09E00068
TUGAS AKHIR
PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
SEBAGAI GENERATOR (MISG) PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN
O
L
E
H
RUDIANTO SINAGA
NIM : 03 0402 075
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ABSTRAK
Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering dipakai
di dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai motor penggerak motor
induksi bisa juga dipakai sebagai generator, baik itu generator berkapasitas daya
besar maupun daya kecil. Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan
generator induksi, hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over
sebagai generator pada umumnya membangkitkan tenaga listrik dan harus
memiliki slip negative artinya nr>ns. Jadi perputaran rotor diputar sedemikian
rupa sehingga mendahului perputaran medan magnetnya. Perputaran medan
magnet ini timbul karena adanya arus magnetisasi yang diberikan jala-jala kepada
kumparan stator. Oleh karena itu maka motor induksi dapat dioperasikan sebagai
generator induksi (MISG).
Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) banyak diterapkan di pada
Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMh). Digunakannya generator
induksi dikarenakan harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia
di pasaran. Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan
keluaran yang sangat terpengaruh beban. Oleh karena itu perlu dilakukan
pengendalian tegangan agar tetap setimbang pada setiap penambahan beban
sesuai dengan tegangan yang diijinkan. Salah satu caranya adalah membuat
tahanan penyeimbang. Tahanan penyeimbang ini dapat berupa tahanan variable
yang dipasang secara paralel terhadap beban yang dapat distel setiap perubahan
beban tersebut.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR
Pertama - tama, penulis ingin sekali berterima kasih kepada Tuhan Yesus,
yang oleh karena kasihNya , penulis masih dimampukan menyelesaikan tugas
akhir ini.
Adapun tugas akhir ini berjudul “Pengendalian Tegangan Motor Induksi
Tiga Phasa Pada Setiap Perubahan Beban ”, yang disusun dan diajukan sebagai
salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro.
Sebagai manusia, penyusun menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih
jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penyusun berharap kekurangan –
kekurangan tersebut dapat dimaklumi.
Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak.
Maka dalam kesempatan ini, penyusun juga ingin berterima kasih kepada :
1. Kedua orang tua saya (T. Sinaga dan R. Pandiangan), Abang-abang dan
adik – adikku, yang selalu memperhatikanku dan yang terbanyak
memberiku motivasi, sehingga Tugas Akhir ini masih dapat diselesaikan.
2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku dosen pembimbing tugas akhir
yang telah banyak memberikan sumbangan ilmu dan waktunya.
3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmat Fauzi ST, MT selaku
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.
4. Bapak Arman Sani ST,MT selaku dosen wali
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
5. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku Kepala Laboratorium Mesin – Mesin
Listrik
6. Seluruh staff pengajar / dosen departemen Teknik Elektro FT. USU
7. Seluruh staff tata usaha departemen Teknik Elektro FT. USU
8. Saudara Eko (asisten laboratorium mesin – mesin listrik) yang telah
banyak meluangkan waktunya saat penyusun melakukan riset
9. Teman – teman nongkrong bareng : Eno , Juni, Olo P ,Irwan, Buhari,
Hotdes, Bobie, Henrie, Bennie, EllriZone, Heatbean,Wiswa, Mualim,
Jamil, Emil, Ardie, Ronald Boya, Jimmi dan teman – teman ’03 yang
nama – namanya tak dapat disebutkan satu persatu yang solid selama ini.
10. Teman – teman ’04, ’05, ’06, yang namanya tak dapat disebutkan satu
persatu yang telah banyak memberi dorongan semangat pada penulis
selama pengerjaan tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan karya ilmiah ini masih belum sempurna.
Oleh karena penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang
bisa membangun tugas akhir ini menjadi lebih baik lagi. Akhirnya penulis
berharap bahwa karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Medan, 14 Juni 2008
Rudianto Sinaga
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ABSTRAK
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Tujuan Penulisan………………………………………………… 2
1.3 Manfaat Penulisan.......................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah............................................................................. 2
1.5 Metode Penulisan........................................................................... 4
1.6 Sistematika Penulisan..................................................................... 5
II.
