a. Konduksi
Pada konduksi, energi panas mengalir dari belitan stator ke isolasi slot kemudian ke inti stator. Demikian juga pada rotor, panas mengalir dari konduktor
rotor ke inti rotor dan kemudian ke tangkai rotor. Gambar 3.5.2 menunjukkan proses konduksi pada sebuah slot konduktor pada motor induksi.
Gambar 3.5.2 Konduksi pada sebuah slot konduktor pada motor induksi.
Besarnya energi panas yang ditransfer pada proses konduksi sesuai dengan persamaan 3.5.1:
Q = q. l. A Joule
3.5.1
Dimana: Q
= panas yang dihasilkan per unit volume Wm
3
A = luas area slot m
2
l = panjang slot m
Universitas Sumatera Utara
Untuk tinjauan satu slot seperti pada Gambar 3.5.2 maka besarnya nilai q dapat ditentukan dengan persamaan 3.5.2:
� = −�.
�
�
Ѳ � �
�
3.5.2
sedangkan untuk secara keseluruhan slot maka besarnya nilai q ditentukan dengan persamaan 3.5.3:
� = �−�. �Ѳ 3.5.3
Dimana: K
= konduktivitas thermal Wm.ºC �Ѳ
= Ѳ
1
- Ѳ
2
ºC Ѳ
1
= temperatur belitan di dalam slot ºC Ѳ
2
= temperatur inti stator ºC �Ѳ
= perbedaan temperatur antara belitan di dalam slot dengan inti stator.
b. Konveksi
Pada konveksi, energi panas mengalir antara permukaan rangka stator dengan udara sekitar motor. Panas yang di transfer melalui konduksi dapat
dirumuskan pada persamaan 3.5.4:
�
����
= �. �. �Ѳ
Watt 3.5.4
Dimana: Q
conv
= besarnya Energi panas yang di transfer Watt �Ѳ = perbedaan Temperatur antara permukaan rangka stator denganudara
sekitarnya.
Universitas Sumatera Utara
A = luas permukaan yang berhubungan dengan udara m
2
H = koefisien konveksi panas Wm
2
. ºC
c. Radiasi
Pada radiasi, transfer energi panas terjadi antara bagian motor yang menghasilkan panas dengan benda disekeliling motor yang menyerap panas.
Energi panas yang diradiasikan dari stator ke benda disekeliling motor yang menyerap panas dirumuskan dengan persamaan 3.5.5:
�
���
= �. �. �. ��
� �
−�
� �
� Watt
3.5.5
Dimana: � = Konstanta Boltzman = 5,67. 10
−8
��
2
. �
4
� = emissivitas A = luas daerah radiasi
3.5.3. Temperatur Lingkungan Pengoperasian Motor Induksi
Temperatur lingkungan merupakan sesuatu hal yang perlu diperhatikan, karena itu mempengaruhi disisipasi panas pembuangan panas yang juga
mempengaruhi temperatur motor. Sesuai dengan standar IEC 60034-1, hampir secara keseluruhan motor di
rancang bekerja dengan temperatur lingkungan yang tidak melebihi 40ºC. Temperatur lingkungan yang tinggi akan menyebabkan panas pada motor induksi
lebih besar dibandingkan dengan pada saat motor induksi bekerja pada temperatur
lingkungan yang lebih rendah.
Universitas Sumatera Utara
Persamaan 3.5.4 menunjukkan bahwa apabila temperatur lingkungan motor semaki
n tinggi maka besar Δθ akan semakin kecil, sehingga panas yang didisipasikan dibuang melalui konveksi akan semakin kecil, sehingga panas
yang tinggal di dalam belitan stator akan semakin besar.
3.5.4. Isolasi pada motor induksi
Fungsi utama dari isolasi adalah memisahkan komponen yang memiliki potensial listrik yang berbeda. Untuk lebih jauhnya, isolasi berguna untuk
meningkatkan kemampuan dari struktur belitan, mempengaruhi panas antara belitan dengan lingkungan sekitar, dan juga melindungi belitan dari tekanan luar
seperti debu, kelembapan dan reaksi kimia. Secara umum isolasi pada motor induksi dibagi dua kategori utama yaitu
isolasi groundwall dan isolasi konduktor. Fungsi isolasi groundwall adalah memisahkan komponen-komponen motor sehingga tidak terjadi hubungan
galvanis antara satu sama lainnya. Sebagai contoh isolasi groundwall digunakan untuk memisahkan belitan
stator dengan inti stator. Sedangkan isolasi konduktor digunakan untuk
memisahkan masing-masing konduktor pada belitan.
