Analisis Pengaruh Hilangnya Suplai Satu Phasa Terhadap Temperatur Dan Kinerja Motor Induksi Tiga Phasa
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling luas
digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah
tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan
diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai
akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating
magnetic field) yang dihasilkan arus stator [1].
Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari
baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai
adalah motor induksi 3-fase dan motor induksi 1-fase. Motor induksi 3-fase
dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai
bidang industri dengan kapasitas yang besar. Motor induksi 1-fase dioperasikan
pada sistem tenaga 1-fase dan banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah
tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya
karena motor induksi 1-fase mempunyai daya keluaran yang rendah. Bentuk
gambaran motor induksi 3-fasa diperlihatkan padagambar 3.1.
a) Bentuk fisik
b) Motor induksi dilihat ke dalam
Gambar 2.1 Motor induksi 3-fasa
Universitas Sumatera Utara
2.2.
Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya mempunyai 3 bagian penting seperti yang di
perlihatkan pada gambar 3.3 sebagai berikut.
1.
Stator: Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang
dapatmenginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan rotornya.
2.
Celah: Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari startor
ke rotor.
3.
Rotor: Merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet
dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.
a) Stator dan rotor sangkar
b) Rotor belitan
Gambar 2.2 Bentuk konstruksi dari motor induksi
Diantara stator dan rotor terdapat celah udara yang merupakan ruangan
antara stator dan rotor. Pada celah udara ini lewat fluks induksi stator yang
memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor berputar. Celah udara
yang terdapat antara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan
hasil kerja motor yang optimum. Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu
besar akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak
5
Universitas Sumatera Utara
antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana bentuk alur / slot pada motor induksi
diperlihatkan pada gambar 2.3 dan gambaran sederhana penempatan stator dan
rotor pada motor induksi diperlihatkan pada gambar 2.4.
Gambar 2.3Gambaran sederhana bentuk alur / slot pada motor induksi
Gambar 2.4 Gambaran sederhana motor induksi dengan satu kumparan
stator dan satu kumparan rotor
Universitas Sumatera Utara
2.3.
Medan Putar
Perputaran motor pada arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan
putar (fluks yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan
putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak,
umumnya phasa tiga [1].
Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan 3 fasa, dengan beda
fasa masing-masing 1200 (Gambar 2.5a) dan dialiri arus bolak-balik. Distribusi
arus ia, ib, ic sebagai fungsi waktu adalah seperti gambar 2.5b. Pada keadaan t1, t2,
t3, dan t4 fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing-masing
adalah seperti Gambar 2.5.
Pada t1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks
yangdihasilkan oleh kumparan a – a; sedangkan pada t2, fluks resultannya
mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilakan oleh kumparan c – c;
dan untuk t3 fluks resultan mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan
oleh kumparan b – b. Untuk t4, fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks
resultan yang dihasilkan pada saat t1 keterangan ini akan lebih jelas pada analisa
vektor.
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5(a) Kumparan a-a; b-b; c-c dihubungkan 3 fasa
(b) Arus tiga phasa setimbang
(c) Medan putar pada motor induksi tiga phasa
Dari gambar diatas terlihat fluks resultan ini akan berputar satu kali. Oleh
karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron
dapat diturunkan sebagai berikut:
=
120
(2.1)
Dimana:
ns
= Kecepatan sinkron (Rpm)
f
= frekuensi ( Hz )
p
= jumlah kutub
2.4.
Slip
Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya
hal ini terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar.
Maka tidak akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang
mengalir pada rotor, dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan
rotor sekalipun tanpa beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron agar
Universitas Sumatera Utara
adanya tegangan induksi pada rotor, dan akan menghasilkan arus di rotor, arus
induksi ini akan berinteraksi dengan fluks listrik sehingga menghasilkan kopel.
Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip
dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan
sebagai persen dari kecepatan sinkron.
Slip s =
−
× 100%
(2.2)
Dimana: n r = n kecepatan rotor (RPM)
Persamaan (2.2) di atas memberikan imformasi yaitu:
1. Saat s = 1 dimana nr = 0, ini berati rotor masih dalam keadaan diam atau
akanberputar.
