106 Rangkaian Ekuivalen Motor
2 Induksi Rotor Lilit
T max R 2 2 2 S . X 2 2 k . E 2 2
Mesin Listrik 417 Mesin Listrik 417
x Saat Berputar
I 2 2 Ampere (
I 2 2 Ampere
5.6.4.1 Daya Motor Induksi Tiga Fasa
Diagram aliran daya dari sebuah Motor Induksi Tiga Fasa seperti diperlihatkan pada gambar 5.106
Daya Masuk Stator = Daya Keluar Stator + Rugi Tembaga Stator Daya Masuk Rotor = Daya Keluar Stator Daya Keluar Rotor Kotor = Daya Masuk Rotor - Rugi Tembaga Rotor
Gambar 5.107 Diagram Aliran Daya Motor Induksi Tiga Fasa
Daya keluar rotor dikonversi ke dalam energi mekanis dan menghasilkan Torsi Tg. Sebagian torsi yang dihasilkan Tg hilang karena gesekan dan angin di rotor disebut Torsi Poros Tsh.
418 Mesin Listrik
Keterangan :
Rugi Tembaga Rotor untuk Sistem Tiga
Daya Keluar Rotor kotor = Pout
rotor Fasa, adalah :
Pcu 3 . I rotor 2 2 . R 2
Daya Masuk Rotor = Pin
Rugi Tembaga Rotor = Pcu
rotor 3 . S . E 2 . R 2 Watt
Pout rotor = Tg . 2 . S . Nr R 2 2 2 2 S . X 2
Pout
rotor
Pin
P Tg = rotor rotor 2
Pcu
Pcu rotor Tg x 2 . S ( Ns Nr )
2 . R rotor 2 Tg x Ns Nr
Pcu
Pin rotor
Tg x 2 . S . Ns
Ns Nr
Daya Mekanik (Pm) atau
S Ns
Pout rotor =(1 - S) Pin rotor
Pcu rotor S x Pin rotor
2 2 2 Watt Pout rotor = Pin rotor - Pcu rotor
= Pin rotor - S x Pin rotor
Pm
Tg Z
Pm
2 S Nr / 60
Pout rotor
Pm
Pin
rotor
2 . S . Ns ( 1 S ) / 60
2 . S . Ns / 60 R
Ns Ns
Nr
Efisiensi Rotor
Ns
Nr
Juga rotor
Pcu
Pin rotor
Pout rotor
( 1 S ) Pin rotor
Gambar 5.108 Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi
Mesin Listrik 419
Menentukan Torsi dan daya pada motor induksi tiga fasa, bisa dilakukan pula berdasarkan
I 2 1 (Gambar 5.107).
rangkaian
ekuivalen
Pin Stator = 3 . V 1 . I 1 . Cos M 1 Watt ©
Tg
Rugi Inti I . Rc
2 S . Ns / 60
Pcu stator 3 . I 1 . R 1 Watt
Daya yang Ditransfer ke Rotor ( R
Watt
bila harga Io diabaikan I 1 I 2
S ' 2 Pcu '
rotor 3 .( I 2 ) . R 2 Watt
Daya Keluar Motor Pg ( Pout ) 3 . I 1 2 . R L
Daya Mekanik Pm Pin rotor Pcu rotor
2 I 2 ) . R 2 ( R eq 1 R L ) X eq 1
Pg 1 L
, k diasumsika n 1
¸ Watt
( R eq 1 R L ) 2 X eq 2 1
© S ¹ Tg x Z Tg x 2 S . Nr / 60 Daya Keluar Motor akan maksimum,
3 .( ' ) 2 . ' 1 S ·
bila : R
karena Nr Ns ( 1 S ), maka
5.6.5 Penentuan Parameter Motor Induksi
Parameter dari rangkaian ekuivalen
R c , X m , R 1 , X 1 , X 2 , danR 2 , dapat diten-
tukan berdasarkan hasil tes tanpa be-
Gambar 5.109 Rangkaian Ekuivalen dengan ban, tes hubung singkat, dan dari pe-
Refrensi Stator
ngukuran tahanan dc dari belitan stator.