Gambar 3.5.3 menunjukkan konduktor dari belitan stator pada sebuah slot yang berisolasi.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5.3 Belitan pada sebuah slot yang berisolasi
Isolasi konduktor merupakan bagian yang paling mendapat perhatian dari keseluruhan isolasi pada motor induksi. Hal ini dikarenakan isolasi ini merupakan
bagian yang bersentuhan langsung dengan sumber panas yaitu konduktor stator dan merupakan bagian isolasi yang paling tipis.
Isolasi konduktor biasanya berupa lapisan yang terbuat dari bahan thermoset atau thermoplastik seperti polyamide-imide, polyester with polyamide-
imide ataupun polyamide-imide polymer. Isolasi belitan stator dapat dibagi berdasarkan kemampuan untuk bertahan
dalam temperatur tinggi tanpa menimbulkan kerusakan. Tabel 3.5.1 menunjukkan kelas isolasi motor berdasarkan standard IEC.
Tabel 3.5.1. Kelas Isolasi motor induksi berdasarkan standar IEC
Kelas Isolasi Batas Temperatur
A 105 ºC
B 130 ºC
F 155 ºC
H 180 ºC
Universitas Sumatera Utara
Batas temperatur pada tabel merupakan temperatur maksimal dari isolasi belitan stator dengan umur kerja 20.000 jam. Artinya isolasi belitan akan dapat bertahan
selama 20.000 jam apabila temperatur belitan sama dengan temperatur yang ada pada tabel. Selang waktu tersebut merupakan durasi yang singkat, hal ini
dikarenakan motor dirancang untuk bekerja dengan waktu yang lebih lama sehingga dalam pengoperasiannya, motor dijaga untuk bekerja dibawah
temperatur tersebut.
3.5.5. Pengaruh Panas Terhadap isolasi motor
Energi panas menimbulkan kenaikan temperatur, sehingga apabila energi panas yang dihasilkan dari belitan stator besar maka akan menimbulkan kenaikan
temperatur yang tinggi Salah satu penyebab terjadinya kerusakan pada belitan stator adalah karena
temperatur belitan yang tinggi. Motor yang dioperasikan dengan temperatur tinggi akan menimbulkan tekanan termal yang tinggi yang dapat mengakibatkan
berkurangnya umur dari isolasi belitan stator. Pengurangan umur isolasi akibat panas Thermal Aging bergantung
kepada material isolasi dan lingkungan tempat pengoperasian. Pada motor induksi yang berpendingin udara dengan isolasi terbuat dari
bahan thermoset atau thermoplastik, pengurangan umur isolasai akibat panas pada dasarnya disebabkan oleh reaksi oksidasi kimia. Hal ini dikarenakan, pada
temperatur yang cukup tinggi, ikatan kimia bahan isolasi dengan komponen penyusunnya baik itu komponen organik maupun dengan senyawa karbon dapat
Universitas Sumatera Utara
rusak disebabkan adanya getaran vibrasi yang disebakan panas, peristiwa ini disebut juga dengan pemotongan ikatan kimia.
Ketika pemotongan ikatan kimia terjadi, maka oksigen akan mengisi ikatan kimia yang rusak, sehingga menyebabkan rantai polimer penyusun isolasi
akan lebih pendek dan lebih lemah. Secara makro maka isolasi akan lebih rapuh dan daya mekanis yang lebih kecil. Untuk selang waktu yang lama atau untuk
temperatur yang sangat tinggi maka dapat menyebabkan isolasi menjadi meleleh ataupun terbakar.
Umur isolasi motor induksi akibat temperatur tinggi dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan Arrhenius seperti ditunjukka pada persamaan
3.5.6: � = �. �
�� �
. �
3.5.6
Dimana: L
= Umur isolasi jam
A =
konstanta Ea
= energy aktivasi
T =
Temperatur absolut ºC R
= Konstanta gas universal 8,314 x 10
-3
kJ mol
-1
K
-1
Persamaan 3.5.6 hanya berlaku apabila isolasi motor dioperasikan pada temperatur tertentu yang cukup tinggi yaitu diatas batas temperatur kelas isolasi,
apabila dioperasikan dibawah temperatur tersebut maka pengurangan umur isolasi Thermal Aging tidak akan terjadi karena getaran vibrasi akibat panas pada
isolasi belum cukup untuk merusak ikatan kimia pada isolasi tersebut.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 3.5.4 menunjukkan kurva umur isolasi motor induksi untuk masing-masing kelas apabila dioperasikan diatas batas temperatur kelas isolasi.
Gambar 3.5.4 Kurva umur isolasi motor induksi untuk masing-masing kelas apabila dioperasikan diatas batas temperatur kelas isolasi.
