Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan Dengan Menggunakan Kapasitor Luar

TUGAS AKHIR

PENGARUH EFEK KAPASITIF TERHADAP KARAKTERISTIK

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

(Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh :

NIM: 040402069

RAHMAT AULIA

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSTAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Dengan Nama Allah Yang Maha Pengasih Lagi Maha Penyayang

Syukur Alhamdulillah penulis ucapkan kehadirat Allah S.W.T dimana atas berkah, karunia dan rahmat-NYA lah penulis dapat menyelesaikan tugas akhir ini, dengan judul :

“Pengendalian Kecepatan Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan Dengan Menggunakan Kapasitor Luar”

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU)

Tugas Akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Dengan selesainya Tugas Akhir ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada semua pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini, antara lain kepada :

1. Ayahanda H Ahmad Fajri Hanan dan Ibunda tercinta Hj Fazraini AS, terima kasih atas doa dan kasih sayangnya yang tiada terhitung dan tiada bosan-bosannya mengasuh, mendidik dan membimbing penulis semenjak dalam kandungan hingga sekarang ini.

2. Kakak dan adikku Maulidia Yunanda SKM dan Atikah Wahyuni yang selalu jadi tempat berbagi cerita baik, dalam suka maupun duka.

3. Penyejuk hati, pemberi semangat, teman setia, Dewi Fuji Lestari SKed yang telah memberi dukungan moril dan spritual serta kasih sayangnya untuk menyelesaikan tugas akhir ini.

4. Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai selaku Ketua Departemen Teknik Elektro

FT-USU dan Bapak Rachmad Fauzi ST, MT selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro FT-USU

5. Bapak Ir.Surya Tarmizi Kasim M.Si, selaku dosen pembimbing penulis yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan Tugas Akhir ini.

6. Bapak Ir Satria Ginting, selaku dosen wali dan kepala laboratorium konversi energi listrik yang telah membimbing penulis selama menjalani masa perkuliahan.

7. Kakanda Isroi Tanjung, ST, selaku pegawai pada Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara.

8. Seluruh asisten laboratorium konversi energi listrik, Iqbal, Taufik, Martua, Hery dan yang lainnya.

9. Rekan-rekan seperjuangan sesama angkatan 2004, Hapis, Ai, Made, Ronald, Hans VK, Kurniadi, Wahyu “way carlo”, Harry “jablay”, dan rekan – rekan lainnya yang tidak dapat penulis sebutkan satu-persatu.

10. Seluruh Staf Pengajar di Departemen Teknik Elektro USU dan Seluruh Karyawan di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektro USU.

Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini masih jauh dari sempurna, masih banyak kesalahan dan kekurangan baik dari segi isi maupun susunan bahasanya. Saran dan kritik dari pembaca dengan tujuan menyempurnakan dan mengembangkan kajian dalam bidang ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata, penulis berharap semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan menambah wawasan bagi para pembacanya.

Medan, Desember 2010 Penulis

NIM. 040402069 Rahmat Aulia

ABSTRAK

Motor induksi merupakan salah satu mesin penggerak yang banyak diaplikasikan. Hal ini didukung karena motor induksi mempunyai konstruksi yang kuat dan tahan lama sehingga pemeliharaannya cukup mudah. Tetapi disisi lain motor induksi merupakan beban bersifat induktif dan mempunyai kelemahan dari segi karakteristik kerja motor, baik saat starting maupun running.

Untuk itu dilakukan pengukuran mengenai efek pemasangan kapasitor terhadap karakteristik kerja motor induksi (torsi, kecepatan putaran rotor, daya aktif, dan sebagainya), yang meliputi power factor, efisiensi daya dan arus starting.

DAFTAR ISI

ABSTRAK ... ... i

KATA PENGANTAR ... ... ii

DAFTAR ISI... iv

DAFTAR GAMBAR...vii

DAFTAR TABEL...ix

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan... 1

1.3 Batasan Masalah ... 2

1.4 Metode Penulisan ... 2

1.5 Sistematika Penulisan ... 3

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA 2.1 Umum ... 5

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa ... 6

2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Phasa………... 8

2.3.1 Motor Induksi Tiga Phasa Sangkar Tupai……… .. 8

2.3.2 Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan……… 9

2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi ...11

2.5 Prinsip Medan Putar ... 14

2.5.1 Analisa Medan Putar Secara Vektor……… 14

2.5.2 Analisa Medan Putar Secara Perhitungan………. …………18

2.7 Rangakaian Ekivalen Motor Induksi ... 21

BAB III KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA 3.1 Karakteristik Kerja Motor Induksi Tiga Phasa ... 28

3.1.1 Pengaturan Putaran Motor Induksi……… ... 29

3.1.2 Metode Starting Motor Induksi………. . …..33

3.1.3 Torsi Motor Induksi………...34

3.1.4 Efisiensi Motor Induksi……… ... .36

3.1.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi………. . 37

3.2 Penggunaan Kapasitor Pada Motor Induksi Tiga Phasa ... 39

3.2.1 Pengertian Dasar Kapasitor……… ... 39

1. Permitifitas Relatif ……….………39

2. Pe rmitivitasAbsolut...40

3. Muatan Listrik ………..………41

4. Kapasitansi Kapasitor……….41

5. Kapasitor Terhubung Seri dan Paralel………42

3.2.2 Kapasitor Daya………. 44

1. Segitiga Daya ... 44

2. Koreksi Faktor Daya Oleh Kapasitor Daya ... 45

3. Perhitungan Kapasitor Daya Secara Umum...46

4. Aplikasi Pemasangan Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa...47

BAB IV ANALISA PENGARUH EFEK KAPASITIF TERHADAP KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI 4.1 Umum ... 48

4.2 Peralatan Yang Digunakan ... 48

4.3 Percobaan Berbeban Motor Induksi 3 Fasa dengan Kapasitor Terhubung Delta ...50

4.4 Analisa Pengaruh Efek Kapasitif Terhadap Karakteristik Motor Induki Tiga Phasa...53

4.4.1. Analisa Koreksi faktor daya dengan pemasangan kapasitor ... 53

4.4.2. Analisa Arus Running Dengan Pemasangan Kapasitor ... 55

4.4.3. Analisa Daya Dengan Pemasangan Kapasitor...56

4.4.4. Analisa Kecepatan Putaran Rotor dengan Pemasangan Kapasitor...62

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 63

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Konstruksi motor Induksi 3 Fasa ... 6

... Gambar 2.2 Komponen stator Motor Induksi Tiga Phasa ... 7

Gambar 2.3 Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar ... 8

Gambar 2.4 Konstruksi motor induksi rotor sangkar ... 9

Gambar 2.5 Skematik motor induksi 3 fasa yang belitannya berbeda sudut 1200 ... 10

Gambar 2.6 Konstruksi motor induksi rotor belitan... 10

Gambar 2.7 Penampang rotor dan stator motor induksi memperlihatkan medan magnet dalam celah udara……… 12

Gambar 2.8 Kerapatan Medan Magnet... 15

Gambar 2.9 Kerapatan Medan Magnet tω = 00 ……… .. ..16

Gambar 2.10 Kerapatan Medan Magnet tω = 900 ... 17

Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen Stator ... 22

Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen Rotor... 24

Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen Motor Induksi ... 25

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen Motor Induksi dilihat dari sisi stator ... 25

Gambar 2.15 Bentuk lain Rangkaian ekivalen Motor Induksi dilihat dari sisi stator ... 23

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen Motor Induksi dengan mengabaikan tahanan R ... 24

Gambar 2.17 Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator ... 25

Gambar 3.1 Kurva karakteristik motor induksi tiga phasa ... 28

Gambar 3.3 Pelaksanaan lilitan untuk mengubah jumlah kutub dengan mengubah

sambungan phasa ... 30

Gambar 3.4 Hubungan seri dan parallel masing-masing phasa ... 30

Gambar 3.5 Karakteristik torsi-kecepatan untuk variasi tegangan stator ... 31

Gambar 3.6 Rangkaian starting dengan metode langasung ... 33

Gambar 3.7 Rangkaian starting dengan autotransformator ... 34

Gambar 3.8 Rangkaian starting dengan metode star-delta ... 34

Gambar 3.9 Aliran daya Motor induksi ... 38

Gambar 3.10 Elemen kapasitor ... 39

Gambar 3.11 Konstruksi kapasitor ... 42

Gambar 3.12 Kapasitor seri dan paralel ... 43

Gambar 3.13 Segitiga daya ... 44

Gambar 3.14 Vektor diagram dengan faktor daya lagging... 45

Gambar 3.15 Vektor diagram koreksi faktor daya ... 46

Gambar 3.16 Konfigurasi pemasangan kapasitor daya pada motor induksi ... 47

Gambar 4.1 Gambar rangkaian percobaan pembebanan motor induksi dengan kapasitor terhubung Delta ... 50

Gambar 4.2 Grafik faktor Daya terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta Terhadap Motor Induksi 3 Fasa) ... 57

Gambar 4.3 Grafik Arus Running terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta Terhadap Motor Induksi 3 Fasa ... 55

Gambar 4.4 Grafik Daya Aktif terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung DeltaTerhadap Motor Induksi 3 Fasa ... 59