420 Mesin Listrik
Tes tanpa beban pada motor induksi, seperti tes tanpa beban pada sebuah transformator,yang hasilnya memberi- kan informasi nilai arus magnetisasi dan rugi gesekan.
Tes ini dilakukan dengan memberikan tegangan tiga fasa seimbang pada belitan stator pada rating frekuensinya. Bagian rotor pada kondisi pengetesan jangan terhubung dengan beban meka- nis, rugi daya yang terukur pada kondisi tes tanpa beban disebabkan rugi inti, rugi gesekan dan angin.
Tes hubung singkat pada motor induksi,
seperti tes hubung singkat pada trans-
formator, yang hasilnya memberikan in- Gambar 5.110 Tes Tanpa Beban formasi kerugian karena impedansi. Pada tes ini rotor ditahan sehingga OA=Menunjukkan rugi-rugi yang dise- motor tidak bisa berputar. Untuk meng- babkan gesekan dan angin. hindari hal-hal yang tidak ingin selama
pengetesan biasanya tegangan yang Besarnya nilai Wo yang terbaca pada diberikan hanya 15% - 20% dari tega- saat tes tanpa beban, menunjukkan nilai ngan normal motor, sedangkan untuk kerugian yang diakibatkan oleh adanya : mendapatkan nilai parameter motor, te- x Rugi tembaga Stator
0 . R 1 . tap berdasarkan nilai nominalnya de- ngan melakukan konversi dari hasil pe- x Rugi Inti
3 2 . Go . V .
ngukuran. x Rugi disebabkan gesekan dan
angin.
Hasil pengetesan terhadap motor ini selain untuk menentukan parameter, OB Menunjukkan tegangan normal, dapat dimanfaatkan juga untuk meng- sehingga rugi-rugi pada tegangan nor- gambarkan diag-ram lingkaran. Rugi- mal dapat diketahui dengan menggam- rugi tembaga stator dan rotor dapat dipi- barkan garis vertikal dari titik B. sahkan dengan menggambarkan garis BD = Rugi disebabkan gesekan dan torsi.
angin. DE = Rugi tembaga stator.
5.6.5.1 Tes Tanpa Beban
EF = Rugi inti
Test tanpa beban dilakukan pada motor
Cos M 0 0
indukasi tiga fasa untuk memproleh data
daya masuk Wo, Io, dan Vo (V) seperti yang diperlihatkan pada gambar 5.109
Pada gambar 5.109 b,kurva Wo ter- potong sumbu vertikal pada titik A.
Mesin Listrik 421
5.6.5.2 Tes Hubung Singkat
Gambar 5.111 Tes Hubung Singkat
Tes ini dilakukan untuk : W hs = Total daya masuk saat hubung x Arus hubung singkat saat tegangan
Singkat
V hsL = Tegangan Jala-jala saat hubung x Faktor daya pada saat hubung
normal diberikan pada stator.
Singkat.
singkat.
I hsL = Arus Jala-jala saat hubung
x Reaktansi total X eq 1 dari motor
singkat
dengan refrensi sisi primer (stator). Rugi Tembaga Total W hs W int i
x Resistansi total R eq 1 dari motor
hs . R eq 1 W hs W int i
dengan refrensi sisi primer.
hs
int i
Pada saat test dilakukan rotor ditahan
eq 1 3 . I
dan untuk jenis rotor belitan, kumparan
hs
rotor dihubung singkat pada slipring.
Z eq 1 hs ?
2 X 2 eq 1 Z eq 1 R eq 1
I hs
Kurangi tegangan suplai ( r 5 atau 20 %)
dari tegangan normal) dan diatur sampai arus beban penuh mengalir dalam
5.6.6 Pengaturan Kecepatan
stator. Pada saat pengetesan dilakukan
Motor Induksi Tiga catat nilai arus, tegangan, dan daya Fasa
masuk yang terukur.
