Motor Induksi Proses Rancang Bangun

7

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Motor Induksi

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 [1]. 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 [2].

2.2 Konstruksi MotorInduksi

Secara umum, konstruksi dari sebuah motor induksi terdiri dari : 1. Stator adalah bagian dari motor yang diam. 2. Rotor adalah bagian dari motor yang berputar. 3. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor [3]. Universitas Sumatera Utara 8 Gambar 2.1. Konstruksi stator dan rotor motor induksi.

2.2.1 Stator

Stator merupakan 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 merupakan contoh gambar lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa [4]. Universitas Sumatera Utara 9 a b c Gambar 2.2 Komponen stator motor induksi 3 phasa a Lempengan inti, b Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya. c Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator. Selain itu stator terdiri dari beberapa komponen utama, yaitu : a Rangka Stator Rangka stator merupakan rumah kerangka yang menyangga inti jangkar motor induksi. b Inti Stator Inti stator terbuat dari laminasi-laminasi baja campuran atau besimagnetik khusus yang terpasang ke rangka stator. c Alur slot dan Gigi Alur dan gigi merupakan tempat meletakkan kumparan stator. Ada3 tiga bentuk alur stator yaitu terbuka, setengah terbuka, dantertutup. Ketiga bentuk alur slot tersebut tampak seperti pada Gambar 2.2 berikut : Gambar 2.2 Bentuk alur slot motor Universitas Sumatera Utara 10 d Kumparan Stator Kumparan Jangkar Kumparan jangkar biasanya terbuat dari tembaga.Kumparan inimerupakan tempat timbulnya ggl induksi.

2.2.2 Rotor

Rotor merupakan bagian yang bergerak.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 fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada poros rotor Gambar 2.3a. Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui sikat brush yang menempel pada slip ring perhatikan Gambar 2.3, dengan menggunakan sebuah perpanjangan kawat untuk tahanan luar [4]. a b Gambar 2.3. a Rotor Belitan . b Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan 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 2.4a. Tumpukan besi yang dilaminasi Universitas Sumatera Utara 11 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.Serta pada Gambar 2.5 merupakan skematik dari motor induksi 3 fasa rotor belitan, dari gambar tersebut terlihat hubungan kumparan rotor. a b Gambar 2.4 . a Rotor Sangkar Tupai, b Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai Gambar 2.5. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan

2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi

Suatu motor induksi terdiri atas dua bagian utama. Yang pertama adalah stator atau bagian yang diam, tempat dibangunkannya medan maknit Universitas Sumatera Utara 12 putar dan yang kedua adalah rotor atau bagian berputar, tempat diinduksikannya ggl oleh maknit putar [5]. Dalam stator dari motor induksi fasa-tiga diletakkan kumparan – kumparan dari ketiga lilitan fasa secara teratur dengan menempatkan sumbu masing – masing lilitan berbeda fasa listrik 2 � 3 , yang terminalnya dihubungkan pada jaringan fase-tiga yang simetris, seimbang. Arus dalam ketiga fase itu bersama – sama akan membangunkan suatu medan yang besarnya tetap dan berputar dengan kecepatan sudut � � = � � 2 � , dimana ω sama dengan kecepatan sudut listrik dari sistem listrik jaringan yang mensuplainya dan P jumlah ktub dari medan putar stator. Juga � � 60 2 � , di mana � � adalah putaran permenit dari medan putar stator. Dengan frekuensi jaringan f periode per detik atau dengan kecepatan sudut listrik � = 2�. � Maka, � � = 60 � � 2 � atau � � = 120 � � Dalam medan putar ini terdapat rotor belitan yang lilitannya dihubung singkat. Oleh medan putar stator akan diinduksikan ggl dalam lilitan rotor yang akan membangkitkan arus. Arus rotor bersama dengan medan putar rotor akan membangkitkan kopel yang membawa rotor ke arah putaran medan stator. Kecepatan putaran Universitas Sumatera Utara 13 rotor tidak dapat sama dengan kecepatan putaran stator, sebab dalam hal ini tidak akan ada ggm dan karena itu juga tidak ada yang diinduksikan dalam rotor, dan kopel akan hilang. Karena itu untuk bekerjanya motor induksi diperlukan adanya perbedaan antara putaran rotor dengan putaran medan stator. Jadi perlu adanya slip. Jika kecepatan putar rotor adalah n maka definisi slip s adalah = � � − � � � , � � − � adalah selisih antara kecepatan medan putar stator dengan kecepatan putaran rotor. Frekuensi dari arus induksi dalam rotor adalah � 2 = �.� � −� 2.60 = �.� � 120 = �. � , Juga berlaku � 2 = sw, ialah frekuensi sudut arus rotor. Arus rotor akan membangunkan pula medan putar yang kecepatan putarnya terhadap rotor adalah 2.60 � . �.� � −� 2.60 = � � − � dengan kecepatan rotor n maka kecepatan medan putar rotor terhadap stator menjadi � + � � − � = � � . Jadi medan putar rotor mempunyai kecepatan yang sama dengan medan putar stator. 2.4 Pengereman Motor Listrik Pengereman adalah suatu kondisi untuk mengurangi kecepatan dari keadaan running ke suatu keadaan steady state lainnya yang lebih rendah, dalam hal ini juga termasuk kondisi berhenti. Pada pengereman motor induksi tiga phasa harus dipilih cara pengereman yang baik, yaitu pengereman tidak mengakibatkan kerusakan - kerusakan pada mesin,rugi-rugi panas akibat Universitas Sumatera Utara 14 pengereman ditekan sekecil-kecilnya sehingga tidak merusak mesin,serta dapat dijalankan dan dihentikan sesuai dengan jadwal operasi yang diinginkan [5]. Tujuan pengereman tidak terbatas untuk menghentikan perputaran mesin secara cepat tetapi juga untuk menjaga agar perputaran mesin tidak melebihi putaran yang diizinkan. Sehingga dapat disimpulkan, pengereman merupakan suatu kerja dari gaya yang menghasilkan perlambatan atau penghentian. Ada beberapa sistem yang digunakan untuk pengereman motor induksi, diantaranya sistem pengereman mekanis dan sistem pengereman elektrodinamik. Pada sistem pengereman elektrodinamik dapat dibedakan atas beberapa metode antara lain, Pengereman Regeneratif, Pengereman Dinamik, Pengereman Plugging.