Gambar 4.5 Grafik Daya Reaktif terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta Terhadap Motor Induksi 3 Fasa ... 60 Gambar 4.6 Grafik Daya Nyata terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta

Terhadap Motor Induksi 3 Fasa ... 61 Gambar 4.7 Grafik Putaran Rotor terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta

DAFTAR TABEL

Tabel 3.1 Permitivitas relatif bahan dielektrik ... 40 ... Tabel 4.1 Data Percobaan Berbeban (15 %) Motor Induksi 3 Fasa ... 51

... Tabel 4.2 Data Percobaan Berbeban (25 %) Motor Induksi 3 Fasa ... 52 Tabel 4.3 Data Percobaan Berbeban (35 %) Motor Induksi 3 Fasa ... 52 Tabel 4.4 Data Percobaan Berbeban (50 %) Motor Induksi 3 Fasa ... 53 Tabel 4.5 Hasil Perhitungan Daya pada Percobaan Berbeban (15 %) Motor Induksi 3

Fasa ... 57 Tabel 4.6 Hasil Perhitungan Daya pada Percobaan Berbeban (25 %) Motor Induksi 3

Fasa ... 57 Tabel 4.7 Hasil Perhitungan Daya pada Percobaan Berbeban (35 %) Motor Induksi 3

Fasa ... 57 Tabel 4.8 Hasil Perhitungan Daya pada Percobaan Berbeban (50 %) Motor Induksi 3

ABSTRAK

Motor induksi merupakan salah satu mesin penggerak yang banyak diaplikasikan. Hal ini didukung karena motor induksi mempunyai konstruksi yang kuat dan tahan lama sehingga pemeliharaannya cukup mudah. Tetapi disisi lain motor induksi merupakan beban bersifat induktif dan mempunyai kelemahan dari segi karakteristik kerja motor, baik saat starting maupun running.

Untuk itu dilakukan pengukuran mengenai efek pemasangan kapasitor terhadap karakteristik kerja motor induksi (torsi, kecepatan putaran rotor, daya aktif, dan sebagainya), yang meliputi power factor, efisiensi daya dan arus starting.

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor Induksi merupakan motor arus bolak-balik (ac) yang paling luas penggunaannya.Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa tegangan dan arus motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu,tetapi merupakan tegangan dan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar stator.

Motor induksi banyak diaplikasikan dalam bidang industri dan komersial. Hal ini didukung karena motor induksi mempunyai konstruksi yang kuat dan tahan lama sehingga pemeliharaannya cukup mudah. Disisi lain motor induksi juga merupakan beban yang bersifat induktif dan mempunyai kelemahan dari segi karakteristik kerja motor baik pada saat starting maupun running. Nilai efisiensi, power faktor, dan arus start pada motor ini berubah-ubah sesuai dengan kondisi pembebanan yang diberikan. Oleh karena itu akan dilakukan suatu analisa mengenai pemasangan kapasitor pada motor induksi dimana diharapkan dapat memperbaiki power faktor dan menurunkan konsumsi arus running motor.

1.2 Tujuan dan Manfaat Penulisan

Tujuan penulisan tugas akhir ini adalah untuk menganalisa apakah pemasangan kapasitor pada motor induksi dapat menjadi salah satu solusi dalam memperbaiki karakteristik kerja motor induksi yang meliputi power factor, arus start, maupun efisiensi motor dengan berbagai macam kondisi pembebanan.

Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini adalah dapat memberikan informasi kepada penulis maupun pembaca tentang pemasangan kapasitor pada motor induksidalam memperbaiki karakteristik kerja motor induksi.

Selain itu dapat pula digunakan sebagai bahan acuan guna pengembangan praktikum Mesin-mesin Listrik dan Konversi Energi Listrik di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU.

1.3 Batasan Masalah

Agar tujuan penulisan tugas akhir ini sesuai dengan yang diharapkan serta

terfokus pada judul dan bidang yang telah disebutkan di atas, maka penulis membatasi permasalahan yang akan dibahas sebagai berikut :

1. Motor yang digunakan adalah motor induksi tiga phasa rotor belitan. 2. Tidak membahas gangguan yang terjadi pada motor induksi.

3. Tidak membahas masalah starting motor induksi.

4. Beban yang digunakan pada percobaan motor indukisi berbeban adalah beban resistif

1.4 Metode Penulisan

Untuk dapat menyelesaikan tugas akhir ini maka penulis menerapkan beberapa metode studi diantaranya :

1. Studi literatur yaitu dengan membaca teori-teori yang berkaitan dengan topik tugas akhir ini dari buku-buku referensi baik yang dimiliki oleh penulis atau di perpustakaan dan juga dari artikel-artikel, jurnal, internet dan lain-lain

2. Studi lapangan yaitu dengan melaksanakan percobaan di laboratorium Konversi Energi Elektrik FT-USU..

3. Diskusi yaitu berupa konsultasi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing, dosen – dosen bidang konversi energi listrik, asisten laboratorium konversi energi elektrik dan teman – teman sesama mahasiswa Departemen Teknik Elektro FT-USU.

1.5 Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran mengenai Tugas Akhir ini, Penulisan tugas akhir ini disajikan dengan sistematika sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan dan manfaat penulisan, batasan masalah, metode dan sistematika penulisan.

BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas tentang motor induksi tiga phasa, konstruksi, jenis motor induksi tiga phasa, medan putar, slip, prinsip kerja dan frekuensi motor induksi. BAB III KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas tentang karakteristik motor induksi tiga phasa yang meliputi, power factor, arus starting, arus running, daya, kecepatan dan efisiensi.

BAB IV ANALISA PERHITUNGAN EFEK KAPASITIF TERHADAP KARAKREISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas tentang analisa efek kapasitif terhadap motor induksi tiga phasa.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini membahas tentang hal-hal yang dianggap penting didalam tulisan yang dirangkum sebagai kesimpulan dan saran dari hasil analisa data-data yang telah diperoleh.

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

2.1 Umum

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke rotornya, dimana 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 oleh arus stator.

Mesin ini juga disebut mesin asinkron (mesin tak serempak), hal ini dikarenakan putaran motor tidak sama dengan putaran fluks magnet stator. Dengan perkataan lain, bahwa antara rotor dan fluks magnet stator terdapat selisih perputaran yang disebut dengan slip.

Pada umumya motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi tiga phasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga phasa sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi juga memiliki beberapa kelemahan.

Keuntungan motor induksi tiga phasa:

1. Sangat sederhana dan daya tahan kuat (konstruksi hampir tidak pernah terjadi kerusakan, khususnya tipe squirel cage).

2. Harga relatif murah dan perawatan mudah.

3. Efisiensi tinggi. Pada kondisi berputar normal, tidak dibutuhkan sikat dan karenanya rugi daya yang diakibatkannya dapat dikurangi.

4. Tidak memerlukan starting tambahan dan tidak harus sinkron. Kerugian motor induksi tiga phasa:

1. Kecepatan tidak dapat berubah tanpa pengorbanan efisiensi. 2. Kecepatannya menurun seiring dengan pertambahan beban. 3. Kopel awal mutunya rendah dibanding dengan motor DC shunt.

2.2 Konstruksi Motor Insuksi Tiga Phasa

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan, karena konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada gambar 2.1.

Rotor

Stator

Gambar 2.1 : Konstruksi motor induksi

Komponen stator adalah 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 120o. 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 contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.

Gambar 2.2 : Komponen Stator motor induksi tiga phasa

(a) Lempengan Inti, (b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator

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.

Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis motor induksi tiga phasa berdasarkan jenis rotornya.

2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Phasa

Ada dua jenis motor induksi tiga phasa berdasarkan rotornya yaitu: 1. Motor induksi tiga phasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor) 2. Motor induksi tiga phasa rotor belitan ( wound-rotor motor )

kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

2.3.1 Motor Induksi Tiga Phasa Sangkar Tupai

Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada motor sangkar tupai tiga phasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat

listrik. Lilitan phasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ).

Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3 di bawah ini.

Batang Poros

Kipas Laminasi Inti

Besi

Aluminium

Cincin Aluminium

Batang Poros

Kipas

Gambar 2.3 : Konstruksi rotor motor induksi rotor sangkar

(a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar

Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar.

Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 : Konstruksi motor induksi rotor sangkar (a) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Kecil, (b) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Besar

2.3.2 Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan

Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan stator. Lilitan Phasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing phasa ujung

terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.

Sumber tegangan

Belitan Stator

Belitan Rotor

Slip Ring

Tahanan Luar

Gambar 2.5 : Skematik motor induk si rotor belitan

Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang berfungi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor. Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga phasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

(a) Rotor Belitan

(b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan Gambar 2.6 : Konstruksi motor induksi rotor belitan

(a) Rotor Belitan, (b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan 2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi

Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga phasa, arus ini menghasilkan medan magnetik yang berputar dengan kecepatan sinkron. Ketika medan melewati konduktor rotor, dalam konduktor ini diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam belitan sekunder transformator oleh fluksi arus primer. Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung atau tahanan luar, ggl induksi menyebabkan arus mengalir dalam konduktor rotor. Jadi arus yang

mengalir pada konduktor rotor dalam medan magnet yang dihasilkan stator akan menghasilkan gaya (F) yang bekerja pada rotor.