Batas temperatur dari masing-masing kelas isolasi pada Tabel 3.5.1 merupakan batas temperatur yang dapat menyebabkan terjadinya pengurangan
umur thermal aging pada isolasi motor. Sehingga apabila temperatur belitan melebihi batas temperatur pada tabel maka akan menyebabkan terjadinya
pengurangan umur dari isolasi belitan stator. Berdasarkan standar IEC 60034-18-1 batas temperatur maksimal yang
diijinkan pada motor induksi yang tidak menyebabkan pengurangan umur secara cepat sehingga isolasi stator tidak mengalami kerusakan dapat dilihat pada Tabel
3.5.2
Universitas Sumatera Utara
Tabel 3.5.2 Batas temperatur maksimal yang diijinkan pada motor induksi berdasarkan standar
IEC 60034-18-1
Kelas Isolasi Batas Temperatur Maksimal
A 170ºC - 180 ºC
B 195 ºC - 205 ºC
F 220 ºC - 230 ºC
H 245 ºC - 255 ºC
3.5.6. Kenaikan Panas Pada Motor Induksi Rotor Sangkar
Pada saat motor induksi beroperasi dengan besar arus nominal sampai dengan dua kali arus nominal, maka panas yang dihasilkan pada motor induksi
dipengaruhi banyak hal yaitu transfer panas, jenis pendinginan, dan temperatur lingkungan. Hal ini dikarenakan arus yang mengalir pada belitan stator tidak
menghasilkan panas yang besar, selain itu sebagian panas yang dibuang didisipasikan melalui transfer panas masih sebanding dengan panas yang
dihasilkan sehingga belitan tidak akan mencapai temperatur yang tinggi. Akan tetapi apabila motor induksi beroperasi diatas dua kali arus nominal,
maka panas yang dihasilkan dapat naik secara cepat, hal ini disebabkan panas yang dihasilkan lebih besar dibandingkan pada saat dialiri arus nominal selain itu
panas yang didisipasikan tidak sebanding dengan panas yang dihasilkan sehingga apabila berlangsung secara terus menerus dapat menyebabkan temperatur belitan
menjadi tinggi.
Besarnya energi panas total pada stator motor induksi merupakan pengurangan dari panas yang dihasilkan arus yang mengalir belitan stator dengan
Universitas Sumatera Utara
panas yang dibuang melalui transfer panas. Sehingga panas pada belitan stator dirumuskan dengan persamaan 3.5.7.
�
������
= �. �
�
. �. � − �
��������
3.5.7
Dimana: Q
total
= Panas belitan stator Watt
I =
Arus yang mengalir pada belitan stator Ampere R
= Tahanan belitan stator per phasa Ohm
t =
selang waktu sekon Q
transfer
= Total Panas yang ditransfer Watt
Karena belitan stator merupakan konduktor yang memiliki berat, maka besarnya panas pada belitan stator yang dihubungkan dengan berat belitan stator
dapat dirumuskan dengan persamaan 3.5.8 yaitu:
�
������
= �. �. ∆�
3.5.8
Dimana: Q
total
= Panas belitan stator Watt
W =
berat total belitan stator kg δ
= Panas spesifik spesific heat material belitan stator ataupun rotor
Watt.sKg. ºC ΔT
= Perubahan temperatur kenaikan temperatur ºC
Dari persamaan 3.5.8 dapat dihitung kenaikan temperatur pada belitan stator apabila dialiri arus untuk selang waktu tertentu, yang dirumuskan dengan
persamaan 3.5.9:
Universitas Sumatera Utara
∆� =
�
������
�.�
ºC 3.5.9
Apabila energi panas yang dihasilkan besar, maka akan menghasilkan kenaikan temperatur yang besar. Temperatur belitan yang melebihi batasan
temperatur kelas isolasi motor, akan menyebabkan berkurangnya umur dari isolasi belitan tersebut. Selain itu temperatur belitan yang tinggi dapat menyebabkan
kerusakan permanen pada isolasi belitan stator.
3.5.7. Panas Pada Motor Pada Saat Starting
Terlepas dari metode starting yang digunakan atau beban yang dipikul motor, apabila motor di start maka akan menimbulkan panas baik di rotor maupun
stator. Semakin lama waktu start maka akan semakin besar panas yang ditimbulkan.
Panas pada stator pada saat starting dapat dirumuskan sebagai berikut:
� = �
�� �
. �. �
�
Watt.s 3.5.10
Atau :
� = �. � . � Watt.s
3.5.11
Dengan mengasumsikan persamaan 3.5.10 ke 3.5.11 diperoleh: �
�� �
. �. �
�
= �. � . �
Besarnya kenaikan suhu pada saat starting adalah: � =
�
�� �
. �.�
�
�.�
ºC 3.5.12
Dimana: W
= Berat belitan stator ataupun rotor Kg
Δ =
Panas spesifik spesific heat material belitan stator ataupun rotor Watt.sKg.
