Analisa Pengaruh Tegangan Jatuh Terhadap Kinerja Motor Induksi Lima Fasa Rotor Sangkar
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
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 induksi memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta
berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat
keadaan normal dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Namun, motor
induksi memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor
induksi pengaturan kecepatan tidak bisa dilakukan tanpa merubah efisensi.
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
besituang, dan kemudian dipasak bersama –sama untuk membentuk inti stator
dengan slotseperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan (coil) dari
konduktor-konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan kedalam slot – slot
tersebut.
4
Universitas Sumatera Utara
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.
Gambar 2.1 Stator, Rotor Sangkar dan Rotor Belitan
Konstruksi stator motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian-bagian
sebagai berikut:
Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.
Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.
5
Universitas Sumatera Utara
Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat
meletakkan belitan (kumparan stator).
Belitan (kumparan) stator dari tembaga.
Rangka stator motor induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung
dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan
objek atau gangguan udara terbuka (cuaca luar)
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh
karena itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan
goncangan
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan
lebih efektif
Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi
menjadi dua jenis seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1, yaitu:
1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage )
2. Motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor )
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
6
Universitas Sumatera Utara
antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana penempatan stator dan rotor pada motor
induksi diperlihatkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Gambar Motor Induksi dengan 1 Kumparan Statordan 1 Kumparan
Rotor.
Tanda silang (x) pada kumparan stator atau rotor pada Gambar 2.3
menunjukkan arah arus yang melewati kumparan masuk ke dalam kertas (tulisan
ini) sedangkan tanda titik (.) menunjukkan bahwa arah arus keluar dari kertas.
Gambar 2.3 Penampang inti stator danrotor motor induksi
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis
yaiturotor sangkar (squirrel cage rotor ) dan rotor belitan (wound rotor ). Rotor
sangkar terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot -
7
Universitas Sumatera Utara
slot yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap - tiap ujungnya dihubung singkat
dengan menggunakan shortingrings.
Pada motor jenis rotor sangkar, konstruksi pada motor tiga fasa dan lima
fasa 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 fasa menggunakan 30 slot dan
menggunakan 4 kutub (pole).
2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi
Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor
tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam
lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan
rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar.Ggl induksi
menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor. Sehingga dengan adanya
aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator,
maka akan dibangkitkan gaya ( F ) yang bekerja pada motor.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi lima phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol kelima phasa stator yang terhubung dengan
sumber tegangan lima phasa yang seimbang akan menghasilkan arus
pada tiapbelitan phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi
bolak – balik yang berubah -ubah.
8
Universitas Sumatera Utara
2. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang
besarnya :
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan
medanputar yang bergerak dengan kecepatan sinkron n s yang
besarnya ditentukanoleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang
dirumuskan:
Dimana:
ns
= kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f
= frekuensi sumber daya (Hz)
P
= jumlah kutub motor induksi
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor
padarotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi
sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2.
7. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya
9
Universitas Sumatera Utara
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:
(2.3)
Dimana:
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
mendekatikecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar
stator (ns) dengan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan
dinyatakan dengan:
S=
x 100%
(2.4)
10
Universitas Sumatera Utara
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang
terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya
slip.
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.
Kopel akandihasilkan jika ns > nr.
2.4 Motor Induksi Lima Fasa
Pada umumnya sumber tegangan yang digunakan untuk menyuplai motor
listrik baik di Indonesia, maupun negara lain merupakan sumber tegangan tiga
fasa. Namun, motor induksi lima fasa membutuhkan suplai yang berbeda, yakni
sumber tegangan lima fasa. Akan tetapi, sumber tegangan lima fasa belum banyak
dijumpai hingga saat ini. Sumber lima fasa ini sedikit berbeda dari tiga fasa.
Dimana motor di suplai dari trafo yang mengubah suplai tiga fasa menjadi lima
fasa, seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 One line diagram suplai motor induksi lima phasa
11
Universitas Sumatera Utara
Trafo terdiri dari 3 besi dalam menghubungkan belitan - belitan primer (3
fasa) dengan belitan – belitan sekunder ( 5 fasa ). Setiap inti menghubungkan 1
belitan primer dengan 3 belitan sekunder, kecuali 1 inti lagi menghubungkan 1
belitan primer dengan 2 belitan sekunder.
