Analisa Aliran Daya Pada Motor Induksi Lima Phasa Rotor Sangkar
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.
2.2 Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang sama dengan motor
sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Stator dibentuk dari laminasi
– laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besi tuang, dan kemudian dipasak
4
Universitas Sumatera Utara
bersama–sama untuk membentuk inti stator dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar
2.1a. Kumparan (coil) dari konduktor–konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan
kedalam slot–slot tersebut.
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.
Pada motor induksi lima phasa ini terdapat 36 slot. dimana slot yang akan
digunakan berjumlah 30 dan sisanya dikosongkan.
(a)
(b)
Gambar 2.1 (a) stator MI lima phasa (b) rotor sangkar MI lima phasa
5
Universitas Sumatera Utara
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor
sangkar (squirrelcagerotor) dan rotor belitan (woundrotor). Rotor yang akan digunakan
pada motor induksi lima phasa ini adalah rotor sangkar. Rotor sangkar terdiri dari
susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot–slot yang terdapat pada
permukaan rotor dan tiap–tiap ujungnya dihubung-singkat dengan menggunakan
shortingrings.
Sebenarnya 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).
Pada motor induksi lima phasa terdapat 5 jenis arus yang masing-masing
membentuk perbedaan phasa sebesar 72o. sudut antar phasa ini diperoleh dari rumus lima
phasa empat kutub yaitu: Ø=360°/5 (electrical) = 72° (electrical)
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 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.
6
Universitas Sumatera Utara
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 setimbang akan menghasilkan arus pada tiap belitan
phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah -ubah.
2. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak
lurus terhadap belitan phasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
� = −�
��
(����)
��
(2.1)
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medan putar yang
bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukan oleh 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 pada rotor.
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan
7
Universitas Sumatera Utara
menghasilkan arus I2.
7. Adanya arus I2 di 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:
Dimana:
� = � � � sin �
(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 untuk memikul kopel
beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron.
Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatanrotor (nr) disebut
slip (s) dan dinyatakan dengan:
�=
�� − ��
� 100%
��
(2.4)
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.
8
Universitas Sumatera Utara
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada
kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel akan dihasilkan jika
nr < ns.
2.4 Motor Induksi Lima Phasa
Pada umumnya sumber tegangan yang digunakan untuk menyuplai motor listrik
baik di Indonesia, maupun negara lain merupakan sumber tegangan tiga phasa. Namun,
motor induksi lima phasa membutuhkan suplai yang berbeda, yakni sumber tegangan
lima phasa. Akan tetapi, sumber tegangan lima phasa belum banyak dijumpai hingga saat
ini. Sumber lima phasa ini sedikit berbeda dari tiga phasa. Dimana motor di suplai dari
trafo yang mengubah suplai tiga phasa menjadi lima phasa, seperti yang di tunjukkan
pada gambar 2.2
Gambar 2.2 One line diagram suplai motor induksi lima phasa
Berikut ini adalah gambar dari fasor diagram tegangan phasa ke phasa sistem lima phasa:
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Fasor diagram tegangan phasa ke phasa sistem lima phasa
Tegangan netral (VN) adalah pengukuran tegangan dari titik netral menuju titik ujung tiap
phasa, sedangkan tegangan phasa ke phasa (VLINE) adalah pengukuran tegangan dari titik ujung
phasa ke titik ujung phasa yang lain. Untuk mencari VLINE , kita dapat menghitungnya dengan
menyederhanakan gambar 2.3 ke gambar dibawah ini :
Gambar 2.4 Analiasa tegangan line pada sistem lima phasa
10
Universitas Sumatera Utara
Dari gambar 2.4 dapat diketahui besar nilai tegangan phasa ke phasa dengan
menggunakan rumus phytagoras (c2 = a2 + b2), sehingga dapat kita cari:
VLINE = (Vnetral x cosθ)
VLINE = Vnetral x cos54o
Karena memiliki dua bangun segitiga siku-siku maka:
VLINE = (Vnetral x cos54o) x 2
VLINE = Vnetral x 0,587 x 2
VLINE = 1,175.Vnetral
Bila tegangan Vnetral sebesar 220 Volt, maka diperoleh VLINE = 258,62 Volt
Maka dapat disimpulkan bahwa:
��−� = √1,38��−�
(2.5)
��−� = 1,175 ��−�
(2.6)
atau
Motor induksi lima phasa memiliki 30 slot, 4 pole, dengan belitan yang asimetris
agar dapat bekerja dengan stabil, dapat dilihat belitan motor induksi lima phasa pada
gambar 2.5
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Diagram belitan stator motor induksi lima phasa
12
Universitas Sumatera Utara
2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Lima phasa
Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik pada
poros motor. Berbagai rugi-rugi yang timbul selama proses konversi energi listrik antara
lain:
1. Rugi-rugi tetap (fixed losses), terdiri dari:
a. Rugi-rugi inti stator
b. Rugi-rugi gesek dan angin
2. Rugi-rugi variabel, terdiri dari:
a. Rugi-rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL= 5I12R1
(2.7)
b. Rugi-rugi tembaga rotor (PRCL)
Apabila rugi–rugi tembaga dan rugi–rugi inti dikurangi dengan daya input motor,
maka akan diperoleh besarnya nilai daya celah udara (PAG). Daya celah udara ini dapat
juga disebut sebagai daya output stator (POS) atau daya input rotor.