Gambar 2.7 di bawah ini menggambarkan penampang stator dan rotor motor induksi, dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam dan dengan statornya diam seperti pada saat start.

Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan gambar 2.7, penggunaan aturan tangan kanan fleming bahwa arah arus induksi dalam konduktor rotor menuju pembaca. Pada kondisi seperti itu, dengan konduktor yang mengalirkan arus berada dalam medan magnet seperti yang ditunjukkan, gaya pada konduktor mengarah ke atas karena medan magnet di bawah konduktor lebih kuat dari pada medan di atasnya. Agar sederhana, hanya

Gambar 2.7 : Penampang rotor dan stator motor Induksi memperlihatkan medan magnet dalam celah udara.

satu konduktor rotor yang diperlihatkan. Tetapi, konduktor – konduktor rotor yang berdekatan lainnya dalam medan stator juga mengalirkan arus dalam arah seperti pada konduktor yang ditunjukkan, dan juga mempunyai suatu gaya ke arah atas yang dikerahkan pada mereka. Pada setengah siklus berikutnya, arah medan stator akan dibalik, tetapi arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya pada rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor

rotor di bawah kutup – kutup medan stator lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutarkan rotor searah jarum jam. Jika kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang menahan, motor akan melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang sama dengan perputaran medan magnet stator.

Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi maka dapat dijabarkan langkah-langkah untuk menjalankan motor induksi adalah sebagai berikut :

1. Apabila belitan stator dihubungkan dengan sumber tegangan tiga phasa yang setimbang maka akan dihasilkan arus pada tiap belitan phasa.

2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah

3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa

4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah

e1 =

dt d N₁ Φ

− ( Volt )...(2.1) atau

m 1 1 1 4,44f N

E = Φ ( Volt )...(2.2) 5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar

dengan kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan

frekuensi stator f yang dirumuskan dengan :

p f 120

n 1

s

×

= ( rpm )...(2.3) 6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya

pada belitan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya :

m 2 2 2 4,44f N

E = Φ ( Volt )...(2.4) dimana :

E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N2 = Jumlah belitan belitan rotor

Фm = Fluksi maksimum (Wb)

7. Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan arus I2.

8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor

9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah medan putar stator.

10. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (S) dan dinyatakan dengan

% 100 n

n n S

s r

s − ×

= ...(2.5)

11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada belitan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya

m 2 1 s

2 4,44sf N

E = Φ ( Volt )...(2.6) dimana

E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)

f2 = s.f1 = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan

berputar)

12. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada belitan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns.

2.5 Prinsip Medan Putar

Ada beberapa metode yang dapat dilakukan untuk menganalisa medan putar. Pada kesempatan ini akan dibahas analisa medan putar secara vector dan secara perhitungan. 2.5.1 Analisa Medan Putar secara Vektor

Perputaran motor pada mesin arus bolak – balik ditimbulkan oleh adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang dihasilkan dalam kumparan stator. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam phasa banyak, pada umumnya tiga phasa. Hubungan belitan pada stator dapat berupa hubungan Y atau Δ. Untuk mempermudah memahami medan putar, maka dapat dilihat gambar 2.8 berikut yang menggambarkan keadaan pada kumparan yang dialiri oleh arus dari sumber tiga phasa. Misalkan arus yang mengalir pada ketiga kumparan tersebut sebesar:

t sin I ) t (

i_aa' = M ω (Ampere) ... (2.7.a)

) 120 t sin( I ) t (

i_bb' = _M ω − ° (Ampere) ... (2.7.b)

) 240 t sin( I ) t (

i_cc' = _M ω − ° (Ampere) ... (2.7.c)

Arus yang ada pada kumparan aa mengalir dari a dan keluar menuju ke ' a . Karena arus ' yang mengalir pada kumparan _{aa ini, maka dihasilkan kuat medan magnet ( H ) pada} '

x y ' aa H ' aa B ' bb H ' bb B ' cc H ' cc B ' a ' b ' c a b c

Gambar 2.8 : Kerapatan medan magnet

° ∠

=H sin t 0

) t (

H_aa' M ω (Amp turns/m) ... (2.8.a)

Dan kuat medan magnet pada kumparan bb dan ' cc sebesar: '

° ∠ ° −

=H sin( t 120 ) 120

) t (

H_bb' M ω (Amp.turns/m) ...(2.8.b) °

∠ ° −

= H sin( t 240 ) 240

) t (

H_cc' _M ω (Amp.turns/m) ...(2.8.c)

Telah diketahui bahwa kerapatan fluks ( B ) dapat dihitung dari kuat medan magnet ( H ), yaitu :

B = µH ( Tesla ) ... (2.9) Maka didapat kerapatan fluks pada masing – masing kumparan, yaitu

° ∠

=B sin t 0

) t (

B_aa' M ω ( Tesla ) ... (2.10.a) °

∠ ° −

=B sin( t 120 ) 120

) t (

B_bb' _M ω ( Tesla ) ... (2.10.b) °

∠ ° −

=B sin( t 240 ) 240

) t (

B_cc' _M ω ( Tesla ) ... (2.10.c)

Pada persamaan kerapatan fluks diatas , dimana B_M =µH_M. Kerapatan fluks dapat dihitung resultannya dengan menentukan nilai dari waktu (t), sehingga resultan kerapatan fluks ada

nilainya, misalnya pada saat tω = 0, maka kerapatan fluks pada masing – masing kumparan stator sebesar: 0 ' = aa B ° ∠ ° −

= sin( 120 ) 120

' M bb B B ° ∠ −

= sin( 240) 240

' _M

cc B

B

Resultan kerapatan fluks pada stator sebesar

' '

' _{bb cc}

aa

net B B B

B = + +

= + − ∠ °+ )∠240°

2 3 ( 120 ) 2 3 (

0 B_M B_M

= 1,5B_M∠−90° Tesla

x y ' bb B ' cc B ' a ' b ' c a b c net B

Gambar 2.9 : Kerapatan medan magnet untuk ωt= 00 Jika ωt=90° , maka:

° ∠ = 0 ' M aa B B ° ∠ −

= 0,5 120

' M bb B B ° ∠ −

= 0,5 240

' _M

cc B

B

' '

' _{bb cc}

aa

net B B B

B = + +

° ∠ − + ° ∠ − + ° ∠

= _M 0 ( 0,5 _M) 120 ( 0,5 _M) 240

net B B B

= 1,5B_M∠0° Tesla

x y

' bb B

'

cc B

' a

' b '

c

a

b c

net B

Gambar 2.10 : Kerapatan medan magnet untuk ωt =90°

Dari perhitungan saat tω = 0 dan saat ωt =90° dihasilkan resultan medan magnet yang sama besar amplitudonya, hanya berbeda sudutnya. Seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.9 dan gambar 2.10, terlihat jelas bahwa medan magnet yang dihasilkan ini berputar tergantung terhadap waktu ( t ).

2.5.2. Analisa Medan Putar Secara Perhitungan

Pada analisa medan putar secara vektoris, diketahui bahwa pada harga waktu (t) berapapun nilainya maka didapat magnitudo dari resultan medan magnet sebesar 1,5B . _M Dan ini akan terus konstan dan berputar dengan kecepatan sudut ω.

Dari gambar 2.8 sebelumnya diperlihatkan sistem koordinat, dimana garis horizontal positif disimbolkan dengan x dan garis vertikal keatas disimbolkan dengan y. a x

disimbolkan sebagai vektor satuan dari garis horizontal dan ay sebagai vector satuan dari

garis vertikal. Untuk mendapatkan persamaan umum dari resultan fluks magnetik

( B_net ) maka dijumlahkan kerapatan fluks magnetik yang dihasilkan pada masing - masing kumparan stator secara vektoris.

Resultan fluks magnet pada stator dinyatakan dengan persamaan: ) ( ) ( ) ( )

(t B ' t B ' t B ' t

Bnet = aa + bb + cc ( Tesla )

= B_Msinωt∠0°+B_M sin(ωt−120°)∠120°+B_M sin(ωt−240°)∠240° = B_Msinωt(cos0+ jsin0)+B_Msin(ωt−120)(cos120+ jsin120)+ B_M sin(ωt−240)(cos240+ jsin240)

= + − − + )+ 2 3 5 , 0 )( 120 sin( ) 1 (

sin t B t j

BM ω M ω

) 2 3 5 , 0 )( 240

sin( t j

B_M ω − − −

Dengan menganggap konponen ril berada pada sumbu x dan komponen khayal pada sumbu y, maka Persamaan diatas dapat dinyatakan dalam komponen a dan x ay.

= ) (t

Bnet B_M sinωt ax −[0,5B_M sin(ωt−120°)]a + x B_M t ay

     ° −120 ) sin(

2 3

ω

x

M t a

B sin( 240 )] 5

, 0

[ − °

− ω B_M t ay

     ° −

− sin( 240 )

2 3

ω ( Tesla )

Komponen – komponen vektor x dan y dapat disatukan menjadi sebagai berikut.