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
2.1 Umum…………………………………………………………… 7
2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa..............................................7
2.3 Medan Putar……………………………………………………….9
2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa..............................13
2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa………………….....18
2.6 Torsi Motor Induksi Tiga Phasa………………………………… 20
2.7 Torsi Maksimum Motor Induksi Tiga Phasa…………………… 26
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.8 Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa……………………………....29
2.9 Disain motor induksi………………………………………………30
2.10 Penentuan parameter motor induksi……………………………... .32
III.
MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR
3.1 Umum……………………………………………………………. 38
3.2 Syarat-syarat Motor Induksi Tiga Phasa sebagi Generator…… 43
3.3 Prinsip kerja Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator…….. 44
3.4 Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator…………………. 47
IV.
PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN PADA
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR
4.1 Umum…………………………………………………………….49
4.2 Peralatan Yang Digunakan.............................................................49
4.3 Penentuan besar kapasitor…………………………………………51
4.4 Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Pada
Setiap Perubahan Beban Dengan Pengendali dan tanpa Pengendali
Tegangan……………………………………………………………54
4.5 Analisa pengendalian tegangan Motor Induksi
Tiga Phasa Sebagai Generator……………………………………..57
V.
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan...................................................................................... 63
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
5. 2 Saran................................................................................................ 64
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................................65
LAMPIRAN…………………………………………………………….........66
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
DAFTAR GAMBAR
2.1 Konstruksi stator motor
induksi………..………………….……………………..…..8
2.2 Konstruksi rotor motor
sangkar……………………….……………………………....8
2.3 Konstruksi rotor motor
belitan……………………..…………………………………..9
2.4 Diagram phasor fluksi tiga phasa
setimbang…….……………………………..10
2.5 Grafik arus tiga phasa
setimbang……………………….………………….………..10
2.6 Medan putar pada motor induksi tiga
phasa……….…………….……………10
2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model
transformator…....14
2.8 Model rangkaian rotor motor
induksi………………………………...……….….16
2.9 Rangkaian ekivalen perphasa motor
induksi……………………….…...……..16
2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan
rugi-rugi
rotor……………………………………………………………………
..…………17
2.12 Diagram aliran daya pada motor
induksi……………………………….………..20
2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian
input…………….……..21
2.14 Impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian
input……………..…..22
2.15 Rangkaian ekivalen Thevenin motor
induksi…………………………….…….23
2.16 Karakteristik torsi-slip pada motor
induksi………………………………….....24
2.17 Karakteristik torsi-putaran motor induksi pada berbagai daerah
Operasi…………………………………………………………
…………………….………..25
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.18 Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai
desain…30
2.19 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban
nol…………34
2.20 Rangkaian pengukuran untuk test
dc……………………………………………...35
2.21 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor
test……...35
3.1 Prinsip kerja motor induksi sebagai
generator………………………………..44
3.2 Karakteristik torsi-kecepatan motor-generator
induksi…………………..45
3.3 Untaian dasar pengendali
tegangan…………………………………………………47
4.1 Rangkaian percobaan motor induksi sebagai
generator…………………..53
4.2 Rangkaian percobaan dengan menggunakan
pengendali…………………55
4.3 Grafik karakteristik Pbeban tehadap tegangan dengan
menggunakan
Pengendali………………………………………………………
…………………………….59
4.4 Grafik karakteristik Pbeban dengan tegangan tanpa
pengendali…….63
DAFTAR TABEL
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
1. Distribusi reaktansi x1 dan x2 pada berbagai desain motor
induksi…………………………………………………………
…………………….…37
2. Data percobaan motor induksi sebagai
generator………………………………………………………
……………………..55
3. Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan
menggunakan
pengendal……………………………….………………….…5
7
4. Data percobaan motor induksi sebagai generator tanpa
menggunakan
pengendali…………………………………………………….5
8
5. Data effisiensi terhadap perubahan daya pada motor induksi
sebagai generator tanpa
pengendali………………………………………62
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Semakin terbatasnya bahan bakar pembangkit listrik konvensional
membuat krisis listrik makin larut berkepanjangan pada masa kini, maka salah
satu cara untuk mengantisipasi hal ini adalah mencari sumber listrik alternatif
untuk menggantikannya yaitu dengan cara menggunakan pembangkit yang dapat
diperbaharui. Salah satunya adalah dengan menggunakan pembangkit listrik
tenaga mikrohidro. Generator yang dipakai adalah Motor Induksi Sebagai
Generator (MISG). Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai
generator satu phasa maupun tiga phasa.