Daya pada celah udara (PAG) dapat dirumuskan dengan :
PAG= Pin - PSCL – PC
(2.8)
Sementara itu, daya mekanik yang dibangkitkan pada motor induksi merupakan
selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi inti stator dan rugi gesek dan
angin.
Rumus daya input pada motor induksi lima phasa tersebut antara lain:
13
Universitas Sumatera Utara
P = 5 VPh IPh cosØ
(2.9)
P = 4.25 VL IL cos Ø
(2.10)
Perbandingan antara daya tiga phasa dengan daya lima phasa adalah sebagai berikut:
(2.11)
P3Ø = 1.73 VL IL Cos Ø
P5Ø = 4.255 VL IL Cos Ø
Perbandingan lima phasa dengan tiga phasa = 4,255/1,73 = 2.46
Maka, Daya lima phasa lebih besar 2.46 kali daya tiga phasa.
Diagram aliran daya motor induksi lima phasa dapat dilihat pada gambar 2.6 dibawah ini.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Aliran daya motor induksi lima phasa
Dimana :
•
•
•
•
•
•
PSCL = Rugi-rugi tembaga pada belitan stator (Watt)
PC = Rugi-rugi inti pada stator (Watt)
PAG = Daya yang ditransfer melalui celah udara (Watt)
PRCL = Rugi-rugi tembaga pada kumparan rotor (Watt)
PF+W = Rugi-rugi gesek + angin (Watt)
PCONV = Daya mekanis keluaran = Daya output kotor (Watt)
2.6 Torsi Motor Induksi
Kita tahu bahwa Torsi merupakan gaya yang digunakan untuk memikul beban.
Dari diagram aliran daya motor induksi lima phasa sebelumnya dapat diturunkan suatu
rumusan umum untuk torsi motor induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor
induksi diberikan persamaan sebagai berikut :
T
=
����
�� =
��
atau T =
2п.��
9,55.����
��
(2.12)
60
Dimana ;
T
= torsi (N.m)
15
Universitas Sumatera Utara
Pout = daya output (Watt)
nr
= putaran rotor (rpm)
Persamaan yang terakhir diatas sangat berguna, karena kecepatan sinkron selalu
bernilai konstan untuk tiap-tiap frekuensi dan jumlah kutup yang diberikan motor.
Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah udara akan menentukan
besar torsi induksi pada motor.
Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan pada
gambar 2.7
Gambar 2.7 Karateristik torsi – slip pada motor induksi
Dari kurva karateristik torsi motor induksi diatas dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut:
1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron.
2. Kurva torsi – kecepatan mendekati linear diantara beban nol dan beban penuh.
Dalam daerah ini, tahanan rotor jauh lebih besar dari reaktansi rotor, oleh
16
Universitas Sumatera Utara
karena itu arus rotor,medan magnet rotor, dan torsi induksi meningkat secara
linear dengan peningkatan slip.
3. Akan terdapat torsi maksimum yang tak mungkin akan dapat dilampaui. Torsi
ini disebut juga pull – out torque atau break down tourque, yang besarnya 2 -3
kali torsi beban penuh dari motor.