Gambar 2.5 Susunan belitan wye – wye transformasi lima fasa
Berikut ini adalah gambar dari fasor diagram tegangan phasa ke fasa sistem
limafasa:
Gambar 2.6 Diagram tegangan fasa ke fasa sistem lima phasa.
12
Universitas Sumatera Utara
Tegangan netral (VN) adalah pengukuran tegangan dari titik netral menuju
titik ujung tiap phasa, sedangkan tegangan phasa ke fasa (VLINE) adalah
pengukuran tegangan dari titik ujung phasa ke titik ujung phasa yang lain. Untuk
mencari VLINE , kita dapat menghitungnya dengan menyederhanakan gambar
2.7 ke gambar dibawah ini :
Gambar 2.7 Analisis tegangan line pada sistem lima fasa
Dari Gambar 2.7 dapat diketahui besar nilai tegangan fasa ke fasa dengan
menggunakan rumus phytagoras (c2 = a2 + b2), sehingga dapat kita cari:
VLINE= (Vnetral x cos )
VLINE= Vnetral x cos54o
Karena memiliki dua bangun segitiga siku-siku maka:
VLINE = (Vnetral xcos54o) x 2
VLINE = Vnetral x0,587 x 2
VLINE = 1,175.Vnetral
13
Universitas Sumatera Utara
Bila tegangan Vnetral sebesar 220 Volt, maka diperoleh V LINE = 258,62
Volt, maka dapat disimpulkan bahwa :
Pada saat VAN = VBN = VCN = VDN = VEN dan terpisah sebesar 720 listrik,
maka sistem tegangan akan seimbang. Saat VL-L menjadi tegangan antar fasa dan
VL-N = VAN = VBN = VCN = VDN = VENadalah tegangan fasa netral, maka:
atau
√
(2.5)
(2.6)
Motor induksi lima fasa dalam tugas akhir ini dirancang dengan jumlah
30 slot, dan jumlah kutub adalah 4 dengan belitan yang asimetris agar dapat
bekerja dengan stabil, dapat dilihat pada Gambar 2.9
Gambar 2.8 Diagram belitan stator motor induksi lima fasa
14
Universitas Sumatera Utara
2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi
Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian
ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan
rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan
sebagai berikut :
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen stator
Dimana :
= arus eksitasi (Amper)
= tegangan terminal stator ( Volt )
= ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt )
= arus stator ( Ampere )
= tahanan efektif stator ( Ohm )
= reaktansi bocor stator ( Ohm )
Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan
komponen arus penguat
. Komponen arus penguat
merupakan arus stator
tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan
merupakan fungsi ggm
.
15
Universitas Sumatera Utara
Komponen arus penguat
sefasa dengan
terbagi atas komponen rugi – rugi inti
dan komponen magnetisasi
yang
yang tertinggal 90° dari
Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya (
dan tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen (
.
rotor )
) adalah :
=
dimana
adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya
kali jumlah lilitan rotor.
Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing –
masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya dengan arus
pada rotor ekivalen adalah :
=
sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip
ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip
dari rotor
dari rotor sebenarnya adalah :
Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai
nilai yang referensinya ke stator.Selanjutnya persamaan dapat dituliskan :
Dimana :
= impedansi bocor rotor ( Ohm).
R2
= tahanan efektif referensi ( Ohm )
X2 = reaktansi bocor pada X2 ( Ohm ).
16
Universitas Sumatera Utara
Reaktansi yang didapat pada persamaan
dinyatakan dalam cara yang
demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip.Pada stator ada
gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan
mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar
lawan stator
dan ggl
. 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:
=
=
=
Dari persamaan diatas dapat disubsitusikan untuk menyamakan E 1 dan E2s
dengan membagi E2s dengan slip.
Gambar 2.10 Rangkaian motor induksi
17
Universitas Sumatera Utara
Maka diperoleh rangkaian ekivalen mesin induksi seperti dibawah ini:
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi
2.6 Aliran Daya pada Motor Induksi Lima Fasa
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 inti rotor
c. Rugi-rugi gesek dan angin
2. Rugi-rugi variabel, terdiri dari:
a. Rugi-rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL= 5I12R1
(2.14)
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
atau daya input rotor.