Motor induksi merupakan motor yang banyak digunakan baik di industri
rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan konstruksi motor
induksi yang kuat, sederhana serta tidak membutuhkan perawatan yang sangat
banyak.
Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan
cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan putaran sinkronnya dan atau
mesin bekerja pada slip negatip (sns
ns
Dimana s: slip
ns: Kecepatan medan putar, rpm
nr: Kecepatan putar rotor, rpm
Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan keluaran
yang sangat terpengaruh beban, oleh karena itu maka diperlukan suatu
pengaturan tegangan sehingga perubahan tegangan tidak sampai mengganggu
kontinuitas penyaluran daya oleh Motor Induksi Sebagai Generator (MISG)
tersebut.
1.2
TUJUAN PENULIS
Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah:
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
1. Mengetahui pengaruh penambahan beban terhadap tegangan pada Motor
Induksi Sebagai Generator dengan pengendali dan tanpa pengendali.
2. Membuat kendali tegangan menggunakan
kontaktor dan beban
penyeimbang, sehingga tegangan yang dihasilkan berkisar 198-231 Volt
pada setiap penambahan beban.
1.3
MANFAAT PENULISAN
1. Memberikan informasi kepada penulis dan pembaca mengenai pengaruh
penambahan beban terhadap tegangan tanpa pengendali dan dengan
pengendali.
2. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada Motor Induksi
Sebagai Generator untuk membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan.
3. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik.
1.4
BATASAN MASALAH
Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan
membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut:
1. Tidak membahas masalah yang timbul saat terjadi hubung singkat.
2. Tidak membahas tentang system proteksi.
3. Membahas pembuatan kendali tegangan dengan teknologi sederhana yaitu
dengan menggunakan kontaktor dan beban penyeimbang dan tidak
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
membahas tentang sensor tegangan dengan teknologi tidak sederhana
seperti Induction Generator Controller (IGC).
4. Tidak membahas hubungan interkoneksi dengan jaringan/ system
5. Tidak membahas perubahan tegangan akibat gangguan pada system
6. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia data di laboratorium
konversi energi listrik.
7. Membahas sekitar karakteristik pembebanan bersifat resistif dan tidak
sampai pembebanan induktif dan kapasitif.
1.5
METODE PENULISAN
Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks
pendukung.
2. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai
masalah-masalah yang timbul selama penulisan tugas akhir.
3. Studi laboratorium, melakukan percobaan untuk mendapatkan data-data
yang diperlukan.
1.6
SISTEMATIKA PENULISAN
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis
menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini memuat latar belakang masalah, tujuan penulisan,
manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan
sistematika penulisan.
BAB II
: MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Bab ini membahas konstruksi motor induksi tiga phasa, medan
putar, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, rangkaian ekivalen
motor induksi tiga phasa, aliran daya pada motor induksi tiga
phasa, torsi motor induksi tiga phasa, dan effisiensi motor
induksi tiga phasa
BAB III
: MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR (MISG)
Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator,
syarat-syarat yang harus dipenuhi sebagai Motor Induksi
Sebagai Generator (MISG).
BAB IV
: PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR
INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR PADA
SETIAP PERUBAHAN BEBAN
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Bab ini berisi percobaan-percobaan yang akan dilakukan untuk
melihat pengaruh perubahan beban serta analisa terhadap
perubahan tegangan pada motor
induksi sebagai generator
induksi baik itu dengan pengendali maupun tanpa pengendali
BAB V
: PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian
ataupun analisis data - data yang telah diperoleh.
BAB II
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
2.1
UMUM
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
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, sementara pada motor DC
hal yang sama tidak dijumpai.