4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar dari pada torsi beban penuhnya, oleh
karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang dapat
disupplai pada daya penuh.
5. Torsi pada motor akan memberikan harga slip yang bervariasi sebagai harga
kuadrat dari tegangan yang diberikan. Hal ini sangat penting dalam
membentuk pengaturan kecepatan dari motor.
6. Jika rotor motor induksi digerakkan lebih cepat dari kecepatan sinkron,
kemudian arah dari torsi induksi didalam mesin menjadi terbalik dan mesin
akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya mekanik menjadi
daya elektrik.
7. Jika motor induksi bergerak mundur relatif dari arah medan magnet, torsi
induksi mesin akan menghentikan mesin dengan sangat cepat dan akan
mencoba untuk berputar pada arah yang lain. Karena pembalikan arah medan
putar merupakan suatu aksi penyakklaran dua buah phasa stator, maka cara
seperti ini dapat digunakan sebagai suatu cara yang sangat cepat untuk
menghentikan motor induksi. Cara menghentikan motor seperti ini disebut
juga dengan pluging.
17
Universitas Sumatera Utara
2.7 Effisiensi Motor Induksi Lima Phasa
Effisiensi dari suatu motor induksi didefinisikan sebagai ukuran keeffektifan
motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan
sebagai perbandingan rasio daya output (keluaran) dengan daya input (masukan), atau
dapat juga dirumuskan dengan:
η=
Pout
Pin
=
Pout
Pout +Ploss
x 100 %
(2.13)
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa effisiensi motor tergantung pada
besarnya rugi-rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan effisiensi
motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh
atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.
Effisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban
nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi-rugi
rotasi yang terdiri dari rugi-rugi mekanik dan rugi-rugi inti. Rugi-rugi tembaga stator
tidak dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan
yang dapat digunakan untuk motor lima phasa ini adalah:
Prot = 5VphIphcosØ – 5I12R1
(2.14)
Dari ke dua rumus diatas dapat dinyatakan bahwa rugi-rugi daya = total daya input –
rugi tembaga stator. Situasi ini tepat karena rotor tidak dibebani sewaktu sedang
beroperasi sehingga slipnya sangat kecil oleh karena itu arus, dan rugi-rugi tembaga rotor
diabaikan
18
Universitas Sumatera Utara
2.8 Penentuan Parameter Motor Induksi
Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor induksi dapat
diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran
tahanan dc lilitan stator.
2.8.1 Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test )
Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan berupa
besarnya arus magnetisasi dan rugi–rugi tanpa beban. Biasanya pengujian tersebut
dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan lima phasa dalam keadaan
setimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang
diizinkan setelah motor bekerja cukup lama, agar bagian–bagian yang bergerak
mengalami pelumasan sebagaimana mestinya. Rugi–rugi rotasional keseluruhan pada
frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan
dan sama dengan rugi – rugi tanpa beban.
Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan
untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan. Karenanya rugi–rugi I2R
tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Pada transformator rugi – rugi I2R
primernya tanpa beban dapat diabaikan, akan tetapi rugi–rugi stator tanpa beban motor
induksi besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugirugi rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :
���� = ��� − 5� 2 ���1
(2.15)
Dimana :
Pnl = daya input lima phasa
19
Universitas Sumatera Utara
Inl = arus tanpa beban tiap phasa ( A )
R1 = tahanan stator tiap phasa ( ohm )
Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan mengakibatkan
tahanan rotor R2/s sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor dan cabang magnetisasi
menjadi jXM di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar, dan besarnya reaktansi
cabang paralel karenanya sangat mendekati XM. Sehingga besar reaktansi yang tampak
Xnl yang diukur pada terminal stator pada keadaan tanpa beban sangat mendekati X1 +
XM, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga :
Xnl = X1 + XM
(2.16)
Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur
pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin lima phasa yang terhubung Y besarnya
impedansi tanpa beban Znl/ phasa :
Znl =
Vnl
4.25Inl
(2.17)
Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnladalah :
R nl =
Pnl
5I2 nl
(2.18)
20
Universitas Sumatera Utara
Pnl merupakan suplai daya lima phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi
tanpa beban
Xnl = �Z 2 nl − R2 nl
(2.19)
sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar 2.8
berikut :
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol
2.8.2 Pengujian Tahanan Stator ( DC Test )
Untuk menentukan besarnya tahanan stator R1 dilakukan dengan test DC. Pada
dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi. Karena arus yang
disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada
rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan
demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus
pada motor hanya tahanan stator.
Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated,
yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang
sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan
21
Universitas Sumatera Utara
stator/ phasa adalah :
�1 =
���
(2.20)
2���
Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator.
�1 =
3���
(2.21)
2���
Dengan diketahuinya nilai dari R1, rugi–rugi tembaga stator pada beban nol dapat
ditentukan, dan rugi–rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input
pada beban nol dan rugi–rugi tembaga stator. Gambar 2.9 menunjukkan salah satu
bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y.
Gambar 2.9 Rangkaian pengukuran untuk DC test
2.8.3 Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)
Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor
induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor
dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar.
Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus
yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai
beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur.
22
Universitas Sumatera Utara
Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R2/s = R2. Karena nilai
R2 dan X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan
dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti
kombinasi seri X1, R1, X2, dan R2. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang
mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur
pada rotor dengan cepat. Daya input yang diberikan kepada motor adalah :
��� = 4.25�� ��
Dimana :
(2.22)
VT = tegangan line pada saat pengujian berlansung
IL= arus line pada saat pengujian berlangsung
��� =
Dimana :
��
4.25��
(2.23)
ZBR = impedansi hubung singkat
��� = ��� + ����
Tahanan block rotor :
= ��� cos � + ���� sin �
��� = �1 + �2
(2.24)
(2.25)
Sedangkan reaktansi block rotor X’BR = X1’ + X2’
X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian
�2 = ��� − �1
(2.26)
23
Universitas Sumatera Utara
Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung
dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat frekuensi operasi
normal
��� =
������
′
� ���
= �1 + �2
�����
(2.27)
24
Universitas Sumatera Utara
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.
2.2 Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang sama dengan motor
sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi rotor. Stator dibentuk dari laminasi
– laminasi tipis yang terbuat dari aluminium ataupun besi tuang, dan kemudian dipasak
4
Universitas Sumatera Utara
bersama–sama untuk membentuk inti stator dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar
2.1a. Kumparan (coil) dari konduktor–konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan
kedalam slot–slot tersebut.
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.
Pada motor induksi lima phasa ini terdapat 36 slot. dimana slot yang akan
digunakan berjumlah 30 dan sisanya dikosongkan.
(a)
(b)
Gambar 2.1 (a) stator MI lima phasa (b) rotor sangkar MI lima phasa
5
Universitas Sumatera Utara
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor
sangkar (squirrelcagerotor) dan rotor belitan (woundrotor). Rotor yang akan digunakan
pada motor induksi lima phasa ini adalah rotor sangkar. Rotor sangkar terdiri dari
susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot–slot yang terdapat pada
permukaan rotor dan tiap–tiap ujungnya dihubung-singkat dengan menggunakan
shortingrings.
Sebenarnya 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).
Pada motor induksi lima phasa terdapat 5 jenis arus yang masing-masing
membentuk perbedaan phasa sebesar 72o. sudut antar phasa ini diperoleh dari rumus lima
phasa empat kutub yaitu: Ø=360°/5 (electrical) = 72° (electrical)
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 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.
6
Universitas Sumatera Utara
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 setimbang akan menghasilkan arus pada tiap belitan
phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah -ubah.
2. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak
lurus terhadap belitan phasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
� = −�
��
(����)
��
(2.1)
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medan putar yang
bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukan oleh 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 pada rotor.
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan
7
Universitas Sumatera Utara
menghasilkan arus I2.
7. Adanya arus I2 di 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:
Dimana:
� = � � � sin �
(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 untuk memikul kopel
beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron.
Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatanrotor (nr) disebut
slip (s) dan dinyatakan dengan:
�=
�� − ��
� 100%
��
(2.4)
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada
kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.
8
Universitas Sumatera Utara
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada
kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel akan dihasilkan jika
nr < ns.