18
Universitas Sumatera Utara
Daya pada celah udara (PAG) dapat dirumuskan dengan :
PAG = Pin - PSCL – PCORE
(2.15)
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.
Perbandingan antara supply tiga fasa dengan sistem lima Fasa adalah
sebagaiberikut:
Motor Induksi 3 Fasa :
√
√
Motor Induksi 5 Fasa :
√
√
(2.16)
P = 5 VPh IPh cosØ
P = 4.25 VL IL cos Ø
(2.17)
19
Universitas Sumatera Utara
Perbandingan antara suplai tiga fasa dengan sistem lima fasa adalah sebagai
berikut:
P3Ø = √ VL IL Cos Ø
(2.18)
(2.19)
P5Ø = 4.255 VL IL Cos Ø
Perbandingan lima phasa dengan tiga fasa =
= 2.46
Maka, daya lima fasa lebih besar 2.46 kali daya tiga fasa. Gambar 2.12
menunjukkan aliran daya pada motor induksi lima fasa.
Gambar 2.12 Diagram aliran daya pada motor induksi lima fasa.
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)
20
Universitas Sumatera Utara
2.7 Torsi Motor Induksi
Kita tahu bahwa Torsi merupakan gaya yang digunakan untuk memikul
beban. Dari diagram aliran daya
motor induksi lima fasa sebelumnya dapat
diturunkan suatu rumusan umum untuk torsi motor induksi sebagai fungsi dari
kecepatan. Torsi motor induksi diberikan persamaan sebagai berikut :
T=
atau T =
Pout = T. n
(2.20)
;
=
(2.21)
T=
(2.22)
Dimana ;
T
= Torsi (N.m)
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 2.13
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 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
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.
22
Universitas Sumatera Utara
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.
2.8 Efisiensi Motor Induksi Lima Fasa
Efisiensi 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:
=
=
x 100
(2.23)
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi 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.
23
Universitas Sumatera Utara
Efisiensi 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 = 5Vph.Iph.cosφ – 5I12.R1
(2.24)
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.
2.9 Tegangan Jatuh (Voltage Regulation )
Tegangan jatuh secara umum adalah tegangan yang digunakan pada
beban.Tegangan jatuh ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui tahanan
kawat. Tegangan jatuh pada penghantar semakin besar apabila arus di dalam
penghantar semakin besar dan jika tahanan penghantar semakin besar pula.
Tegangan jatuh mengakibatkan terjadinya kerugian pada penghantar karena dapat
menurunkan tegangan pada beban, hingga berada di bawah tegangan nominal
yang dibutuhkan. Atas dasar hal tersebut maka tegangan jatuh yang diijinkan
untuk instalasi arus kuat hingga 1.000 V yang ditetapkan dalam persen dari
tegangan kerjanya.
(2.25)
24
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Vs = Tegangan ujung pengirim (volt)
Vr = Tegangan ujung penerima (volt)
Seperti kita ketahui PLN memproduksi tegangan listrik dengan nilai nominal
220/380 volt tiga fasa dan pada ferekuensi 50 Hz dalam bentuk gelombang sinus.
Besar tegangan listrik akan bebrbeda di setiap negara, sebagai contoh di Amerika
tegangan jala-jalanya 110/60 Hz dan lain sebagainya.
Secara umum ada tiga hal yang perlu dijaga kualitasnya dalam penyediaan
tenaga listrik :
1.
Frekuensi (50 Hz/ 60 Hz)
2.
Tegangan (220/380) volt
3.
Keandalan
5% - 10%
Dalam penyediaan tenaga listrik dilakukan penggolongan beban untuk
memenuhi keandalan dari system .Dengan bervariasinya karakteristik beban maka
perlu digolongkan berdasarkan faktor-faktor domain. Misalnya lingkungan. Pada
kenyataanya tegangan listrik produk PLN bukanlah tegangan sinus murni yang
berkualitassempurna.