2.2
KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
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 bersama – sama untuk membentuk inti stator
dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil ) dari
konduktor – konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan ke dalam slot –
slot tersebut. Sehingga grup dari kumparan ini beserta dengan inti yang
mengelilinginya membentuk rangkaian elektromagnetik. Banyaknya jumlah
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
kutub dari motor induksi tergantung pada hubungan internal dari belitan stator,
yang mana bila belitan ini disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa maka
akan membangkitkan medan putar.
a) penampang inti stator
Gambar 2.1
b) Stator motor induksi
Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu
rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). 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 shorting rings.
Gambar 2.2
a) Rotor Sangkar
b) Motor induksi rotor sangkar
Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan
tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga
phasa dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor
induksi rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan
tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam
memodifikasi karakteristik torsi – kecepatan dari motor.
Gambar 2.3
a) Rotor belitan
2.3
b) motor induksi rotor belitan
MEDAN PUTAR
Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan
magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutub –
kutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah –
ubah mengelilingi stator. Adapun magnitud dari medan putar ini selalu tetap
yaitu sebesar 1.5 Φm dimana Φm adalah fluks yang diebabkan suatu phasa.
Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat
diambil contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana
ke-tiga phasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus
pada phasa ini ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT, maka fluks yang dihasilkan oleh
arus – arus ini adalah :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ΦR
= Φm sin ωt
ΦS
= Φm sin (ωt – 120o )......................( 2.1b )
ΦT
= Φm sin (ωt – 240o )......................( 2.1c )
φ
φ1
φ2
.............................( 2.1a )
φ3
ωt
Gambar 2.5
Fluksi tiga phasa setimbang
Gambar 2.4
diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang
i
iii
ii
iv
Gambar 2.6
Medan putar pada motor induksi tiga phasa
(i)
Pada keadaan 1 ( gambar2.6 ), ωt = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol
sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan
arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari
konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φm
dan dibuktikan sebagai berikut :
ΦR = 0 ; ΦS = Φm sin ( -120o ) = −
ΦT = Φm sin ( -240o ) =
3
Φm ;
2
3
Φm
2
Oleh karena itu resultan fluks, Φr adalah jumlah phasor dari ΦT dan – ΦS
Sehinngga resultan fluks, Φr = 2 x
( ii )
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S,
sedangkan pada R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum pada phasa R dan phasa T,
dan pada saat ini ωt = 30o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing –
masing phasa :
ΦR = Φm sin ( -120o ) = 0,5 Φm
ΦS = Φm sin ( -90o ) = - Φm
ΦT = Φm sin (-210o) = 0,5 Φm
Maka jumlah phasor ΦR dan - ΦT adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 30o dari posisi pertama.
( iii )
Pada keadaan ini ωt = 60o, arus pada phasa R dan phasa T memiliki
besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φm ), oleh karena itu fluks
yang diberikan oleh masing – masing phasa :
ΦR = Φm sin ( 60o )
=
3
Φm
2
ΦS = Φm sin ( -60o ) = −
3
Φm
2
ΦT = Φm sin ( -180o ) = 0
Maka magnitud dari fluks resultan : Φr = 2 x
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 60o dari posisi pertama.
( iv )
Pada keadaan ini ωt = 90o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan
arus pada phasa S dan phasa T = 0,5 Φm , oleh karena itu fluks yang diberikan
oleh masing – masing phasa
ΦR = Φm sin ( 90o ) = Φm
ΦS = Φm sin ( -30o ) = - 0,5 Φm
ΦT = Φm sin (-150o) = - 0,5 Φm
Maka jumlah phasor - ΦT dan – ΦS adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 90o dari posisi pertama.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.4
RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Operasi dari motor induksi tergantung pada induksi arus dan tegangan
di dalam rangkaian rotor yang berasal dari rangkaian stator karena adanya aksi
transformator. Karena induksi arus dan tegangan pada motor induksi pada
dasarnya sama dengan operasi transformator, maka rangkaian ekivalen motor
induksi akan sangat menyerupai rangkaian ekivalen dari transformator. Motor
induksi disebut juga sebagai singly excited machine, sebab daya hanya disuplai
dari rangkaian stator. Karena motor induksi tidak memiliki rangkaian medan,
maka pada modelnya tidak akan terdapat sumber tegangan internal EA
sebagaimana dijumpai pada mesin sinkron.