[

_{M M M}

]

x

net B t B t B t a

B = sinω −0,5 sin(ω −120°)−0,5 sin(ω −240°)

+ B_M t B_M t ay

     ° − − °

− sin( 240 )

2 3 ) 120 sin( 2 3 ω ω

Karena ωt ωt cosωt

2 3 sin 5 , 0 ) 120

sin( − ° =− −

ωt ωt cosωt

2 3 sin 5 , 0 ) 240

sin( − ° =− +

x M

M M

net B t B t t B t t a

B       + − − − − −

= ω ω ω ω cosω

2 3 sin 5 , 0 ( 5 , 0 ) cos 2 3 sin 5 , 0 ( 5 , 0 sin

+ B_M t t B_M t t ay

     + − − −

− cos )

2 3 sin 5 , 0 ( 2 3 ) cos 2 3 sin 5 , 0 ( 2 3 ω ω ω ω x M M M M M

net B t B t B t B t B t a

B       − + + +

= ω ω ω ω cosω

4 3 sin 4 1 cos 4 3 sin 4 1 sin

+ B_M t B_M t B_M t B_M tay

     − + −

− ω ω ω cosω

4 3 sin 4 3 cos 4 3 sin 4 3 y M x M

net B t a B t a

B =(1,5 sinω ) −(1,5 cosω ) ( Tesla )……….( 2.11 ) Dari persamaan (2.5) diatas, jika dimasukkan nilai tω = 0° maka dihasilkan fluks medan magnet sebesar 1,5BM∠90° dan jika tω = 90° didapat fluks medan magnet sebesar

° ∠0 5 ,

1 BM . Hasil perhitungan ini menyatakan bahwa fluks medan magnet yang dihasilkan

pada kumparan stator motor induksi tiga phasa berputar terhadap waktu ( t ).

2.6 Frekuensi Rotor

Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f2 yaitu :

120 ) ( 2 r s n n p

f = −

dengan mengalikan persamaan diatas dengan

s s

n n

s s r s n n n n p

f = − ×

120 ) ( 2 s r s s n n n pn

f = × −

120 2 dimana, s r s n n n

S = − dan

120 1

s pn

f = maka frekuensi di rotor adalah :

1

2 S f

f = × (Hertz)……….………..(2.12) Dari persamaan ini terlihat bahwa pada saat start dan rotor belum berputar, frekuensi pada stator dan rotor akan sama. Dalam keadaan rotor berputar, frekuensi arus motor dipengaruhi oleh slip ( f2=Sf1 ). Karena tegangan induksi dan reaktansi kumparan rotor

merupakan fungsi frekuensi, maka harganya turut pula dipengaruhi oleh slip.

E2s = 4,44 f2 N2Φm

= 4,44 S f1 N2Φm

E2s = S E2 (Volt)………..………...….( 2.13)

E2 : ggl pada saat rotor diam (nr = ns) E2s : ggl pada saat rotor berputar

X2s = 2 π f2 L2

= 2 π S f1 L2

X2s = S X2 (ohm)………...……….(2.14)

X2 : reaktansi pada saat rotor diam (nr = ns) X2s : reaktansi pada saat rotor berputar

2.7 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Untuk menentukan rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga phasa, pertama -tama perhatikan keadaan pada stator. Gelombang fluks pada celah udara yang berputar serempak membangkitkan ggl lawan tiga phasa yang seimbang di dalam phasa-phasa stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi bocor stator, sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan

1

V = E + ₁ I ( ₁ R₁ + jX₁ ) (Volt) ………...….(2.15)

Di mana: V = tegangan terminal stator (Volt) ₁

1

E = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan (Volt)

1

I = arus stator (Ampere)

1

R = resistansi efektif stator (Ohm)

1

X = reaktansi bocor stator (Ohm)

Seperti halnya transformator, arus stator dapat dipecah menjadi dua komponen, komponen beban dan komponen peneralan. Komponen beban I menghasilkan suatu fluks ₂ yang akan melawan fluks yang diakibatkan arus rotor. Komponen peneralan I , merupakan _Φ arus stator tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluks celah udara resultan. Arus peneralan dapat dipecah menjadi komponen rugi – rugi inti I yang sephasa dengan c E dan 1

komponen magnetisasi I yang tertinggal dari _m E sebesar 1 90°. Sehingga dapat dibuat

1 V 1 R 1 X 1 I c

R X_m

Φ I c I m I 2 I 1 E

Gambar 2.11 : Rangkaian ekivalen Stator

Misalkan pada rotor belitan, jika belitan yang dililit sama banyaknya dengan jumlah kutub dan phasa stator. Jumlah lilitan efektif tiap phasa pada lilitan stator banyaknya a kali jumlah lilitan rotor. Bandingkan efek magnetis rotor ini dengan yang terdapat pada rotor ekivalen magnetik yang mempunyai jumlah lilitan yang sama seperti stator. Untuk kecepatan dan fluks yang sama, hubungan antara tegangan Erotor yang diimbaskan pada rotor

yang sebenarnya dan tegangan E2s yang diimbaskan pada rotor ekivalen adalah

E2s = a Erotor (Volt)………..…..……..(2.16)

Bila rotor – rotor akan diganti secara magnetis, lilitan-ampere masing-masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2s pada rotor ekivalen

haruslah :

I2s =

a Irotor

(Volt)………..……….(2.17)

Akibatnya hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen

dan impedansi bocor frekuensi slip Z_rotor dari rotor yang sebenarnya haruslah sebagai berikut.

s 2

Z = =

s 2 s 2 I E = rotor rotor 2 I E a rotor 2 Z

Karena rotor terhubung singkat, hubungan antara ggl frekuensi slip E2s yang

dibangkitkan pada phasa patokan dari rotor patokan dan arus I2s pada phasa tersebut adalah

=

s 2

s 2 I E

s 2

Z = R + ₂ jSX ₂ (Ohm)………...…….(2.19)

Dimana

S

Z₂ = impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap phasa berpatokan pada stator (Ohm)

2

R = tahanan rotor (Ohm)

SX2 = reaktansi bocor patokan pada frekuensi slip (Ohm)

Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.19) dinyatakan dalam cara demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X didefinisikan sebagai harga yang akan 2

dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada frekuensi stator.

Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar E2s dan ggl

lawan stator E1. Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan rotor akan sama dengan

tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan stator. Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor adalah S kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator dan rotor adalah

E2s = S E1 (Volt)………...……..(2.20)

Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang dihasilkan komponen beban I2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif

I2s = I2 (Ampere)...(2.21)

s 2 s 2 I E = 2 1 I SE Didapat hubungan = s 2 s 2 I E 2 1 I SE

= R + 2 jSX (Ohm)………....(2.22) 2

Dengan membagi persamaan (2.22) dengan S, maka didapat :

2 1 I E = S R2

+ jX ₂ (Ohm)………..……..(2.23)

Dari persamaan (2.19), (2.20) dan (2.23) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut.

s 2

E E₁

2 R 2 SX 2 X S R₂ 2 R ) 1 S 1 ( R₂ −

2

I I2

2 X 2 I 1 E

Gambar 2.12 : Rangkaian ekivalen Rotor dimana : S R₂ = S R₂

+ R₂ −R₂

S R2

= R + 2 1)

S 1 (

R2 − (Ohm)……….………..….(2.24)

Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa pada masing – masing phasanya. Perhatikan gambar di bawah ini :

1 V 1 R 1 X 1 I c

R X_m

Φ

I

c

I I_m

2 I 1 E 2 SX 2 I 2 R 2 SE

Gambar 2.13 : Rangkaian ekivalen Motor Induksi

Untuk mempermudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada gambar 2.13 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa akan dapat digambarkan sebagai berikut.

1 V

1

R X₁

c R m X ' 2 X 1 E 1

I I0

c I m I 2 ' I s

R2'

Gambar 2.14 : Rangkaian ekivalen Motor Induksi dilihat dari sisi Stator Atau seperti gambar berikut.

1 V

1

R X1

c R m X 2 ' R ' 2 X ) 1 1 ( ' 2 − s R 1 E 1

I I0

c I m I 2 ' I

Gambar 2.15 : Bentuk lain rangkaian ekivalen motor induksi dilihat dari sisi stator

Dimana:

2 '

X = 2 2

X a

2 '

R = a2R₂

Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan pendekatan dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus peneralan yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh) dan karena reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen R dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi gambar berikut. _c

1 V

1

R X1

m X

2 ' R '

2 X

) 1 1 ( '

2 −

s R 1

E 1

I I0

2 ' I

BAB III

KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

3.1 Karakteristik Kerja Motor Induksi Tiga Phasa

Karakteristik kerja motor induksi tiga phasa secara umum dapat dilihat pada gambar berikut ;

Gambar 3.1 Kurva karakterisik motor induksi.

Dari gambar diatas dapat dilihathubungan arus input (stator), power factor, efisiensi,dan torsi motor induksi (sumbu Y) sebagai fungsi slip (sumbu x). Slip bernilai 1 (berarti n = 0) saat motor dalam keadaan starting atau kondisi rotor tertahan, sedangkan kondisi slip bernilai 0 (n = n), tidak pernah terjadi. Nilai power factor, efisiensi, dan torsi semakin besar seiring bertambahnya kecepatan rotor (n). Arus input paling tinggi terjadi saat motor starting dan nilainya semakin menurun seiring bertambahnya kecepatan putar rotor (n).