25
Universitas Sumatera Utara
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Umum
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 induksi memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta
berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang tinggi saat
keadaan normal dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Namun, motor
induksi memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada motor
induksi pengaturan kecepatan tidak bisa dilakukan tanpa merubah efisensi.
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
besituang, dan kemudian dipasak bersama –sama untuk membentuk inti stator
dengan slotseperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan (coil) dari
konduktor-konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan kedalam slot – slot
tersebut.
4
Universitas Sumatera Utara
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.
Gambar 2.1 Stator, Rotor Sangkar dan Rotor Belitan
Konstruksi stator motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian-bagian
sebagai berikut:
Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.
Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.
5
Universitas Sumatera Utara
Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat
meletakkan belitan (kumparan stator).
Belitan (kumparan) stator dari tembaga.
Rangka stator motor induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung
dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan
objek atau gangguan udara terbuka (cuaca luar)
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh
karena itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan
goncangan
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan
lebih efektif
Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi
menjadi dua jenis seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1, yaitu:
1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage )
2. Motor induksi dengan rotor belitan (wound rotor )
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
6
Universitas Sumatera Utara
antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana penempatan stator dan rotor pada motor
induksi diperlihatkan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2 Gambar Motor Induksi dengan 1 Kumparan Statordan 1 Kumparan
Rotor.
Tanda silang (x) pada kumparan stator atau rotor pada Gambar 2.3
menunjukkan arah arus yang melewati kumparan masuk ke dalam kertas (tulisan
ini) sedangkan tanda titik (.) menunjukkan bahwa arah arus keluar dari kertas.
Gambar 2.3 Penampang inti stator danrotor motor induksi
Rotor motor induksi lima phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis
yaiturotor sangkar (squirrel cage rotor ) dan rotor belitan (wound rotor ). Rotor
sangkar terdiri dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot -
7
Universitas Sumatera Utara
slot yang terdapat pada permukaan rotor dan tiap - tiap ujungnya dihubung singkat
dengan menggunakan shortingrings.
Pada motor jenis rotor sangkar, konstruksi pada motor tiga fasa dan lima
fasa 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 fasa menggunakan 30 slot dan
menggunakan 4 kutub (pole).
2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi
Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor
tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam
lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan
rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar.Ggl induksi
menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor. Sehingga dengan adanya
aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator,
maka akan dibangkitkan gaya ( F ) yang bekerja pada motor.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi lima phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol kelima phasa stator yang terhubung dengan
sumber tegangan lima phasa yang seimbang akan menghasilkan arus
pada tiapbelitan phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi
bolak – balik yang berubah -ubah.
8
Universitas Sumatera Utara
2. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang
besarnya :
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan
medanputar yang bergerak dengan kecepatan sinkron n s yang
besarnya ditentukanoleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang
dirumuskan:
Dimana:
ns
= kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f
= frekuensi sumber daya (Hz)
P
= jumlah kutub motor induksi
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor
padarotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi
sebesar E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2.
7. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya
9
Universitas Sumatera Utara
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:
(2.3)
Dimana:
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
mendekatikecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar
stator (ns) dengan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan
dinyatakan dengan:
S=
x 100%
(2.4)
10
Universitas Sumatera Utara
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang
terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya
slip.
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.
Kopel akandihasilkan jika ns > nr.
2.4 Motor Induksi Lima Fasa
Pada umumnya sumber tegangan yang digunakan untuk menyuplai motor
listrik baik di Indonesia, maupun negara lain merupakan sumber tegangan tiga
fasa. Namun, motor induksi lima fasa membutuhkan suplai yang berbeda, yakni
sumber tegangan lima fasa. Akan tetapi, sumber tegangan lima fasa belum banyak
dijumpai hingga saat ini. Sumber lima fasa ini sedikit berbeda dari tiga fasa.
Dimana motor di suplai dari trafo yang mengubah suplai tiga fasa menjadi lima
fasa, seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 One line diagram suplai motor induksi lima phasa
11
Universitas Sumatera Utara
Trafo terdiri dari 3 besi dalam menghubungkan belitan - belitan primer (3
fasa) dengan belitan – belitan sekunder ( 5 fasa ). Setiap inti menghubungkan 1
belitan primer dengan 3 belitan sekunder, kecuali 1 inti lagi menghubungkan 1
belitan primer dengan 2 belitan sekunder.