Rangkaian ekivalen per phasa dari transformator dapat menggantikan
operasi dari motor induksi. Sebagaimana halnya pada transformator, maka akan
terdapat tahanan (R1) dan induktansi sendiri (X1) pada belitan stator yang
direpresentasikan dalam rangkaian ekivalen mesin.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator
Tegangan stator E1 dikopel terhadap sisi sekunder ER sebagaimana
halnya transformator ideal dengan rasio belitan effektif aeff. Rasio belitan ini
dengan mudah dapat ditentukan pada motor induksi rotor belitan, yang mana
pada dasarnya rasio ini merupakan banyaknya konduktor per phasa pada stator
terhadap jumlah konduktor per phasa pada rotor. Akan tetapi tidak demikian
halnya pada motor induksi sangkar tupai, karena tidak terdapatnya belitan pada
rotor motor tersebut.
Tegangan ER pada rotor akan menghasilkan arus, karena rangkaian
rotornya terhubung singkat.
Impedansi rangkaian primer dan arus magnitisasi dari motor induksi
sama halnya dengan komponen - komponen yang dijumpai pada transformator.
Hal
yang membedakan rangkaian ekivalen tersebut pada motor induksi
dikarenakan terdapatnya variasi frekuensi pada tegangan rotor (ER), impedansi
rotor RR dan jXR.
Ketika tegangan diberikan pada belitan stator, maka tegangan akan
diinduksikan pada belitan rotornya. Pada umumnya, gerak relatif yang lebih besar
di antara rotor dan medan putar stator, akan menghasilkan tegangan dan frekuensi
rotor yang lebih besar juga. Gerak relatif yang terbesar terjadi saat rotor dalam
keadaaan diam atau disebut juga dalam keadaan blocked rotor. Sebaliknya,
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
frekuensi dan tegangan terendah timbul saat rotor berputar pada kecepatan yang
sama dengan kecepatan sinkron, sehingga tidak terdapat pergerakan relatif.
Magnitud dan frekuensi tegangan induksi rotor pada saat berputar sebanding
dengan slip dari rotornya. Sehingga, besarnya tegangan induksi rotor dalam
kondisi rotor terkunci disebut ERO, sedangkan untuk slip pada suatu putaran
tertentu dirumuskan dengan:
ER = sERO............................................................(2.8)
Dan frekuensi tegangan induksi pada slip tertentu :
fr = sfe..................................................................(2.9)
Tahanan dari rotor RR bernilai konstan/ tidak tergantung pada slip,
sementara itu pada reaktansi rotor besarnya akan dipengaruhi oleh slip.
Reaktansi dari rotor tergangtung pada induktansi rotor, frekuensi tegangan
rotor dan arus pada rotor. Bila induktansi rotor LR, maka reaktansi rotor adalah :
XR = ωr LR = 2 π fr LR : fr = sfe
Sehingga
XR = 2 π sfe LR
= s(2 π sfe LR)
= sXRO.........................................................................(2.10)
LR = induktansi rotor
XRO = reaktansi blok rotor.