Gambar 3.2 Kurva karakterisik motor induksi 2.

Dari gambar diatas dapat dilihat hubungan efisiensi ,power factor, dan arus input (stator) sebagai fungsi pembebanan pada motor induksi. Semakin besar kondisi pembebanan pada motor induksi, maka motor dapat bekerja dengan power factor dan efisiensi optimal, akan tetapi arus yang diserap motor sangat besar saat running sangat besar.

3.1.1 Pengaturan Putaran Motor Induksi

Motor induksi pada umumnya berputar dengan kecepatan konstan, mendekati kecepatan sinkronnya. Meskipun demikian pada penggunaan tertentu dikehendaki juga adanya pengaturan putaran. Pengaturan putaran motor induksi memerlukan biaya yang agak tinggi. Biasanya pengaturan ini dapat dilakukan dengan beberapa cara, yaitu dengan mengubah jumlah kutub motor, mengubah frekuensi jala-jala, mengatur tegangan jala-jala, dan mengatur tahanan luar.

1. Mengubah Jumlah Kutub Motor

Untuk pengaturan putaran dengan cara merubah jumlah kutub, dilakukan dengan merencanakan kumparan stator sedemikian rupa sehingga dapat menerima tegangan sumber dengan sambungan phasa yang berbeda-beda. Dari masing-masing sambungan phasa tersebut dapat di peroleh jumlah kutub yang berbeda-beda pula sehingga jumlah putaran

motor berubah. Cara ini dapat dilakukan pada motor induksi dengan rotor sangkar (karena jumlah kutub pada rotor sangkar akan menyesuaikan jumlah kutub dari statornya).

U S U S U S U S

U S U S U

U1

X1

U2

X2

Gambar 3.3 Pelaksanaan lilitan untuk mengubah jumlah kutub dengan mengubah sambungan phasa

Untuk masing-masing sambungan dapat diperhatikan pada gambar berikut :

U1 X1

U2 X2 X2

X1

U1

U2

(a). Putaran rendah hubungan seri (b). Putaran tinggi hubungan seri

U1 X1

U2 X2

U1

U2

X1

X2

(c). Putaran rendah hubungan parallel (d). Putaran tinggi hubungan parallel Gambar 3.4 Hubungan seri dan paralel dari masing-masing phasa.

Pada pengubahan hubungan kumparan untuk mengubah jumlah kutub dari hubungan seri ke paralel atau sebaliknya, hubungan kumparan pada jaring dapat pula diubah dari Y ke

Δ atau sebaliknya. Dengan demikian tegangan yang terpasang pada kumparan-kumparan

akan berubah pula yang pada gilirannya mengubah rapat fluks celah udara. Hal ini mengubah karakteristik kopel kecepatan pada pengubahan hubungan tersebut.

2. Mengatur Tegangan Input Stator

Pada saat rotor menggerakkan suatu beban, kecepatan rotor dapat diatur dengan mengubah tegangan terminal / tegangan stator. Perlu diperhatikan pengaturan kecepatan seperti ini bisa menyebabkan naiknya slip sehingga efisiensi menurun, dengan menurunnya kecepatan dan pemanasan berlebihan pada motor bisa menimbulkan masalah. Pengaturan tegangan untuk mengatur kecepatan dapat diimplementasikan dengan mensuplai kumparan stator dari sisi sekunder autotransformator yang bisa diatur.

Gambar 3.5 Karakteristik torsi-kecepatan untuk varaiasi tegangan stator Untuk karakteristik beban seperti gambar 3.5, kecepatan rotor akan berubah dari n3 ke n1 untuk tegangan masuk seperempat dari tegangan semula. Cara ini hanya mengahasilkan pengaturan putaran yang terbatas , karena apabila pemberian suatu tegangan yang menyebabkan torsi start dibawah kurva beban, maka rotor tidak adapat bergerak.

Dari persamaan medan putar diketahui bahwa, kecepatan putaran motor induksi dapat diatur dengan mengatur jumlah kutub dan mengatur frekuensi. Mengatur kecepatan dengan cara mengubah jumlah kutub sudah banyak dilakukan namun daerah pengaturan putaran terbatas dan perubahannya kasar, tetapi cara pengendalian putaran yang halus dan dengan jangkau putaran yang lebar dapat dilakukan dengan mengatur frekuensi. Karena jumlah kutub ditentukan oleh belitan statornya maka pengubahan kutub ini hanya bisa dilakukan melalui desain belitan stator motor, sedangkan untuk pengaturan frekuensi memerlukan pengubah frekuensi.

Pengaturan frekuensi sumber yang diumpan ke kumparan stator akan mengubah kecepatan medan putar (kecepatan sinkron) dari motor induksi. Dengan demikian, putaran pun akan berubah. Hal ini sesuai dengan persaman bahwa ns berbanding lurus dengan frekuensi f. Dan untuk mendapatkan penyetelan frekuensi ini, dapat digunakan alat perubah frekuensi statik (static frequency changer) yang dapat berupa jenis konverter-inverter atau pun jenis cyclo converter.

Pada jenis konverter-inverter, mula-mula frekuensi suplai disearahkan oleh konverter yang mengubah arus bolak-balik menjadi sumber arus searah. Kemudian, dikembalikan menjadi sumber bolak-balik dengan menggunakan inverter yang komponen utamanya adalah thyristor. Dengan mengatur atur sudut penyalaan thyristor, maka output dari inverter dapat diatur. Sedangkan pada jenis cycloconverter, frekuensi suplai langsung dirubah ke frekuensi output sesuai yang diinginkan.

Jadi, jelas terlihat perbedaan antara kedua perubah frekuensi tersebut. Pada cycloconverter, frekuensi sumber dapat dirubah dari nol sampai satu setengah kali frekuensi suplainya, sedang untuk jenis konverter-inverter frekuensi output yang dihasilkan dapat mencapai 2 sampai 3 KHz.

Tapi biasanya pengaturan putaran dengan mengatur frekuensi ini, harus dibarengi dengan pengaturan tegangannya untuk mendapat fluksi yang konstan.

3.1.2 Metode Starting Motor Induksi

Ada beberapa metode starting pada motor induksi 3 phasa, yaitu sebagai berikut : 1. Metode Direct On Line (DOL)

Tidak seperti motor DC, terminal statorpada motor induksi dapt dihubungkan langsung dengan jala-jala (langsung). Metode ini sangat sederhana dan sangat murah investasinya. Dengan metode ini dapat menyebabkan timbulnya drop tegangan secara cepat dan arus start yang sangat tinggi, yaitu mencapi 5 sampai 8 kali dari arus beban penuh motor induksi. Tingginya arus start yang diserap dalam waktu yang lama dapat menyebabkan panas yang berlebihan dan kerusakan bahan isolasi didalamnya.

Gambar 3.6 Rangkaian starting dengan metode langsung. 2. Metode Autotansformator

Metode ini digunakan untuk mengurangi tegangan listrik yang masuk keterminal stator selama periode starting dengan menggunakan autotransformator. Autotransformator dilengkapi dengan tapping agar dapat dilakukan pemilihan tegangan starting yang

diinginkan. Agar motor induksi berputar dengan kecepatan penuh, maka kondisi tapping tegangan pada autotransformator harus sama dengan jala-jala listrik.

Gambar 3.7 Rangakaian starting dengan autotransformator 3. Metode Star-Delta

Metode ini dapat mengurangi tegangan listrik yang masu ke terminal stator selama periode starting. Rangkaian normal pada lilitan stator pada saat starting adalah star, sedangkan pada saat running adalah delta. Lilitan stator terhubung star adalah untuk mengurangi tegangan stator dan arus start, hal ini dikarenakan motor induksi bekerja dibawah kondisi normalnya. Bila diinginkan motor induksi berputar dengan kecepatan penuh (kondisi normal), maka lilitan stator dihubungkan delta.

