Pengaruh Tegangant Tidak Seimbang Terhadap Torsi dan Efisiensi Motor Induksi Lima Phasa
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.
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 Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang samadengan
motor sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Statordibentuk
dari laminasi - laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besituang,dan
kemudiandipasak bersama -samauntukmembentukintistatordenganslotsepertiyang
ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil) dari konduktor-konduktor
4
Universitas Sumatera Utara
yangterisolasiinikemudiandisisipkankedalam slot - slottersebut.
Motor induksi pada dasarnya mempunyai 3 bagian penting seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 2.1 sebagai berikut:
1. Stator : Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang dapat
menginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan rotornya.
2. Celah : Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari startor ke
rotor.
3. Rotor : Merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari
kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.
(a)
(b)
Gambar 2.1 (a) Stator dan Rotor Sangkar dan (b) Rotor Belitan
Konstruksi stator motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian-bagian
sebagai berikut:
•
•
•
Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.
Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.
Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat
meletakkan belitan (kumparan stator).
•
Belitan (kumparan) stator dari tembaga.
5
Universitas Sumatera Utara
Rangka stator motor induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya.
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung dengan
manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan objek atau gangguan
udara terbuka (cuaca luar).
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena itu
stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan.
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan lebih
efektif.
Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi
menjadi dua jenis seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1, yaitu:
1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage)
2. Motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor)
Konstruksi rotor motor induksi terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut:
(a) Inti rotor, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti
stator
(b) Alur, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti. Alur
merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor
(c) Belitan rotor, bahannya dari tembaga
(d) Poros atau as
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Gambaran Sederhana Bentuk Alur/ Slot Motor Induksi
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 kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana bentuk alur/ slot pada motor induksi
diperlihatkan pada Gambar 2.2 dan gambaran sederhana penempatan stator dan
rotor pada motor induksi diperlihatkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 GambarMotor Induksi dengan 1 Kumparan Statordan 1 Kumparan Rotor.
Tanda silang (x) pada kumparan stator atau rotor pada Gambar 2.3
menunjukkan arah arus yang melewati kumparan masuk ke dalam kertas (tulisan
ini) sedangkan tanda titik (.) menunjukkan bahwa arah arus keluar dari kertas.
7
Universitas Sumatera Utara
(a)
(b)
Gambar 2.4 (a) Penampang inti stator, (b) Rotor motor induksi
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis
yaiturotor
sangkar(squirrelcagerotor)danrotorbelitan(woundrotor).Rotorsangkarterdiri dari
susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot - slot yangterdapat
pada permukaan rotor dan tiap - tiap ujungnya dihubung singkatdengan
menggunakan shortingrings.
Pada motor jenis rotor sangkar, konstruksi pada motor tiga phasa dan
lima phasa adalah hampir sama terutama pada rotornya. Hal paling utama yang
membedakan kedua motor ini adalah belitan konduktor pada statornya, dimana
belitan stator pada motor induksi lima phasa menggunakan 30 slot dan
menggunakan 4 kutub (pole).
2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi
Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor
tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam
lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan
8
Universitas Sumatera Utara
rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar.Ggl induksi
menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor. Sehingga dengan adanya
aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator,
maka akan dibangkitkan gaya ( F ) yang bekerja pada motor.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi lima phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol kelima phasa stator yang terhubung dengan sumber
tegangan lima phasa yang seimbang akan menghasilkan arus pada tiapbelitan
phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah ubah.
2. Amplitudo
fluksi
yang
dihasilkan
berubah
secara
sinusoidal
dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
� = −�
��
(����)
��
(2.1)
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medanputar
yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukanoleh
jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan:
Dimana:
�� =
120�
(���)
�
ns
= kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f
= frekuensi sumber daya (Hz)
P
= jumlah kutub motor induksi
(2.2)
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor.
9
Universitas Sumatera Utara
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2.
7. Adanya arus I2di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya Lorentz (F)
pada rotor. Gaya Lorentz yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada
dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan
mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar:
� = � � � sin �
Dimana:
(2.3)
F= gaya yang bekerja pada konduktor (Newton)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
I= besar arus pada konduktor (A)
L= Panjang konduktor (m)
θ = Sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik
8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul
kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan
sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatanrotor
(nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:
�=
�� − ��
� 100%
��
(2.4)
10. Padasaatrotordalamkeadaanberputar,besarnyateganganyangterinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.
10
Universitas Sumatera Utara
11. Bilans = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel
akandihasilkan jika nr
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.