Rangkaian ekivalen rotor dapat dilihat pada gambar 2.8 :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.8 model rangkaian rotor motor induksi
Dari gambar 2.8 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai :
IR =
IR =
IR =
ER
RR + jX R
..........................................(2.11)
ER
RR + jsX RO
..........................................(2.12)
E RO
RR / s + jX RO
..........................................(2.13)
IR = arus rotor ( A )
ER = tegangan induksi pada rotor ( V )
RR = tahanan rotor ( Ώ )
XR = reaktansi rotor ( Ώ )
Untuk mempermudah penganalisaan, maka rangkaian ekivalen motor induksi
pada gambar 2.8 dapat dilihat dari sisi stator, seperti gambar 2.9 :
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen per phasa motor induksi
Seperti halnya pada transformator, tegangan, arus, dan impedansi sisi
sekunder dapat digantikan ke sisi primer sesuai dengan rasio belitannya, sehingga
hal yang sama juga berlaku untuk untuk motor induksi.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Vp = Vs = a Vs ........................................................(2.14)
Ip = I’s = Is/a............................................................(2.15)
Z’s = a2Zs.................................................................(2.16)
Secara eksak urutan transformasi yang sama dapat dilakukan untuk rangkaian
rotor motor induksi. Jika rasio belitan effektif dari motor induksi adalah aeff,
kemudian tegangan rotor ditransformasikan menjadi:
E1 = E’R = aeff ERO..............................................................(2.18)
Arus rotor menjadi: I2 = IR/ aeff..........................................(2.19)
Dan impedansi rotor menjadi
Z2 = a2eff (RR/s + jXRO).......................................................(2.20)
Atau dapat juga didefenisikan dengan :
R2 = a2eff RR....................................................................... (2.21)
X2 = a2eff XRO.................................................................... (2.22)
Apabila rugi – rugi tembaga dipisahkan dengan besarnya daya yang
dikonversikan menjadi daya mekanik, maka rangkaian ekivalennya adalah seperti
pada gambar 2.10
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi – rugi rotor
Dalam
teori
transformator,
analisa
rangkaian
ekivalen
sering
disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan
memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena
adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi yang sangat
besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian
ekivalen RC dapat diabaikan.
2.5
ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA 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 :
rugi – rugi inti stator (PCORE)
PCORE = 3 E12GC......................................................(2.23)
rugi – rugi gesek dan angin
2. rugi – rugi variabel, terdiri dari :
rugi – rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL = 3 I12 R1..........................................................(2.24)
rugi – rugi tembaga rotor ( PRCL)
PRCL = 3 I22 R2..........................................................(2.25)
Daya pada celah udara (PAG)dapat dirumuskan dengan :
PAG = Pin – PSCL - PCORE...........................................(2.26)
Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen
yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2/s. Oleh karena itu
daya pada celah udara dapat juga ditulis dengan :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
PAG = 3I 2
2
R2
.........................................................(2.27)
s
Apabila rugi – rugi tembaga dan rugi – rugi inti dikurangi dengan daya input
motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya
mekanik.
Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah:
1 − s
2
Pconv = 3 I 2 R 2
s
.........................................(2.28)
Dari persamaan 2.25 dan 2.27 dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga
dengan daya pada celah udara :
PRCL = s PAG ....................................................................(2.29)
Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya
pada celah udara dikurangi dengan rugi – rugi tembaga rotor, maka daya mekanik
dapat juga ditulis dengan :
Pconv = (1 – s ) PAG..........................................................(2.30)
Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya
mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin. Gambar 2.12
menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.12
Diagaram aliran daya pada motor induksi
2.6
TORSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Dari rangkaian ekivalen dan diagram aliran daya motor induksi tiga phasa
yang telah diperoleh sebelumnya dapat diturunkan suatu rumusan unum untuk
torsi induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor induksi diberikan oleh
persamaan:
τind =
Pconv
..........................................................(2.31)
ωm
τind =
PAG
..........................................................(2.32)
ωsync
Persamaan yang terakhir di atas sangat berguna, karena kecepatan sinkron
selalu bernilai konstan untuk tiap – tiap frekuensi dan jumlah kutub yang
diberikan motor. Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah
udara akan menentukan besar torsi induksi pada motor.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Meskipun terdapat berbagai cara menyelesaikan rangkaian seperti gambar
2.11, untuk menentukan besarnya arus I2, kemungkinan penyelesaian yang paling
mudah dapat dilakukan dengan menentukan rangkaian ekivalen Thevenin dari
gambar tersebut.
Agar dapat menghitung ekivalen Thevenin dari sisi input rangkaian
ekivalen motor induksi, pertama – tama terminal X’s dihubung buka (open circuit ), kemudian tegangan open circuit di terminal tersebut ditentukan. Untuk
menentukan impedansi Thevenin, maka tegangan phasa dihubung singkat ( short
– circuit ) dan Zeq ditentukan dengan melihat ke dalam sisi terminal.