2.4.1 Pengereman Mekanis

Sistem Pengereman Mekanis adalah pengereman yang dilakukan dengan cara mekanis, yaitu dengan memberikan gesekan pada rotornya dengan rem dinamo. Pengereman ini menggunakan kopel rem yang bekerja diluar motor atau biasa disebut dengan metode eksternal. Peralatan pengereman pada sistem mekanis menggunakan sepatu rem atau drum rem yang terpasang pada poros rotor. Pada pengereman ini, energi putar dari rotor dikurangi dengan cara menekan poros rotor menggunakan sepatu rem. Pengereman secara mekanik menimbulkan rugi-rugi mekanis seperti gesekan yang menimbulkan panas dan menghasilkan debu akibat gesekan [5]. Universitas Sumatera Utara 15 Dengan demikian proses pengereman ini pada dasarnya dilakukan dengan cara mengubah energi mekanis menjadi energi panas.

2.4.2 Pengereman Secara Elektrodinamik

Pada sistem pengereman ini, torsi pengereman timbul dari dalam motor itusendiri sebagai akibat kerja elektris dari fluksi medan penguat sehingga timbul arus rotor yang mengakibatkan terjadinya torsi pengereman, hal ini disebut juga sistem pengereman dalam. Pengereman secara elektris lebih halus dibanding pengereman secara mekanis.Pengereman secara listrik ini digunakan untuk mengatur waktu pengereman, perlambatan dan sebagainya. Ada tiga metode untuk melakukan pengereman secara elektrodinamik pada motor induksi tiga phasa, antara lain [5]: 1. Pengereman Regeneratif, dengan cara mengembalikan energi ke rangkaiansumberjala-jala 2. Pengereman Plugging, dengan cara membalikkan arah medan motor tersebut dari arah semula. 3. Pengereman Dinamik, dengan cara meenginjeksikan arus DC ke stator.

2.4.2.1 Pengereman Regeneratif

Pengereman regereratif terjadi pada saat putaran rotor n r lebih cepatmedan putarnya n s sehingga motor akan berfungsi sebagai generator induksi yang mengirimkan energinya ke jala-jala. Perputaran rotor melebihi Universitas Sumatera Utara 16 kecepatan sinkronnya disebabkan adanya gaya luar yang menyebabkan rotor bergerak harus lebih cepat dari putaran sinkronnya. Hal ini sering dijumpai pada mesin-mesin pengangkat. Pada waktu menurunkan beban muatan, motor malahan ditarik oleh beban tersebut sehingga perputaran motor melebihi putaran sinkronnya, Dengan kondisi demikian, slip motor menjadi negatif, yang merubah fungsi motor menjadi generator yang mengembalikan energi ke jala-jala [5]. Gambar 2.6 Rangkaian Pengereman Regeneratif Motor Induksi 3 Fasa Pengereman regeneratif dapat kita jumpai pada motor induksi yang memiliki dua macam perputaran nominal yang berarti ada dua macam jumlah kutubnya, yaitu pada saat terjadi perubahan dari perputaran nominal tinggi, ke perputaran nominal rendah. Universitas Sumatera Utara 17