Gambar 2.5 Susunan belitan wye – wye transformasi lima fasa
Berikut ini adalah gambar dari fasor diagram tegangan phasa ke fasa sistem
limafasa:
Gambar 2.6 Diagram tegangan fasa ke fasa sistem lima phasa.
12
Universitas Sumatera Utara
Tegangan netral (VN) adalah pengukuran tegangan dari titik netral menuju
titik ujung tiap phasa, sedangkan tegangan phasa ke fasa (VLINE) adalah
pengukuran tegangan dari titik ujung phasa ke titik ujung phasa yang lain. Untuk
mencari VLINE , kita dapat menghitungnya dengan menyederhanakan gambar
2.7 ke gambar dibawah ini :
Gambar 2.7 Analisis tegangan line pada sistem lima fasa
Dari Gambar 2.7 dapat diketahui besar nilai tegangan fasa ke fasa dengan
menggunakan rumus phytagoras (c2 = a2 + b2), sehingga dapat kita cari:
VLINE= (Vnetral x cos )
VLINE= Vnetral x cos54o
Karena memiliki dua bangun segitiga siku-siku maka:
VLINE = (Vnetral xcos54o) x 2
VLINE = Vnetral x0,587 x 2
VLINE = 1,175.Vnetral
13
Universitas Sumatera Utara
Bila tegangan Vnetral sebesar 220 Volt, maka diperoleh V LINE = 258,62
Volt, maka dapat disimpulkan bahwa :
Pada saat VAN = VBN = VCN = VDN = VEN dan terpisah sebesar 720 listrik,
maka sistem tegangan akan seimbang. Saat VL-L menjadi tegangan antar fasa dan
VL-N = VAN = VBN = VCN = VDN = VENadalah tegangan fasa netral, maka:
atau
√
(2.5)
(2.6)
Motor induksi lima fasa dalam tugas akhir ini dirancang dengan jumlah
30 slot, dan jumlah kutub adalah 4 dengan belitan yang asimetris agar dapat
bekerja dengan stabil, dapat dilihat pada Gambar 2.9
Gambar 2.8 Diagram belitan stator motor induksi lima fasa
14
Universitas Sumatera Utara
2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi
Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian
ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan
rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan
sebagai berikut :
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen stator
Dimana :
= arus eksitasi (Amper)
= tegangan terminal stator ( Volt )
= ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt )
= arus stator ( Ampere )
= tahanan efektif stator ( Ohm )
= reaktansi bocor stator ( Ohm )
Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan
komponen arus penguat
. Komponen arus penguat
merupakan arus stator
tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan
merupakan fungsi ggm
.
15
Universitas Sumatera Utara
Komponen arus penguat
sefasa dengan
terbagi atas komponen rugi – rugi inti
dan komponen magnetisasi
yang
yang tertinggal 90° dari
Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya (
dan tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen (
.
rotor )
) adalah :
=
dimana
adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya
kali jumlah lilitan rotor.
Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing –
masing harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya dengan arus
pada rotor ekivalen adalah :
=
sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip
ekivalen dan impedansi bocor frekuensi slip
dari rotor
dari rotor sebenarnya adalah :
Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai
nilai yang referensinya ke stator.Selanjutnya persamaan dapat dituliskan :
Dimana :
= impedansi bocor rotor ( Ohm).
R2
= tahanan efektif referensi ( Ohm )
X2 = reaktansi bocor pada X2 ( Ohm ).
16
Universitas Sumatera Utara
Reaktansi yang didapat pada persamaan
dinyatakan dalam cara yang
demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip.Pada stator ada
gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron. Gelombang fluks ini akan
mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip sebesar
lawan stator
dan ggl
. 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:
=
=
=
Dari persamaan diatas dapat disubsitusikan untuk menyamakan E 1 dan E2s
dengan membagi E2s dengan slip.
Gambar 2.10 Rangkaian motor induksi
17
Universitas Sumatera Utara
Maka diperoleh rangkaian ekivalen mesin induksi seperti dibawah ini:
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen motor induksi
2.6 Aliran Daya pada Motor Induksi Lima Fasa
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 inti rotor
c. Rugi-rugi gesek dan angin
2. Rugi-rugi variabel, terdiri dari:
a. Rugi-rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL= 5I12R1
(2.14)
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
atau daya input rotor.