2.4 Motor Induksi Lima Phasa
Pada umumnya sumber tegangan yang digunakan untuk menyuplai motor listrik
baik di Indonesia, maupun negara lain merupakan sumber tegangan tiga phasa. Namun,
motor induksi lima phasa membutuhkan suplai yang berbeda, yakni sumber tegangan
lima phasa. Akan tetapi, sumber tegangan lima phasa belum banyak dijumpai hingga saat
ini. Sumber lima phasa ini sedikit berbeda dari tiga phasa. Dimana motor di suplai dari
trafo yang mengubah suplai tiga phasa menjadi lima phasa, seperti yang di tunjukkan
pada gambar 2.2
Gambar 2.2 One line diagram suplai motor induksi lima phasa
Berikut ini adalah gambar dari fasor diagram tegangan phasa ke phasa sistem lima phasa:
9
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3 Fasor diagram tegangan phasa ke phasa sistem lima phasa
Tegangan netral (VN) adalah pengukuran tegangan dari titik netral menuju titik ujung tiap
phasa, sedangkan tegangan phasa ke phasa (VLINE) adalah pengukuran tegangan dari titik ujung
phasa ke titik ujung phasa yang lain. Untuk mencari VLINE , kita dapat menghitungnya dengan
menyederhanakan gambar 2.3 ke gambar dibawah ini :
Gambar 2.4 Analiasa tegangan line pada sistem lima phasa
10
Universitas Sumatera Utara
Dari gambar 2.4 dapat diketahui besar nilai tegangan phasa ke phasa dengan
menggunakan rumus phytagoras (c2 = a2 + b2), sehingga dapat kita cari:
VLINE = (Vnetral x cosθ)
VLINE = Vnetral x cos54o
Karena memiliki dua bangun segitiga siku-siku maka:
VLINE = (Vnetral x cos54o) x 2
VLINE = Vnetral x 0,587 x 2
VLINE = 1,175.Vnetral
Bila tegangan Vnetral sebesar 220 Volt, maka diperoleh VLINE = 258,62 Volt
Maka dapat disimpulkan bahwa:
��−� = √1,38��−�
(2.5)
��−� = 1,175 ��−�
(2.6)
atau
Motor induksi lima phasa memiliki 30 slot, 4 pole, dengan belitan yang asimetris
agar dapat bekerja dengan stabil, dapat dilihat belitan motor induksi lima phasa pada
gambar 2.5
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5 Diagram belitan stator motor induksi lima phasa
12
Universitas Sumatera Utara
2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Lima phasa
Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik pada
poros motor. Berbagai rugi-rugi yang timbul selama proses konversi energi listrik antara
lain:
1. Rugi-rugi tetap (fixed losses), terdiri dari:
a. Rugi-rugi inti stator
b. Rugi-rugi gesek dan angin
2. Rugi-rugi variabel, terdiri dari:
a. Rugi-rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL= 5I12R1
(2.7)
b. Rugi-rugi tembaga rotor (PRCL)
Apabila rugi–rugi tembaga dan rugi–rugi inti dikurangi dengan daya input motor,
maka akan diperoleh besarnya nilai daya celah udara (PAG). Daya celah udara ini dapat
juga disebut sebagai daya output stator (POS) atau daya input rotor.
Daya pada celah udara (PAG) dapat dirumuskan dengan :
PAG= Pin - PSCL – PC
(2.8)
Sementara itu, daya mekanik yang dibangkitkan pada motor induksi merupakan
selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan rugi inti stator dan rugi gesek dan
angin.
Rumus daya input pada motor induksi lima phasa tersebut antara lain:
13
Universitas Sumatera Utara
P = 5 VPh IPh cosØ
(2.9)
P = 4.25 VL IL cos Ø
(2.10)
Perbandingan antara daya tiga phasa dengan daya lima phasa adalah sebagai berikut:
(2.11)
P3Ø = 1.73 VL IL Cos Ø
P5Ø = 4.255 VL IL Cos Ø
Perbandingan lima phasa dengan tiga phasa = 4,255/1,73 = 2.46
Maka, Daya lima phasa lebih besar 2.46 kali daya tiga phasa.