2.4.2.2 Pengereman Plugging

Pengereman dengan metode plugging ini dilakukan dengan cara membalik hubungan phasa dari terminal stator ketika motor berputar. Dengan membalik hubungan phasa, maka akan timbul suatu fluks yang besarnya konstan tetapi arahnya berlawanan. Hal ini kan mengakibatkan arus dan tegangan yang mengalir pada motor makin lama makin kecil dan terjadi pengereman. Akan tetapi jika pembalikan hubungan phasa terlau lama, akan mengakibatkan terbaliknya putaran motor [5]. Gambar 2.7 Rangkaian Pengereman Plugging Motor Induksi 3 Fasa Universitas Sumatera Utara 18

2.4.2.3 Pengereman Dinamik

Sistem pengereman dinamik dengan menggunakan sumber arus searah, diperoleh apabila sumber jala-jala terlepas dan rangkaian stator motor dihubungkan ke sumber arus searah yang diperoleh dari rangkaian penyearah ataupun sumber tegangan DC lainnya, seperti pada Gambar 2.6 Gambar 2.8. Rangkaian Pengereman Dinamik Motor Induksi Tiga Phasa. a Penguatan berasal dari baterai, b Penguatan berasal dari sumber jala-jala yang disearahkan. Serta nilai tahanan luar rotor dapat dibuah ubah sesuai dengan kebutuhan pengereman.Aliran arus searah yang mengalir pada belitan stator, akan membentuk medan magnet stationer dengan distribusi berbentuk gelombang sinus. Bila belitan- belitan pada rotor memotong medan ini, maka Universitas Sumatera Utara 19 akan dihasilkan tegangan imbas pada arus bolak-balik yang juga akan menghasilkan medan magnet diam terhadap stator. Interaksi medan magnet resultan dengan arus imbas rotor akan menghasilkan momen pengereman yang besarnya tergantung pada besar medan magnet yang dihasilkan medan stator, resistansi rangkaian rotor untuk motor induksi rotor belitan berpengaruh pada nilai kecepatan torsi pengereman terjadi. Semakin kecil nilai tahanan, semakin cepat torsi pengereman terjadi, dan kecepatan perputaran rotor [6]. Pengereman dinamik juga dapat dioptimalisasikan dengan menggunakan rangkaian pengendali. Rangkaian ini yang akan secara otomatis mengatur besar arus dc yang akan di injeksikan kedalam kumparan stator motor induksi dan mengatur besar arus output dari rotor yang terlebih dahulu disearahkan menggunakan penyearah tak terkendali yang kemudian akan di kontrol menggunakan dc chopper.[6] Ketika tombol stop ditekan maka secara otomatis terminal motor dilepas dari supplay ac 3 fasa dan terhubung ke rangkaian pengendali, maka secara otomatis rangkaian pengendali menyala dan mengalirkan arus DC yang sudah diatur besar arusnya ke kumparan stator, ketika arus dc dialirkan maka pada rotor motor induksi tersebut akan timbul arus bolak balik tiga fasa, karena motor berubah fungsi sementara menjadi generator induksi. Arus bolak balik tiga fasa dari rotor ini kemudian di searahkan menggunakan penyearah tak terkendali yang di pararelkan dengan tahanan, serta dc chopper yang akan mengatur besar tegangan yang akan dialirkan ke tahanan tersebut. Dengan mengatur nilai arus masukan dan arus keluaran rotor, maka waktu yang diperlukan motor berhenti berputar dapat dikurangi dan pemanasan yang Universitas Sumatera Utara 20 terjadi pada motor dapat berkurang sehingga motor tidak cepat rusak akibat panas yang timbul dari pengereman. Untuk membaca kecepatan putaran rotor digunakan rotary encoder yang akan menjadi referensi besar arus yang dialirkan kedalam stator. Seiring dengan berkurangnya putaran rotor motor induksi, maka arus dc yang di alirkan kedalam stator akan dikurangi secara bertahap juga, hingga rotor berhenti berputar, maka arus dc juga berhenti dialirkan ke kumparan stator. Gambar 2.9. Diagram blok Pengereman Dinamik Motor Induksi Tiga Phasa dengan Menggunakan Pengendali Universitas Sumatera Utara 21 Diagram blok pada Gambar 2.7 diatas merupakan diagram blok pengereman motor induksi 3 fasa dengan menggunakan kontroler, dari diagram diatas, dapat dilihat, arus DC dari penyearah kemudian di atur oleh DC chopper yang sudut penyalaannya diatur oleh kontroler. Dimana untuk tegangan 1 fasa dihubungkan dengan kabel salah satu fasa serta dari kabel netral