3.1.3 Torsi Motor Induksi

Besarnya torsi motor induksi dapat dihitung dengan persamaan :

( )

s

S R I x

T

P_mech= _mech= 2 2 1−

2

ω (watt)……….……….(3.1)

) 1 ( 2 60 ) 1 ( s n s s syn mech − = − = π ω ω ……….………..(3.2) Dimana :

Pmech = Daya Mekanik (Watt)

T = Torsi (Nm)

ωmech = Kecepatan Sudut Putaran Rotor (o)

ωsyn = Kecepatan Sudut Putaran Sinkron (o)

I2 = Arus Rotor (Ampere)

R2 = Tahananan Rotor (Ohm)

S = Slip

Dengan menggabungkan persamaan 3.1 dan 3.2, didapat besarnya torsi motor induksi, yaitu :

S R I T S R I x T syn syn 2 2 2 2 2 2 1 ω ω = = ……….……….………..(3.3) S R X X S R R V th th th syn 2 2 2 2 2 2 ' ) ' ( ) / ( 1 + + + = ω ……….………(3.4) Dimana :

T = Torsi (Nm)

ωsyn = Kecepatan Sudut Putaran Sinkron (o)

I2’ = Arus Rotor (Ampere)

R2’ = Tahananan Rotor (Ohm)

Xth = Reaktansi Secara Thevenin (Ohm) Rth = Resistansi secara Thevenin (Ohm)

S = Slip

Secara pendekatan Vth, Xth, dan Rth hampir sama dengan V1, X1, dan R1 3.1.4 Efisiensi Motor Induksi

Efisiensi merupakan perbandingan daya output dengan daya input. Untuk menentukan efisiensi motor induksi, harus diketahui dulu daya Iinput 3 phasa. Daya input 3 phasa dapat dihitung menggunakan persamaan :

Pin = 3 x P1ф

= 3 x V1 x I1x cosφ...(3.5)

Dimana :

Pin = Daya Input 3 Phasa Stator (Watt) V1 = Tegangan fasa-netral Stator (Volt) I1 = Arus fasa stator (Ampere)

Cosφ = Faktor daya stator

Efisisensi motor induksi tergantung pada slip. Jika semua rugi-rugi diabaikan kecuali rugi-rugi pada rotor, maka efisiensi ideal dari motor induksi adalah :

S Pin

Pout − =

= 1

η ………..(3.6)

Dimana :

η = Efisiensi motor induksi

Pin = Daya input 3 fasa stator (Watt) S = Slip

Pengukuran efisiensi motor induksi ini sering dilakukan dengan beberapa cara, yaitu :

• Mengukur langsung daya elektris masukan dan daya mekanis keluaran.

• Mengukur langsung seluruh rugi-rugi daya dan daya masukan.

• Mengukur setiap komponen rugi-rugi dan daya masukan.

Pengukuran daya masukan tetap dibutuhkan pada ketiga cara diatas. Umumnya, daya elektris dapat diukur dengan sangat tepat, keberadaan daya mekanis yang lebih sulit untuk diukur. Saat ini sudah dimungkinkan untuk mengukur torsi dan kecepatan dengan cukup akurat yang bertujuan untuk mengetahui harga efisiensi yang tepat.

3.1.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi

Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang diinputkan ke rotor. Daya total yang dimasukkan pada kumparan stator (Pin) dirumuskan dengan:

ϕ cos I V 3

Pin = 1 1 ( Watt )...(3.7)

Dimana :

V1 = tegangan sumber (Volt) I1 = arus masukan (Ampere)

ϕ = perbedaan sudut phasa antara arus masukan dengan tegangan sumber.

Sebelum daya ditransfer melalui celah udara, motor induksi mengalami rugi-rugi berupa rugi-rugi tembaga stator (PSCL) dan rugi-rugi inti stator (PC). Daya yang ditransfer

melalui celah udara (PAG) sama dengan penjumlahan rugi-rugi tembaga rotor (PRCL) dan daya yang dikonversi (Pconv). Daya yang melalui celah udara ini sering juga disebut sebagai daya input rotor.

conv RCL

AG P P

P = + (Watt)...(3.8)

( )

( )

'₂ 2 '₂

' 2 2 '

2 3 I R

s R I

3 = +

( )

s s R

I' ' (1− )

3 ₂ 2 ₂ (Watt)...(3.9)

Diagram aliran daya motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2.17 di bawah ini.

r oad out τl ϖ

P =

θ

cos . _{L L} in 3V I

P =

Daya celah udara AG

P P_conv

SCL P C P RCL P W & F P SLL P

Gambar 3.9 Aliran Daya Motor Induksi

Dimana : -

SCL

P = rugi – rugi tembaga pada kumparan stator (Watt) - P = rugi – rugi inti pada stator (Watt) _C

- P = daya yang ditranfer melalui celah udara (Watt) _AG - P_RCL= rugi – rugi tembaga pada kumparan rotor (Watt) - PF+W= rugi – rugi gesek + angin (Watt)

- PSLL = stray losses (Watt)

Hubungan antara rugi-rugi tembaga rotor dan daya mekanis dengan daya masukan rotor dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut :

( )

2 AG

2 2

RCL 3I R sP

P = ' ' = ( Watt )...(3.10)

( )

2 AG

2 2

conv 1

1

3 R s sP

s s I

P = ' ( − ) ' =( − ) ( Watt )...(3.11)

Dari gambar 2.17 dapat dilihat bahwa motor induksi juga mengalami rugi-rugi gesek + angin (PF&W), sehingga daya mekanis keluaran sama dengan daya yang dikonversi (Pconv) dikurangi rugi-rugi gesek + angin.

Pout = Pconv – PF&W

Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat dijabarkan dalam bentuk slip yaitu :

PAG : PRCL : Pconv = 1 : s : 1 – s ...(3.12)

3.2 Penggunaan Kapasitor Terhadap Motor Induksi 3.2.1 Pengertian Dasar Kapasitor

Kapasitor adalah suatu alat listrikyang terdiri dari dua keeping konduktor yang dipisahkan oleh suatu medium, dimana ketika diberi tegangan listrik dapat menyimpan energy elektrostatispada system tersebut. Medium ini dapat berupa udara, tetapi umumnya diisi dengan bahan isolasi (bahan dielektrik) yang ketika diberi tegangan listrik akan menyimpan energy. Kemampuan bahan dielektrik untuk menyimpan energy elektrostatis disebut Permitivity atau Dielectric Constant, dan merupakan perbandingan dari energy yang disimpanoleh bahan dielektrik dengan energy yang disimpan jika menggunakan udara.

Gambar 3.10 Elemen kapasitor 1. Permitivitas Relatif (εr)

Konstanta dielektrik relatif dari bahan yang tidak konstan terhadap suhu dan tekanan

disebut Permitivitas Relatif. Permitivitas Relatif (εr) ditentukan sebagai perbandingan antara kapasitansi dengan bahan dielektrik dan kapasitansi tanpa bahan dielektrik (medium udara).

Permitivitas Relatif Udara (ε0) sama dengan 1, sehingga pernitivitas relatif bahan yang lain

dapat dicari.

Tabel 3.1 Permitivitas relatif bahan dielektrik

Material Permitivitas Relatif

Air Keramik Cellulose

Gelas Mineral Oil

Mika Polypropyline

Polyester

1,00 3.000,00

6,50 7,0 2,13 5,60 2,20 2,90

2. Permitivitas Absolut (ε)

Permitivitas Absolut (ε) menyatakansifat dari bahan dielektrikdan dinyatakan

dengan hubungan :

ε = ε0 x εr………(3.13)

dimana : ε = Permitivitas Absolut (F/m)

ε0 = Permitivitas udara bebas = 8,854 x 10-12 F / m

εr = Permitivitas relative bahan dielektrik

Kekuatan dielektrik (dielectric strength) maksimum ditentukan sebagai tegangan kerja maksimum yang dapat ditahan oleh bahan dielektrik tersebut. Selain itu dikenal juga istilah dielectric stress yang dinyatakan sebagai perbandingan dari tegangan bahan dielektrik dengan ketebalan bahan dielektrik.

Dielectric Stress

dielektrik bahan

Ketebalan

dielektrik bahan

pada Tegangan

=

3. Muatan Listrik

Jika pengisian kapasitor diperlukan arus I (ampere)yang mengalir selama waktu t (detik), maka muatan listrik Q (couloumb) yang tersimpan dalam medan listrik adalah :

t x I

Q= ……….(3.14)

Dimana ; Q = Muatan listrik (couloumb)

I = Arus (Ampere)

t = Waktu pengisian (detik) 4. Kapasitansi Kapasitor

Satu Farad (F) menyatakan kapasitansi dari suatu kapasitor dimana perbedaan potensial tegangan antara kedua plat konduktor sebesar 1 Volt yang dialiri muatan listrik 1 couloumb. Maka diperoleh hubungan sebagai berikut :

V Q

C= ……….(3.15)

Dimana : C = Kapasitansi kapasitor (Farad) Q = Muatan kapasitor (Couloumb) V = Tegangan (Volt)

Kapasitansi dari suatu plat paralel tergantung pada :

• Luas area medan listrik.

• Jarak antara kedua plat konduktor.

• Jenis bahan dielektrik

Kapasitansi dari kapasitor paralel adalah :

d A x d

A x x

C=ε0 εr =ε

Farad………(3.16) Dimana : C = Kapasitansi kapasitor (Farad)

ε = Permitivitas absolute (F / m)

ε0 = Permitivitas udara bebas = 8,854 x 10-12 F / m

εr = Permitivitas relatif bahan dielektrik. A = Luas area medan listrik (m2)

d = Jarak antara kedua plat konduktor (m)

Untuk kapasitor dengan banyak plat N, maka besar kapasitansinya adalah :

) 1 ( )

1 (

0 − = −

= N

d A x N

d A x x

C ε εr ε

Farad……….(3.17) Elemen kapasitor biasanya berupa gulungan panjang dari bahan dielektrik,yaitu kertas atau thermoplastic atau gabungan dari keduanya, dan elektroda-elektroda (berupa aluminium foil) digulung bersamaan.

Gambar 3.11 Konstruksi Kapasitor 5. Kapasitor terhubung Seri dan Paralel

Pemasangan beberapa kapasitor dapat dihubungkan secara seri maupun secara paralel.

