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 Ÿ

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 Ÿ Motor Shunt/ untuk kutub magnit, maka dapat dibe-

Motor Kompon

dakan atas :

Is 2 .Rs Watt Ÿ 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 Ÿ 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 Ÿ

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 Ÿ 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