2.5 Proses Rancang Bangun

Kegiatan ini berguna untuk menentukan komponen yang akan digunakan dalam rancang bangun ini, agar hasil yang diperoleh dapat lebih maksimal dan mengurangi kegagalan dalam kegiatan rancang bangun yang akan dilakukan. Penentuan spesifikasi dari motor induksi yang akan digunakan. Dalam kasus ini motor yang digunakan memiliki spesifikasi : o Tegangan : 220380 V o Arus : 5,33,2 A o Daya : 1100 W • Dari sisi penyaluran arus DC ke stator Maka untuk menghitung besar arus DC yang akan diinjeksikan kedalam kumparan stator adalah � �� = � 3 2 � �� , � �� = � 3 2 5,3 = 6,49 �. Karena arus ini cukup besar untuk diinjeksikan kedalam kumparan stator, serta Universitas Sumatera Utara 22 arus nominal yang digunakan motor adalah 3,2 A maka arus yang dibutuhkan untuk pengereman dinamik motor induksi adalah kurang dari atau sama dengan nilai nominal arus motor induksi tersebut. Maka transformator ,rangkaian penyearah, relay, DC chopper serta kabel – kabel yang dibutuhkan harus mampu mengalirkan arus sebesar 3 A. Disini transformator yang digunakan memiliki tegangan dan arus nominal 30 V dan 5 A. • Dari sisi output rotor motor induksi Arus keluaran rotor dibatasi menjadi 3 A untuk mengurangi pembebanan pada saat motor berubah menjadi generator menggunakan diode penyearah. Kemudian untuk menentukan besar dari tahanan minimum yang digunakan adalah � = � �� 2 � � , maka besar tahananannya adalah � = 30 � 2 1500 = 0,6 Ω. Selain nilai hambatan diatas, besarnya daya yang diberikan pada resistor juga harus diperhitungkan dengan rumus � = � 2 �. Maka � = 3 2 . 0,6 = 5,4 � sehingga resistor yang dibutuhkan 0,6 Ω 5,4 W. • Penentuan rangkaian Kontrol Mikrokontroler yang digunakan adalah atmega8, dengan spesifikasi tegangan kerja 2,7 V sampai 5 V arus yang nominal yang dibutuhkan 3,6 mA, karena mikrokontroler tipe ini sudah lebih dari cukup mampu untuk melakukan pengendalian pengereman dinamik ini. Universitas Sumatera Utara 23 Dan untuk mengaktifkan mikrokontroler dibutuhkan tegangan sebesar 5 v yang disupplay oleh regulator 5 V. Ic regulator yang digunakan adalah 7805, ic ini merupakan regulator tegangan linier yang keluarannya bernilai tetap. Spesifikasi ic ini, tegangan minimum 7 V, tegangan maksimum 25 V, arus output dari ic ini dapat mencapai 1 A, sehingga sudah cukup untuk mensupplay mikrokontroler.Dan untuk rangkaian minimum yang dibutuhkan oleh mikrokontroler ini bekerja dapat terlihat pada Gambar 2.8 dari gambar tersebut terlihat hubungan – hubungan antara pengendali serta hubungan – hubungan dengan motor induksi 3 fasa. Untuk bekerja pada frekuensi tinggi seperti menghasilkan pulsa PWM yang akan mengatur keluaran dari DC chopper, mikrokontroler harus diberi pembangkit pulsa osilator eksternal sebesar 11 Mhz yang diserikan dengan 2 buah kapasitor non polar sebesar 22pF dan terhubung ke negatif sumber DC. DC chopper yang digunakan adalah rangkaian transistor TIP 142, TIP 147 dengan rangkaian yang sama dengan rangkaian transistor H-Bridge. Ic ini mampu mengalirkan tegangan sebesar 100 V dan arus sebesar 10 A.

2.6 Prinsip Kerja Rangkaian Pengendali