Gambar 3.12 Kapasitor Seri dan Paralel Bila beberapa kapasitor dihubungkan secara seri, maka :

V=V1+V2 +V3

Karena pada hubungan seri muatan listrik pada semua kapasitor adalah sama, maka :

3 3 2 2 1 1

C Q C Q C Q C Q

+ + =

3 2 1

1 1 1 1

C C C

C= + + ……….……….(3.18)

Bila beberapa kapasitor diparalel, maka :

3 2

1 Q Q

Q

Q= + +

3 3 2 2 1

1V C V C V

C

CV = + +

3 2

1 C C

C

C = + + ………..(3.19)

Dimana :

V1,V2,V3 = Tegangan listrik pada setiap kapasitor (Volt) Q1,Q2,Q3 = Muatan listrik pada setiap kapasitor (Couloumb) C,C,C = Kapasitansi setiap kapasitor (Farad)

V = Total tegangan listrik kapasitor(Volt) Q = Total muatan listrik kapasitor (Couloumb) C = Total kapasitansi kapasitor (Farad)

3.2.2 Kapasitor Daya 1. Segitiga Daya

Segitiga daya merupakan diagram vector yang menunjukkan hubungan antara daya aktif (active power), daya reaktif (reactive power), daya nyata (apparent power), dan faktor daya (power factor).

ϕ ϕ R e ak ti f P o w e r (V A R ) R e ak ti f P o w e r (V A R ) XL R R

True Power (W)

Lagging (induktif circuit)

A pp

are nt _po

we_r (V_A ) ϕ cos = VA W

T rue Pow e r (W) leading (capacitif circuit)

A pp

are nt _po

we_r (V_A

) Xc

. Gambar 3.13 Segitiga Daya

Dari gambar diatas terdapat 3 jenis daya listrik, yaitu :

• Daya aktif (active power) Satuan daya aktif adalah Watt

ϕ

φ cos

1 V xI x

P = _{P−N P−N} (Daya aktif 1 phasa)

φ φ ϕ 1 3 3 cos 3 P x x I x V x

P _{P P P P}

=

= − −

(Daya aktif 3 phasa)

• Daya reaktif (reactive power)

Daya ini diperlukan untuk pembentukan medan magnet, satuan daya reaktif adalah Var.

ϕ

φ sin

1 V xI x

Q = P−N P−N (Daya reaktif 1 phasa)

φ φ ϕ 1 3 3 sin 3 Q x x I x V x

Q _{P P P P}

=

= − −

(Daya reaktif 3 phasa)

• Daya nyata (apparent power)

Satuan daya nyata adalah VA (Volt Ampere)

N P N

P xI

V

S_1φ = _{− −} (Daya nyata 1 phasa)

φ φ 1 3 3 3 S x I x V x

S P P P P

=

= − −

(Daya nyata 3 phasa)

2. Faktor Daya

Faktor daya (power factor) dapat didefenisikan sebagai efisiensi suatu peralatan untuk memanfaatkan daya listrik dari sistem untuk melakukan kerja. Faktor daya juga merupakan nilai cosinus sudut (cos ϕ) antara daya aktif (Watt) dan daya semu(VA)

Cos ϕ =

dayasemu dayaaktif

=

kVA kW

……….(3.18)

2 2 2

2 fCxV Q

Q P

P S P Cos

π ϕ

=

+ =

=

3. Koreksi Faktor Daya Oleh Kapasitor Daya

Sebagian besar beban-beban industri merupakan gabungan antara beban resistor dan induktor yang dirangkai secara seri, seperti motor, transformator, lampu fluorescent, dan sebagainya. Hal ini menyebabkan timbulnya nilai faktor daya (power factor) yang bersifat lagging dengan sudut ϕ1 yang besar.

Fa k t or Da ya

(Cosinus ϕ1)

Da ya Re a k t if(k va r)

Da ya Ak t if (k W)

kVA kW

=

ϕ

1

Da ya _N

ya ta (kV

A)

Gambar 3.14 Vektor diagram dengan faktor daya lagging

Perbaikan (koreksi) faktor daya disini berarti memperkecil sudut lagging antara daya aktif (kW) dan daya nyata (kVA). Hal ini dapat dilakukan dengan pemasangan kapasitor daya secara paralel terhadap sumber listrik.

ϕ2

ϕ

1

Resultant effective

kvar

{

{

Loading kvar added

Reduce Apparent power After Correction

Pow e r (k W)

App aren

t po wer befo

re co

rrec_tion

{

{

Initial load kvar

Gambar 3.15 Vektor diagram koreksi faktor daya 4. Perhitungan Kapasitor Daya Secara Umum

Hubungan antara daya reaktif (Var) kapasitor daya dengan kapasitansinya adalah sebagai berikut :

9 2

10

2 −

= f xCxV x

Qc π kVar………..………(3.20)

Dimana : Qc = Daya reaktif (kVar) V = Tegangan line (Volt)

f = Frekuensi sumber listrik (Hertz) C = Kapasitansi kapasitor (µF)

Sedangkan energi yang tersimpan pada kapasitor dapat dihitung dengan rumus :

2 2

1

V x C x

J= Joule………..(3.21)

Dimana : J = Energi yang tersimpan (Joule) C = Kapasitansi kapasitor (µF) V = Tegangan line (Volt)

5. Akibat Faktor Daya Rendah

Pengaruh dari rendahnya faktor daya adalah :

• Untuk daya aktif yang sama, faktor daya yang rendah berarti arus meningkat, menyebabkan energi yang hilang juga meningkat

• Karena rugi-rugi saluran dan peralatan berbanding lurus dengan I2R, maka rugi-rugi daya akan lebih tinggi saat faktor daya rendah

• Untuk daya aktif yang sama, operasi sistem tenaga yang ada pada faktor daya yang rendah berarti melebihi beban peralatan saat beban penuh

• Faktor daya rendah menyebabkan meningkatnya susut tegangan sehingga pengaturan tegangan tidak baik

6. Keuntungan Perbaikan Faktor Daya

Pemasangan alat perbaikan faktor daya (kapasitor daya) untuk meningkatkan faktor daya mengakibatkan suatu efek dan keuntungan sebagai berikut :

• Penurunan arus rangkaian

• Peningkatan level tegangan pada beban

• Penurunan investasi fasilitas system per kW beban yang disuplai

• Penurunan dalam biaya permintaan kVA bagi konsumen yang besar.

7. Langkah-Langkah Memperbaiki Faktor Daya Motor Induksi Tiga Fasa

Adapun cara-cara meningkatkan pada sistem daya listrik dapat dilakukan dengan berbagai cara, antara lain :

• Menggunakan kapasitor statik

• Menggunakan alat memajukan fasa

Untuk kapasitor statik, pada umumnya digunakan untuk memperbaiki faktor daya pada motor-motor induksi, instalasi penerangan dan lain-lain. Keuntungan dari pemakaian kapasitor ini pemeliharaannya sangat sederhana, tidak memerlukan tempat yang cukup luas untuk pemasangan suatu kapasitor. Dengan demikian bisa saja dipasang pada ruangan kerja yang kecil atau pada setiap penerangan beban.

Sedangkan kekurangan dari penggunaan kapasitor ini adalah tidak tahan terhadap arus hubung singkat yang besar yang dapat terjadi pada jaringan tersebut. Selain itu, umur kapasitor relatif kecil dan jika terjadi kerusakan, kapasitor tersebut tidak dapat diperbaiki.

Untuk memperbaiki faktor daya dalam penggunaan motor induksi 3 fasa, ada beberapa hal yang harus diperhatikan sebagai langkah-langkah yang harus dilakukan, yaitu :

• Nameplate motor induksi 3 fasa

Nameplate ini digunakan untuk mencari daya reaktif yang dibutuhkan untuk mencapai suatu nilai faktor daya yang dibutuhkan

• Menghitung nilai daya reaktif yang dibutuhkan dengan menggunakan Persamaan berikut :

Q_C = P_input x (tan 1ϕ - tan 2ϕ ) ...(3.19) Dimana: Q_C = Daya reaktif kapasitor yang dibutukan(kVar)

P_input = Daya aktif input motor induksi (kW)

tan 1ϕ = Nilai sebelum pemasangan kapasitor tan 2ϕ = Nilai setelah pemasangan kapasitor

• Menentukan nilai kapasitansi kapasitor yang dibutuhkan

8. Aplikasi Pemasangan Kapasitor Daya pada Motor Induksi 3 Fasa

Motor Induksi memberikan kontribusi terbesar sebagai beban reaktif (reactive load) di industri. Secara umum nilai faktor daya dari motor tersebut meningkat seiring dengan kenaikan horse power rating atau kecepatan sinkron ataupun kondisi pembebanannya. Oleh karena itu nilai faktor daya dari motor induksi perlu diperbaiki dengan pemasangan kapasitor daya (power capacitor), baik dipasang langsung pada terminal motor atau dipasang pada saluran listrik yang menuju motor.

MOTOR MOTOR

MOTOR

overload overload overload

fuse _fuse fuse

isolator isolator isolator

Supply Supply Supply

BAB IV

ANALISA PENGARUH EFEK KAPASITIF TERHADAP KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI

4.1 Umum

Untuk dapat melakukan analisis pengaruh efek kapasitif terhadap karakteristik motor induksi, maka dilakukan suatu percobaan di Laboratorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik, Fakultas Teknik USU untuk memperoleh data-data yang diinginkan untuk dianalisis selanjutnya.