2. s = 0 menyatakan bahwa ns = nr, ini berarti rotor berputar sampai kecepatan
sinkron. Hal ini dapat terjadi jika ada arus dc yang diinjeksikan ke belitan
rotor, atau rotor digerakkan secara mekanik.
3. 0 < s < 1, ini berarti kecepatan rotor diantara keadaan diam dengan
kecepatan sinkron. Kecepatan rotor dalam keadaan inilah dikatakan
kecepatan tidak sinkron.
2.5.
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
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
9
Universitas Sumatera Utara
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 tiga phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang terhubung dengansumber
tegangan tiga phasa yang setimbang akan menghasilkan arus pada
tiapbelitanphasa arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik
yang berubah -ubah.
2. amplitudo fluksi
yang dihasilkan
berubah secara sinusoidal dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa
3. akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
�1 = −
�
�1 = 4.44
(2.3)
1�
(2.4)
4. Resultan dari ketiga fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medanputar
yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukanoleh
jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan:
=
120
(2.5)
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor.
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar
E2yangbesarnya
�2 = 4.44
Dimana:
2�
(2.6)
E2 = tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam(volt)
Universitas Sumatera Utara
N2 = jumlahlilitanrotor
Φm = fluksi maksimum(Wb)
6. karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2
7. adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F
padarotor
8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul
kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan
sinkron.
Perbedaan
kecepatan
medan
putar
stator
(ns)
dengan
kecepatanrotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:
=
−
� 100%
(2.7)
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi
pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.Tegangan
induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya:
�2 = 4.44
Dimana:
2�
(2.8)
E2s = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt)
f2
= sf = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam
keadaan berputar)
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel
11
Universitas Sumatera Utara
akandihasilkan jika nr
TINJAUAN PUSTAKA
2.1.
Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling luas
digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun rumah
tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan
diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai
akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating
magnetic field) yang dihasilkan arus stator [1].
Motor induksi sangat banyak digunakan di dalam kehidupan sehari-hari
baik di industri maupun di rumah tangga. Motor induksi yang umum dipakai
adalah motor induksi 3-fase dan motor induksi 1-fase. Motor induksi 3-fase
dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai
bidang industri dengan kapasitas yang besar. Motor induksi 1-fase dioperasikan
pada sistem tenaga 1-fase dan banyak digunakan terutama untuk peralatan rumah
tangga seperti kipas angin, lemari es, pompa air, mesin cuci dan sebagainya
karena motor induksi 1-fase mempunyai daya keluaran yang rendah. Bentuk
gambaran motor induksi 3-fasa diperlihatkan padagambar 3.1.
a) Bentuk fisik
b) Motor induksi dilihat ke dalam
Gambar 2.1 Motor induksi 3-fasa
Universitas Sumatera Utara
2.2.
Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya mempunyai 3 bagian penting seperti yang di
perlihatkan pada gambar 3.3 sebagai berikut.
1.
Stator: Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang
dapatmenginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan rotornya.
2.
Celah: Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari startor
ke rotor.
3.
Rotor: Merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi magnet
dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan rotor.
a) Stator dan rotor sangkar
b) Rotor belitan
Gambar 2.2 Bentuk konstruksi dari motor induksi
Diantara stator dan rotor terdapat celah udara yang merupakan ruangan
antara stator dan rotor. Pada celah udara ini lewat fluks induksi stator yang
memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor berputar. Celah udara
yang terdapat antara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan
hasil kerja motor yang optimum. Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu
besar akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak
5
Universitas Sumatera Utara
antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada
mesin. Bentuk gambaran sederhana bentuk alur / slot pada motor induksi
diperlihatkan pada gambar 2.3 dan gambaran sederhana penempatan stator dan
rotor pada motor induksi diperlihatkan pada gambar 2.4.