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 Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang samadengan
motor sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Statordibentuk
dari laminasi - laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besituang,dan
kemudiandipasak bersama -samauntukmembentukintistatordenganslotsepertiyang
ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil) dari konduktor-konduktor
4
Universitas Sumatera Utara
yangterisolasiinikemudiandisisipkankedalam slot - slottersebut.
Motor induksi pada dasarnya mempunyai 3 bagian penting seperti yang
diperlihatkan pada Gambar 2.1 sebagai berikut:
1. Stator : Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang dapat
menginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan rotornya.
2. Celah : Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari startor ke
rotor.
3. Rotor : Merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet dari
kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.
(a)
(b)
Gambar 2.1 (a) Stator dan Rotor Sangkar dan (b) Rotor Belitan
Konstruksi stator motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian-bagian
sebagai berikut:
•
•
•
Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.
Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.
Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat
meletakkan belitan (kumparan stator).
•
Belitan (kumparan) stator dari tembaga.
5
Universitas Sumatera Utara
Rangka stator motor induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya.
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung dengan
manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan objek atau gangguan
udara terbuka (cuaca luar).
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh karena itu
stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan goncangan.
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan lebih
efektif.
Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi
menjadi dua jenis seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1, yaitu:
1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage)
2. Motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor)
Konstruksi rotor motor induksi terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut:
(a) Inti rotor, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti
stator
(b) Alur, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti. Alur
merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor
(c) Belitan rotor, bahannya dari tembaga
(d) Poros atau as
6
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Gambaran Sederhana Bentuk Alur/ Slot Motor Induksi
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 kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana bentuk alur/ slot pada motor induksi
diperlihatkan pada Gambar 2.2 dan gambaran sederhana penempatan stator dan
rotor pada motor induksi diperlihatkan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3 GambarMotor Induksi dengan 1 Kumparan Statordan 1 Kumparan Rotor.
Tanda silang (x) pada kumparan stator atau rotor pada Gambar 2.3
menunjukkan arah arus yang melewati kumparan masuk ke dalam kertas (tulisan
ini) sedangkan tanda titik (.) menunjukkan bahwa arah arus keluar dari kertas.
7
Universitas Sumatera Utara
(a)
(b)
Gambar 2.4 (a) Penampang inti stator, (b) Rotor motor induksi
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis
yaiturotor
sangkar(squirrelcagerotor)danrotorbelitan(woundrotor).Rotorsangkarterdiri dari
susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot - slot yangterdapat
pada permukaan rotor dan tiap - tiap ujungnya dihubung singkatdengan
menggunakan shortingrings.
Pada motor jenis rotor sangkar, konstruksi pada motor tiga phasa dan
lima phasa adalah hampir sama terutama pada rotornya. Hal paling utama yang
membedakan kedua motor ini adalah belitan konduktor pada statornya, dimana
belitan stator pada motor induksi lima phasa menggunakan 30 slot dan
menggunakan 4 kutub (pole).
2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi
Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor
tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam
lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan
8
Universitas Sumatera Utara
rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar.Ggl induksi
menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor. Sehingga dengan adanya
aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator,
maka akan dibangkitkan gaya ( F ) yang bekerja pada motor.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi lima phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol kelima phasa stator yang terhubung dengan sumber
tegangan lima phasa yang seimbang akan menghasilkan arus pada tiapbelitan
phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah ubah.
2. Amplitudo
fluksi
yang
dihasilkan
berubah
secara
sinusoidal
dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
� = −�
��
(����)
��
(2.1)
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medanputar
yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukanoleh
jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan:
Dimana:
�� =
120�
(���)
�
ns
= kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f
= frekuensi sumber daya (Hz)
P
= jumlah kutub motor induksi
(2.2)
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor.
9
Universitas Sumatera Utara
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2.
7. Adanya arus I2di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya Lorentz (F)
pada rotor. Gaya Lorentz yaitu bila suatu konduktor yang dialiri arus berada
dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut akan
mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar:
� = � � � sin �
Dimana:
(2.3)
F= gaya yang bekerja pada konduktor (Newton)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
I= besar arus pada konduktor (A)
L= Panjang konduktor (m)
θ = Sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik
8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul
kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan
sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatanrotor
(nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:
�=
�� − ��
� 100%
��
(2.4)
10. Padasaatrotordalamkeadaanberputar,besarnyateganganyangterinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.
10
Universitas Sumatera Utara
11. Bilans = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel
akandihasilkan jika nr