Percobaan yang dilakukan adalah percobaan berbeban pada motor induksi tiga fasa yang dioperasikan dengan dan tanpa kapasitor. Percobaan ini bertujuan untuk mendapatkan data agar dapat mengetahui pengaruh kapasitor terhadap beban pada motor induksi tiga fasa. Percobaan ini dilakukan dengan melakukan variasi terhadap kapasitansi kapasitor daya dan nilai beban. Beban yang digunakan adalah beban resistif.

4.2 Peralatan yang Digunakan 1. 1 Unit Mesin induksi 3 fasa

Tipe : rotor belitan

Spesifikasi motor: - AEG Typ C AM 112 MU 4 RI - ∆/Y 220/380 V 10,7 / 6,2 A - 2,2 Kw, cosφ 0,67

- 1410 rpm, 50 Hz - isolasi B

2. 1 Unit Mesin DC

Spesifikasi : -G-GEN Typ G1 110/140 - 220 V DC/ 220 V AC - 2 Kw

- 1500 rpm - Kelas Isolasi B

3. Kapasitor 10µF, 12µF, 14µF, 20 μF,masing-masing 3 buah

4. Beban resistif

5. Power Supply (PTAC dan PTDC) 6. Alat ukur :

- amperemeter - Watt meter

- voltmeter - Tachometer

- frekuensimeter - Cos ϕ meter

4.3 Pengaruh Efek Kapasitif Terhadap Karakteristik Motor Induksi

Dalam hal ini, kapasitor daya akan diparalelkan dengan motor induksi 3 fasa dengan nilai berbagai nilai kapasitansi sehingga dapat diperoleh kapasitor yang memberikan efisiensi motor induksi 3 fasa yang baik. Selain nilai kapasitansi kapasitor, perlu juga diperhatikan hubungan kapasitor daya tersebut terhadap motor induksi, sehingga nantinya diperoleh efisiensi pengoperasian motor induksi 3 fasa dan efisiensi ekonomi dalam pembelian kapasitor tersebut.

4.3.1 Percobaan Berbeban Motor Induksi 3 Fasa dengan Kapasitor Terhubung Delta 1. Rangkaian Percobaan

Percobaan ini dilakukan untuk mengetahui pengaruh kapasitor terhadap motor induksi 3 fasa (rotor sangkar) dalam penghematan daya. Adapun pengaruh dari kapasitor ini adalah akan mempengaruhi besarnya arus running, daya aktif, daya reaktif, daya nyata dan efisiensi dari suatu motor induksi 3 fasa dengan kapasitor terhubung Delta, dan stator motor Induksi 3 fasa terhubung Delta.

W3phasa

PT AC1 3 Phasa

M

V1

A1

T

G

S2

S3

PT DC1

Beban

Resistif

A3 S1

V2

C

∆

C

∆

C∆

S4

I2

f

Gambar 4.1 Gambar rangkaian percobaan pembenan motor induksi dengan kapasitor terhubung Delta

2. Prosedur Percobaan

1. Motor induksi dikopel dengan generator arus searah

2. Semua switch dalam keadaan terbuka, pengatur tegangan dalam kondisi minimum. 3. Switch S1 ditutup, PTAC1 dinaikkan sehingga motor induksi mulai berputar perlahan

sampai VL = 220 V (tegangan terminal motor induksi 3 fasa).

4. Switch S2 kemudian ditutup, PTDC2 dinaikkan sampai penunjukan amperemeter A3 mencapai harga arus penguat nominal mesin arus searah

• Untuk pemasangan kapasitansi kapasitor yang relatif sama, maka nilai daya aktif 3 fasa semakin besar seiring bertambahnya beban pada motor induksi 3 fasa, begitu juga sebaliknya.

b) Analisa Daya Reaktif Dengan Pemasangan Kapasitor

Motor induksi merupakan salah satu beban induktif, hal ini dikarenakan sebagian besar konstruksi di dalamnya berupa lilitan di stator dan rotor (berupa reaktansi induktif). Daya reaktif (kVar) setelah pemasangan kapasitor merupakan resultan daya reaktif secara vektor diagram antara daya reaktif yang disuplai kapasitor dengan daya reaktif diserap beban, yaitu motor induksi 3 fasa (arus beban diambil dari data hasil percobaan tanpa kapasitor). Untuk beban kapasitif murni, daya reaktif kapasitor bersifat leading terhadap tegangan suplai dengan sudut ϕ2 mendekati 900. Sedangkan daya reaktif beban bersifat

lagging terhadap tegangan suplai dengan sudut ϕ1 tertentu.

Berdasarkan data hasil pengukuran, maka dibuat grafik hubungan daya reaktif 3 fasa terhadap kapasitansi dengan berbagai variasi pembebanan pada hubungan Delta dan Wye, adalah :

Gambar 4.5 Grafik Daya Reaktif terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta

Terhadap Motor Induksi 3 Fasa)

Dari hasil analisa Gambar 4.5 dapat disimpulkan bahwa :

• Daya reaktif 3 fasa paling kecil adalah pada saat kondisi pembebanan dengan faktor daya mendekati 1 (paling baik)

• Pemasangan kapasitansi kapasitor yang berlebihan menyebabkan motor bekerja dengan faktor daya leading (menjadi beban bersifat kapasitif).

c) Analisa Daya Nyata (kVA) Dengan Pemasangan Kapasitor

Besarnya daya nyata (kVA) dapat diperoleh dari hasil phytagoras antara penjumlahan daya aktif dan daya reaktif (kVar). Dari analisa sebelumnya diketahui bahwa nilai daya aktif hampir konstan, sedangkan nilai daya reaktif berubah-ubah sesuai besarnya kapasitansi kapasitor yang dipasang. Semakin kecil nilai daya reaktif, maka semakin kecil pula nilai daya nyata yang ditimbulkan, begitu juga sebaliknya.

Berdasarkan data hasil pengukuran, maka dapat dibuat grafik hubungan daya nyata 3 fasa terhadap kapasitansi kapasitor dengan berbaga variasi pembebanan.

Gambar 4.6 Grafik Daya Nyata terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta

Terhadap Motor Induksi 3 Fasa)

Dari hasil analisa Gambar 4.6 dapat disimpulkan bahwa :

• Nilai daya nyata yang paling kecil terjadi pada saat kondisi pembebanan dengan faktor daya mendekati 1. Pada kondisi ini nilai daya nyata secara vektor diagram besarnya hampir sama dengan nilai daya aktif.

• Semakin besar kapasitansi kapasitor yang dipasang, maka semakin besar pada daya reaktif yang ditimbulkan . Hal ini juga memperbesar daya nyata sistem tersebut. • Untuk pemasangan kapasitansi kapasitor yang sama, maka nilai daya nyata semakin

4.4.4 Analisa Kecepatan Putaran Rotor dengan Pemasangan Kapasitor

Dari data hasil pengukuran, dapat diamati bahwa kecepatan putaran rotor (n) semakin menurun seiring bertambahnya beban pada motor induksi 3 fasa. Semakin besar pembebanan, maka torsi semakin besar juga. Sedangkan pemasangan kapasitor tidak memberikan pengaruh terhadap perubahan kecepatan putaran rotor (tetap konstan). Hal ini dapat kita lihat pada Gambar 4.7

Gambar 4.7 Grafik Putaran Rotor terhadap variasi kapasitor (Kapasitor terhubung Delta

BAB V

KEIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan

Adapun kesimpulan yang diambil dari tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

• Pemasangan kapasitansi kapasitor yang semakin besar pada motor induksi menyebabkan power factor bernilai leading dan dapat menaikkan arus running.

• Pemasangan kapasitansi kapasitor yang semakin besar pada motor induksi dapat menaikkan nilai efisiensi daya pada motor induksi.

5.2. Saran

Dari hasil yang diperoleh dalampembuatan tugas akhir ini, maka penulis dapat memberikan saran sebagai berikut :

• Pemasangan kapasitor merupakan salah satu solusi untuk meningkatkan power

factor dan efisiensi daya pada motor induksi.

• Untuk motor induksi kapasitas daya kecil, pemasangan kapasitor tidak berpengaruh besar terhadap turunnya arus starting.

DAFTAR PUSTAKA

1. Djoekardi, Djuhana:”Mesin-Mesin Listrik Motor Induksi”, Penerbit Universitas Trisakti, Jakarta, 1996

2. Theraja. B. L. dan A. K. Theraja. A Textbook of Electrical Technology. New Delhi : S. Chand & Company. Ltd, 2007

3. Wijaya, Mochtar:”Dasar-Dasar Mesin Listrik”, Djambatan, Jakarta, 2001.

4. Wildi, Theodore:”Electrical Machines, Drives, and Power System”,Fifth Edition, Prentice Hall, New Jersey

5. Zuhal. Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, Penerbit Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2000

6. Lister, Eugene C : ”Mesin Dan Rangkaian Listrik”. Edisi Keenam, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1988

7. Elektro Indonesia, ”Peranan Kapasitor dalam Penggunaan Energi Listrik”, April 2000. <http://www.elektroindonesia.com/elektro/ener30a.html>