Gambar 2.3Gambaran sederhana bentuk alur / slot pada motor induksi
Gambar 2.4 Gambaran sederhana motor induksi dengan satu kumparan
stator dan satu kumparan rotor
Universitas Sumatera Utara
2.3.
Medan Putar
Perputaran motor pada arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan
putar (fluks yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan
putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak,
umumnya phasa tiga [1].
Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan 3 fasa, dengan beda
fasa masing-masing 1200 (Gambar 2.5a) dan dialiri arus bolak-balik. Distribusi
arus ia, ib, ic sebagai fungsi waktu adalah seperti gambar 2.5b. Pada keadaan t1, t2,
t3, dan t4 fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing-masing
adalah seperti Gambar 2.5.
Pada t1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks
yangdihasilkan oleh kumparan a – a; sedangkan pada t2, fluks resultannya
mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilakan oleh kumparan c – c;
dan untuk t3 fluks resultan mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan
oleh kumparan b – b. Untuk t4, fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks
resultan yang dihasilkan pada saat t1 keterangan ini akan lebih jelas pada analisa
vektor.
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.5(a) Kumparan a-a; b-b; c-c dihubungkan 3 fasa
(b) Arus tiga phasa setimbang
(c) Medan putar pada motor induksi tiga phasa
Dari gambar diatas terlihat fluks resultan ini akan berputar satu kali. Oleh
karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron
dapat diturunkan sebagai berikut:
=
120
(2.1)
Dimana:
ns
= Kecepatan sinkron (Rpm)
f
= frekuensi ( Hz )
p
= jumlah kutub
2.4.
Slip
Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya
hal ini terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar.
Maka tidak akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang
mengalir pada rotor, dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan
rotor sekalipun tanpa beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron agar
Universitas Sumatera Utara
adanya tegangan induksi pada rotor, dan akan menghasilkan arus di rotor, arus
induksi ini akan berinteraksi dengan fluks listrik sehingga menghasilkan kopel.
Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip
dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan
sebagai persen dari kecepatan sinkron.
Slip s =
−
× 100%
(2.2)
Dimana: n r = n kecepatan rotor (RPM)
Persamaan (2.2) di atas memberikan imformasi yaitu:
1. Saat s = 1 dimana nr = 0, ini berati rotor masih dalam keadaan diam atau
akanberputar.
2. s = 0 menyatakan bahwa ns = nr, ini berarti rotor berputar sampai kecepatan
sinkron. Hal ini dapat terjadi jika ada arus dc yang diinjeksikan ke belitan
rotor, atau rotor digerakkan secara mekanik.
3. 0 < s < 1, ini berarti kecepatan rotor diantara keadaan diam dengan
kecepatan sinkron. Kecepatan rotor dalam keadaan inilah dikatakan
kecepatan tidak sinkron.
2.5.
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
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
9
Universitas Sumatera Utara
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 tiga phasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang terhubung dengansumber
tegangan tiga phasa yang setimbang akan menghasilkan arus pada
tiapbelitanphasa arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik
yang berubah -ubah.
2. amplitudo fluksi
yang dihasilkan
berubah secara sinusoidal dan
arahnyategak lurus terhadap belitanphasa
3. akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :
�1 = −
�
�1 = 4.44
(2.3)
1�
(2.4)
4. Resultan dari ketiga fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medanputar
yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukanoleh
jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan:
=
120
(2.5)
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor.
Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar
E2yangbesarnya
�2 = 4.44
Dimana:
2�
(2.6)
E2 = tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam(volt)
Universitas Sumatera Utara
N2 = jumlahlilitanrotor
Φm = fluksi maksimum(Wb)
6. karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebutakan menghasilkan arusI2
7. adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F
padarotor
8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul
kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan
sinkron.
Perbedaan
kecepatan
medan
putar
stator
(ns)
dengan
kecepatanrotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:
=
−
� 100%
(2.7)
10. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi
pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.Tegangan
induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya:
�2 = 4.44
Dimana:
2�
(2.8)
E2s = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt)
f2
= sf = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam
keadaan berputar)
11. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel
11
Universitas Sumatera Utara
akandihasilkan jika nr