I hsN I hs x
V Motor induksi akan berputar pada kece-
V hs
patan konstan saat dihubungkan pada tegangan dan frekuensi yang konstan,
I hsN = Arus hubung singkat diperoleh kecepatannya sangat mendekati kece-
saat tegangan normal diberikan. patan sinkronnya. Bila torsi beban ver-
I hs = Arus hunbung singkat diperoleh tambah, maka kecepatannya akan se-
dikit mengalami penurunan, sehingga saat tegangan pengujuan diberi- motor induksi sangat cocok digunakan kan. menggerakkan sistem yang membu-
W hs 3 . V hsL . I hsL . Cos M hs
tuhkan kecepatan konstan.
W Cos M hs hs
3 . V hsL . I hsL Namun dalam kenyataannya terutama di
industri terkadang dikehendaki juga ada-
422 Mesin Listrik 422 Mesin Listrik
5.6.6.2 Pengaturan Tahanan
memerlukan biaya yang relatif mahal. Rotor
Pengaturan kecepatan dapat dilakukan dengan beberapa cara, seperti dengan Pengaturan kecepatan putaran dengan mengubah jumlah kutub, mengatur ta- cara pengaturan tahanan luar hanya hanan luar, mengatur tegangan jala-jala, bisa dilakukan pada motor induksi rotor dan mengatur frekuensi jala-jala.
belitan, dengan cara menghubungkan tahanan luar ke dalam rangkaian rotor
5.6.6.1 Mengubah Jumlah Kutub
melalui slipring. Pengaturan tahanan secara manual ter- kadang kurang sempurna untuk bebe-
Karena kecepatan operasi motor induksi rapa jenis penggunaan,seperti sistem mendekati kecepatan sinkron, maka ke- kontrol umpan balik. Kontrol dengan cepatan motor dapat diubah dengan memanfaatkan komponen elektronik cara mengubah jumlah kutubnya, se- pada tahanan luar akan lebih memper-
suai dengan persamaan : N S
120 f halus operasi pengaturan.
Hal ini dapat dilakukan dengan mengu- bah hubungan lilitan dari kumparan stator motor. Normalnya diperoleh dua perubahan kecepatan sinkron dengan mengubah jumlah ku-tub, misalnya dari
2 kutub menjadi 4 kutub. Dengan cara ini perubahan kecepatan yang diha- silkan hanya dalam “ discrete steps”.
a. Rangkaian Tahanan Rotor
Gambar 5.112 Mengubah Jumlah b. Kurva Pengaturan Tahanan
Kutub
Mesin Listrik 423 Mesin Listrik 423
(a)
d. Pengaturan dengan lup Tertutup
Gambar 5.113 Pengaturan Tahanan
Rotor Motor
5.6.6.3 Pengaturan Tegangan
(b)
Untuk melakukan pengaturan kecepatan dengan daerah pengaturan yang sempit pada motor induksi rotor sangkar dapat dilakukan dengan cara menurunkan (mengatur) besarnya tegangan masu- kan.
Perlu diperhatikan pengaturan kecepat- an seperti ini bisa menyebabkan naik- nya slip, sehingga efisiensi menurun
dengan menu-runnya kecepatan, dan (c)
pemanasan berlebihan pada motor bisa Gambar 5.114 Pengaturan Tegangan
menimbulkan masalah.
5.6.6.4 Pengaturan Frekuensi
Pengaturan tegangan untuk mengatur
kecepatan dapat diimplementasikan de-
ngan mensuplai kumparan stator dari Pengaturan putaran motor induksi dapat sisi sekunder autotransformator yang dilakukan dengan mengatur nilai fre- bisa diatur atau dengan komponen kuensi jala-jala. Aplikasi metoda penga- elektronik seperti rang-kaian thyristor turan kecepatan ini memerlukan se- yang biasa disebut “ voltage controller”.
buah pengubah frekuensi.