Diagram aliran daya motor induksi lima phasa dapat dilihat pada gambar 2.6 dibawah ini.
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Aliran daya motor induksi lima phasa
Dimana :
•
•
•
•
•
•
PSCL = Rugi-rugi tembaga pada belitan stator (Watt)
PC = Rugi-rugi inti pada stator (Watt)
PAG = Daya yang ditransfer melalui celah udara (Watt)
PRCL = Rugi-rugi tembaga pada kumparan rotor (Watt)
PF+W = Rugi-rugi gesek + angin (Watt)
PCONV = Daya mekanis keluaran = Daya output kotor (Watt)
2.6 Torsi Motor Induksi
Kita tahu bahwa Torsi merupakan gaya yang digunakan untuk memikul beban.
Dari diagram aliran daya motor induksi lima phasa sebelumnya dapat diturunkan suatu
rumusan umum untuk torsi motor induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor
induksi diberikan persamaan sebagai berikut :
T
=
����
�� =
��
atau T =
2п.��
9,55.����
��
(2.12)
60
Dimana ;
T
= torsi (N.m)
15
Universitas Sumatera Utara
Pout = daya output (Watt)
nr
= putaran rotor (rpm)
Persamaan yang terakhir diatas sangat berguna, karena kecepatan sinkron selalu
bernilai konstan untuk tiap-tiap frekuensi dan jumlah kutup yang diberikan motor.
Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah udara akan menentukan
besar torsi induksi pada motor.
Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan pada
gambar 2.7
Gambar 2.7 Karateristik torsi – slip pada motor induksi
Dari kurva karateristik torsi motor induksi diatas dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut:
1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron.
2. Kurva torsi – kecepatan mendekati linear diantara beban nol dan beban penuh.
Dalam daerah ini, tahanan rotor jauh lebih besar dari reaktansi rotor, oleh
16
Universitas Sumatera Utara
karena itu arus rotor,medan magnet rotor, dan torsi induksi meningkat secara
linear dengan peningkatan slip.
3. Akan terdapat torsi maksimum yang tak mungkin akan dapat dilampaui. Torsi
ini disebut juga pull – out torque atau break down tourque, yang besarnya 2 -3
kali torsi beban penuh dari motor.
4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar dari pada torsi beban penuhnya, oleh
karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang dapat
disupplai pada daya penuh.
5. Torsi pada motor akan memberikan harga slip yang bervariasi sebagai harga
kuadrat dari tegangan yang diberikan. Hal ini sangat penting dalam
membentuk pengaturan kecepatan dari motor.
6. Jika rotor motor induksi digerakkan lebih cepat dari kecepatan sinkron,
kemudian arah dari torsi induksi didalam mesin menjadi terbalik dan mesin
akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya mekanik menjadi
daya elektrik.
7. Jika motor induksi bergerak mundur relatif dari arah medan magnet, torsi
induksi mesin akan menghentikan mesin dengan sangat cepat dan akan
mencoba untuk berputar pada arah yang lain. Karena pembalikan arah medan
putar merupakan suatu aksi penyakklaran dua buah phasa stator, maka cara
seperti ini dapat digunakan sebagai suatu cara yang sangat cepat untuk
menghentikan motor induksi. Cara menghentikan motor seperti ini disebut
juga dengan pluging.
17
Universitas Sumatera Utara
2.7 Effisiensi Motor Induksi Lima Phasa
Effisiensi dari suatu motor induksi didefinisikan sebagai ukuran keeffektifan
motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan
sebagai perbandingan rasio daya output (keluaran) dengan daya input (masukan), atau
dapat juga dirumuskan dengan:
η=
Pout
Pin
=
Pout
Pout +Ploss
x 100 %
(2.13)
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa effisiensi motor tergantung pada
besarnya rugi-rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan effisiensi
motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani secara penuh
atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.
Effisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian beban
nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh rugi-rugi
rotasi yang terdiri dari rugi-rugi mekanik dan rugi-rugi inti. Rugi-rugi tembaga stator
tidak dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan
yang dapat digunakan untuk motor lima phasa ini adalah:
Prot = 5VphIphcosØ – 5I12R1
(2.14)
Dari ke dua rumus diatas dapat dinyatakan bahwa rugi-rugi daya = total daya input –
rugi tembaga stator. Situasi ini tepat karena rotor tidak dibebani sewaktu sedang
beroperasi sehingga slipnya sangat kecil oleh karena itu arus, dan rugi-rugi tembaga rotor
diabaikan
18
Universitas Sumatera Utara
2.8 Penentuan Parameter Motor Induksi
Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor induksi dapat
diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran
tahanan dc lilitan stator.
2.8.1 Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test )
Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan berupa
besarnya arus magnetisasi dan rugi–rugi tanpa beban. Biasanya pengujian tersebut
dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan lima phasa dalam keadaan
setimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang
diizinkan setelah motor bekerja cukup lama, agar bagian–bagian yang bergerak
mengalami pelumasan sebagaimana mestinya. Rugi–rugi rotasional keseluruhan pada
frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan
dan sama dengan rugi – rugi tanpa beban.
Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan
untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan. Karenanya rugi–rugi I2R
tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Pada transformator rugi – rugi I2R
primernya tanpa beban dapat diabaikan, akan tetapi rugi–rugi stator tanpa beban motor
induksi besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugirugi rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :
���� = ��� − 5� 2 ���1
(2.15)
Dimana :
Pnl = daya input lima phasa
19
Universitas Sumatera Utara
Inl = arus tanpa beban tiap phasa ( A )
R1 = tahanan stator tiap phasa ( ohm )
Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan mengakibatkan
tahanan rotor R2/s sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor dan cabang magnetisasi
menjadi jXM di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar, dan besarnya reaktansi
cabang paralel karenanya sangat mendekati XM. Sehingga besar reaktansi yang tampak
Xnl yang diukur pada terminal stator pada keadaan tanpa beban sangat mendekati X1 +
XM, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga :
Xnl = X1 + XM
(2.16)
Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur
pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin lima phasa yang terhubung Y besarnya
impedansi tanpa beban Znl/ phasa :
Znl =
Vnl
4.25Inl
(2.17)
Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnladalah :
R nl =
Pnl
5I2 nl
(2.18)
20
Universitas Sumatera Utara
Pnl merupakan suplai daya lima phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi
tanpa beban
Xnl = �Z 2 nl − R2 nl
(2.19)
sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar 2.8
berikut :
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol
2.8.2 Pengujian Tahanan Stator ( DC Test )
Untuk menentukan besarnya tahanan stator R1 dilakukan dengan test DC. Pada
dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi. Karena arus yang
disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada
rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan
demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus
pada motor hanya tahanan stator.
Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated,
yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang
sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan
21
Universitas Sumatera Utara
stator/ phasa adalah :
�1 =
���
(2.20)
2���
Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator.
�1 =
3���
(2.21)
2���
Dengan diketahuinya nilai dari R1, rugi–rugi tembaga stator pada beban nol dapat
ditentukan, dan rugi–rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input
pada beban nol dan rugi–rugi tembaga stator. Gambar 2.9 menunjukkan salah satu
bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y.
Gambar 2.9 Rangkaian pengukuran untuk DC test
2.8.3 Pengujian Rotor Tertahan (Block Rotor Test)
Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor
induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor
dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar.
Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus
yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai
beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur.
22
Universitas Sumatera Utara
Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R2/s = R2. Karena nilai
R2 dan X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan
dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti
kombinasi seri X1, R1, X2, dan R2. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang
mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur
pada rotor dengan cepat. Daya input yang diberikan kepada motor adalah :
��� = 4.25�� ��
Dimana :
(2.22)
VT = tegangan line pada saat pengujian berlansung
IL= arus line pada saat pengujian berlangsung
��� =
Dimana :
��
4.25��
(2.23)
ZBR = impedansi hubung singkat
��� = ��� + ����
Tahanan block rotor :
= ��� cos � + ���� sin �
��� = �1 + �2
(2.24)
(2.25)
Sedangkan reaktansi block rotor X’BR = X1’ + X2’
X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian
�2 = ��� − �1
(2.26)
23
Universitas Sumatera Utara
Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung
dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat frekuensi operasi
normal
��� =
������
′
� ���
= �1 + �2
�����
(2.27)
24
Universitas Sumatera Utara