18
Universitas Sumatera Utara
Daya pada celah udara (PAG) dapat dirumuskan dengan :
PAG = Pin - PSCL – PCORE
(2.15)
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.
Perbandingan antara supply tiga fasa dengan sistem lima Fasa adalah
sebagaiberikut:
Motor Induksi 3 Fasa :
√
√
Motor Induksi 5 Fasa :
√
√
(2.16)
P = 5 VPh IPh cosØ
P = 4.25 VL IL cos Ø
(2.17)
19
Universitas Sumatera Utara
Perbandingan antara suplai tiga fasa dengan sistem lima fasa adalah sebagai
berikut:
P3Ø = √ VL IL Cos Ø
(2.18)
(2.19)
P5Ø = 4.255 VL IL Cos Ø
Perbandingan lima phasa dengan tiga fasa =
= 2.46
Maka, daya lima fasa lebih besar 2.46 kali daya tiga fasa. Gambar 2.12
menunjukkan aliran daya pada motor induksi lima fasa.
Gambar 2.12 Diagram aliran daya pada motor induksi lima fasa.
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)
20
Universitas Sumatera Utara
2.7 Torsi Motor Induksi
Kita tahu bahwa Torsi merupakan gaya yang digunakan untuk memikul
beban. Dari diagram aliran daya
motor induksi lima fasa sebelumnya dapat
diturunkan suatu rumusan umum untuk torsi motor induksi sebagai fungsi dari
kecepatan. Torsi motor induksi diberikan persamaan sebagai berikut :
T=
atau T =
Pout = T. n
(2.20)
;
=
(2.21)
T=
(2.22)
Dimana ;
T
= Torsi (N.m)
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 2.13
21
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 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
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.
22
Universitas Sumatera Utara
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.
2.8 Efisiensi Motor Induksi Lima Fasa
Efisiensi 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:
=
=
x 100
(2.23)
Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa efisiensi 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.
23
Universitas Sumatera Utara
Efisiensi 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 = 5Vph.Iph.cosφ – 5I12.R1
(2.24)
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.
2.9 Tegangan Jatuh (Voltage Regulation )
Tegangan jatuh secara umum adalah tegangan yang digunakan pada
beban.Tegangan jatuh ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui tahanan
kawat. Tegangan jatuh pada penghantar semakin besar apabila arus di dalam
penghantar semakin besar dan jika tahanan penghantar semakin besar pula.
Tegangan jatuh mengakibatkan terjadinya kerugian pada penghantar karena dapat
menurunkan tegangan pada beban, hingga berada di bawah tegangan nominal
yang dibutuhkan. Atas dasar hal tersebut maka tegangan jatuh yang diijinkan
untuk instalasi arus kuat hingga 1.000 V yang ditetapkan dalam persen dari
tegangan kerjanya.
(2.25)
24
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Vs = Tegangan ujung pengirim (volt)
Vr = Tegangan ujung penerima (volt)
Seperti kita ketahui PLN memproduksi tegangan listrik dengan nilai nominal
220/380 volt tiga fasa dan pada ferekuensi 50 Hz dalam bentuk gelombang sinus.
Besar tegangan listrik akan bebrbeda di setiap negara, sebagai contoh di Amerika
tegangan jala-jalanya 110/60 Hz dan lain sebagainya.
Secara umum ada tiga hal yang perlu dijaga kualitasnya dalam penyediaan
tenaga listrik :
1.
Frekuensi (50 Hz/ 60 Hz)
2.
Tegangan (220/380) volt
3.
Keandalan
5% - 10%
Dalam penyediaan tenaga listrik dilakukan penggolongan beban untuk
memenuhi keandalan dari system .Dengan bervariasinya karakteristik beban maka
perlu digolongkan berdasarkan faktor-faktor domain. Misalnya lingkungan. Pada
kenyataanya tegangan listrik produk PLN bukanlah tegangan sinus murni yang
berkualitassempurna.
25
Universitas Sumatera Utara