424 Mesin Listrik
Gambar 5.113 memperlihatkan blok ¾ Dimana motor akan diletakan ? diagram sistem pengaturan kecepatan umpan terbuka (open loop), frekuensi dan masih banyak lagi hal-hal yang sup-lai ke motor dapat diatur (diubah- harus dijadikan acuan sebelum kita me- ubah).
milih motor listrik, supaya motor dapat Untuk menghindari saturasi yang tinggi menggerakan beban secara optimal dan dalam magnetik, tegangan terminal ke efisien. motor harus bervariasi sebanding de- ngan frekuensi.
Berikut ini beberapa faktor/standar yang dapat dijadikan pertimbangan dalam memilih motor, supaya sesuai dengan kebutuhan beban.
¾ Faktor Pelayanan (Service Faktor)
Motor induksi tersedia dengan berbagai tipe dan ukuran daya, apabila motor mempunyai faktor pelayanan (service faktor = SF) 1,15, hal ini menunjukan bahwa motor dapat beroperasi pada 115% beban secara terus menerus, walaupun beroperasi pada efisiensi yang lebih rendah dari yang seharus- nya. Pengunaan motor dengan beban lebih sesuai SF untuk jangka waktu tertentu biasanya menjadi alternatif
Gambar 5.115 Skema Pengaturan pengguna motor, daripada harus mem-
Frekuensi
beli motor dengan daya yang lebih
besar.
¾ Penutup
5.6.7 Pemilihan Motor
Motor
Penutup motor dirancang untuk membe-
rikan perlindungan terhadap bagian- Sebelum menggunakan motor listrik un- bagian yang ada didalam motor, tergan- tuk menggerakan suatu beban, maka terlebih dahulu kita harus mengetahui tung pada lingkungan dimana motor ter-
sebut akan dipergunakan. Beberapa karakteristik beban yang akan digerakan jenis penutup yang umum dipergunakan tersebut, seperti : ¾ Apakah beban akan terhubung lang- adalah :
sung ke poros motor ? ODP (Open Drip-Proof), jenis ODP ¾ Berapa besarnya daya yang dibu- digunakan pada lingkungan yang tuhkan ? ¾ Bagaimana hubungan torsi beban bersih dan memberikan toleransi ter-
hadap tetesan cairan tidak lebih dengan kecepatan ? ¾ Berapa besar torsi asut, torsi ke- besar 15°secara vertikal. Pendi-
nginan untuk motor memanfaatkan cepatan, torsi maksimum yang di-
udara sekitarnya.
butuhkan ?
Mesin Listrik 425
TEFC(Totally Enclosed Fan Cooled), tahanan rotor tinggi yang dibuat dari motor dengan penutup jenis ini di- kuningan, motor bekerja antara 85% s.d gunakan untuk lingkungan yang ber- 95% dari kecepatan sinkronnya. debu dan korosif. Motor didingin- Motor dengan desain D biasanya diper- kan oleh kipas angin eksternal.
gunakan untuk menggerakan beban yang mempunyai kelembaman tinggi,
¾ Klasifikasi Karakteristik Torsi Motor sehingga membutuhkan waktu yang re- latif lama untuk mencapai kecepatan
NEMA (National Electrical Manufactu- penuh. res Association) telah membuat standar- disasi untuk motor induksi berdasarkan karakteristik torsinya, yaitu rancangan A, ¾ Klasifikasi Isolasi Motor
B, C, D, dan F. Tabel 5.6 memper- lihatkan karakteristik torsi motor berda- Isolasi motor diklasifikasikan dengan hu- sarkan standar NEMA.
ruf, sesuai dengan kemampuannya ter- hadap suhu untuk bisa bertahan tanpa
Tabel 5.6 Karakteristik Torsi mengakibatkan penurunan karakteristik Motor Induksi
yang serius. Tabel 5.7 memperlihatkan
Desain Torsi Arus
Slip
Torsi
kenaikan suhu diatas suhu kamar ber-
Asut Asut
Beban Patah
dasarkan klas isolasi. Jenis isolasi motor
Penuh
yang paling umum digunakan adalah