ºC
Universitas Sumatera Utara
� =
Kenaikan Temperatur ºC R
= Tahanan belitan stator per phasa Ohm
�
�
= Lamanya waktu starting sekon
3.5.8. Kenaikan Panas Pada Saat Block Rotor
Pada saat motor induksi berada dalam keadaan block rotor maka arus yang disuply ke motor induksi dapat mencapai lima kali arus nominal. Dalam keadaan
block rotor maka keseluruhan daya yang disuply ke motor akan diubah menjadi panas, hal ini akan menyebabkan kenaikan temperatur yang sangat cepat
dibandingkan pada saat motor bekerja pada beban penuh. Sehingga komponen- komponen motor seperti isolasi, konduktor belitan stator, inti, konduktor rotor
akan mengalami kenaikan temperatur yang sangat cepat. Karena kenaikan temperatur berlangsung cepat, sehingga dalam waktu tertentu dapat menyebabkan
kerusakan seperti: a. Memperpendek umur isolasi.
b. Merusak isolasi belitan. c. Merusak sambungan antar konduktor pada belitan.
d. Menyebabkan kumparan stator terbakar. Besarnya daya masukan pada motor pada saat block rotor bergantung
kepada tegangan supply, dan rancangan parameter dari motor tersebut. Panas pada stator pada saat terjadi block rotor dapat dirumuskan dengan
persamaan 3.5.13:
�
��
= �
�� �
. �
�
3.5.13
Universitas Sumatera Utara
Dimana: Hbr
= Panas yang ditimbulkan pada saat block rotor Watt
�
��
= Arus block rotor Ampere
�
1
= Tahanan belitan stator per phasa dan Tahanan Rotor Ohm
Untuk selang waktu tertentu maka hubungan panas pada saat block rotor dengan energi yang dibutuhkan untuk menaikkan panas dapat dilihat pada persamaan
3.5.14: �
��
. �
��
= �. �
3.5.14
dimana : �
��
= Lamanya block rotor sekon
C =
Kapasitas panas dari belitan stator Watt.sm.ºC =
W.δ δ
= Panas spesifik dari belitan Watt.skg.m ºC
W =
Berat belitan stator kg θ
= Kenaikan Temperatur ºC
Dari Persamaan 3.5.13 dan 3.5.14 dapat diketahui lamanya waktu yang dibutuhkan untuk menyebabkan kenaikan temperatur dengan nilai tertentu, yaitu
pada Persamaan 3.5.15
�
��
=
Ѳ.�.� �
�� �
. �
�
sekon 3.5.15
3.5.9. Lamanya Waktu Block Rotor yang aman
Universitas Sumatera Utara
Dalam penentuan lamanya waktu block rotor yang aman yang perlu diperhatikan adalah kelas isolasi motor, tegangan supply, temperatur belitan
sebelum terjadi block rotor, dan parameter motor. Besarnya tegangan supply dan parameter motor menentukan besarnya arus yang
mengalir pada saat block rotor. Sedangkan kelas isolasi dan temperatur belitan sebelum terjadi block rotor menentukan kenaikan temperatur yang diijinkan.
Untuk menentukan panas spesifik dari belitan, bergantung kepada material dari konduktor belitan, hampir secara keseluruhan motor menggunakan belitan
terbuat dari tembaga sehingga nilai panas spesifik δ adalah: 380 Watt.skg.m ºC. Karena lamanya block rotor yang aman berlangsung dalam waktu yang
singkat maka menyebabkan panas yang didisipasikan terlalu kecil. Hal tersebut mengakibatkan panas yang dihasilkan akibat block rotor hampir secara
keseluruhan digunakan untuk menaikkan temperatur pada belitan itu sendiri. Sehingga panas yang didisipasikan motor induksi pada saat block rotor adalah
sebesar 15 dari panas yang dihasilkan belitan stator, hal ini berdasarkan ketentuan IEC 60079-7 yang menyatakan bahwa panas yang digunakan untuk
menaikkan temperatur belitan stator pada saat motor induksi dalam keadaan block rotor adalah 85 dari panas yang dihasilkan arus yang mengalir pada belitan
stator. Sehingga lamanya waktu block rotor yang aman dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan 3.5.16 yaitu:
�
��
=
Ѳ.�.� �
�� �
. �
�
.
� �,��
sekon 3.5.16
dimana: θ
= Kenaikan Temperatur Yang diijinkan ºC
W =
Berat belitan stator per phasa kg
Universitas Sumatera Utara
δ =
Panas spesifik dari belitan Watt.skg.m ºC R
1
= Tahanan belitan stator per phasa Ohm
I
br
= Arus pada saat block rotor
t
br
= Lamanya Waktu block rotor yang aman
3.6. Parameter Motor Induksi Tiga Fasa
Kategori