Gambar 2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input
Dari gambar 2.13 ditunjukkan bahwa terminal di open – circuit untuk
mendapatkan tegangan ekivalen Thevenin. Oleh karena itu dengan aturan
pembagi tegangan diperoleh :
VTH = VΦ
ZM
Z M + Z1
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
= VΦ
jX M
R 1 + jX1 + jX M
Magnitud dari tegangan Thevenin VTH adalah :
VTH = VΦ
R1 + ( X 1 + X M )
XM
2
................................(2.33)
2
Karena reaktansi magnetisasi XM >> X1 dan XM >> R1, harga pendekatan dari
magnitud tegangan ekivalen Thevenin :
XM
VTH ≈ VΦ X . + X ..........................................................(2.34)
1
M
Gambar 2.14 menunjukkan tegangan input dihubung singkat. Impedansi
ekivalen Thevenin dibentuk oleh impedansi paralel yang terdapat pada rangkaian.
Gambar 2.14 impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input
Impedansi Thevenin ZTH diberikan oleh :
ZTH =
Z1 Z M
Z1 + Z M
ZTH = RTH + jXTH =
jX M (R 1 + jX1 )
...............................(2.35)
R 1 + j(X1 + X M )
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Karena XM >> X1 dan XM + X1 >> R1, tahanan dan reaktansi Thevenin secara
pendekatan diberikan oleh :
RTH ≈ R1
XTH ≈ X1
Gambar di bawah menunjukkan rangkaian ekivalen Thevenin :
Gambar 2.15 rangkaian ekivalen Thevenin motor induksi
Dari gambar di atas arus I2 diberikan oleh :
I2 =
VTH
VTH
; I2 =
Z TH + Z 2
R TH + R 2 / s + jX TH + jX 2
Magnitud dari arus
I2 =
(R TH + R 2 / s )
+ (X TH + X1 )
VTH
2
2
.............................................(2.36)
Daya pada celah udara diberikan oleh :
PAG = 3 I22
[
]
3V TH R 2 / s
R2
; PAG =
..................(2.37)
s
(R TH + R 2 )2 + (X TH + X 2 )2
2
Sedangkan torsi induksi pada rotor
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
P
τind = AG
ωsync
; τind =
[
ωsync (R TH + R 2 ) + (X TH + X 2 )
3V 2 TH R 2 / s
2
2
]..............(2.38)
Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan
pada gambar 2.16
Gambar 2.16
Karakteristik torsi – slip pada motor induksi
Sedangkan kurva torsi - kecepatan motor induksi yang menunjukkan
kecepatan di luar daerah operasi normal ditunjukkan pada gambar 2.17
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.17
Karakteristik torsi – putaran pada motor induksi
pada berbagai daerah operasi
Dari kedua kurva karakteristik torsi motor induksi di atas dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron
2. kurva torsi – kecepatan mendekati linear di antara 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 dengan pull – out torque atau break down torque,
yang besarnya 2 – 3 kali torsi beban penuh dari motor.
4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar daripada torsi beban penuhnya,
oleh karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang
dapat disuplai pada daya penuh.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
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 di dalam mesin menjadi terbalik dan
mesin akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya
mekanik menjadi daya elektrik.
7. jika motor induksi bergerak mundur relatif arah dari 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 penyaklaran 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 plugging.
2.8
TORSI MAKSIMUM MOTOR INDUKSI
Karena torsi induksi bernilai τind = PAG/ωsync, maka torsi maksimum
yang mungkin terbentuk jika daya pada celah udara maksimum. Karena daya
pada celah udara sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor R2/s, torsi
induksi akan maksimum ketika daya yang dikonsumsi oleh resistor maksimum.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Transfer daya terhadap resistor R2/s akan maksimum jika magnitud dari
impedansi sama dengan magnitud dari impedansi sumber. Dari rangkaian
ekivalen Thevenin impedansi sumber dari rangkaian :
Zsource = RTH + jXTH + jX2......................................................(2.39)
Oleh karena itu transfer daya maksimum adalah :
R2
=
s
R 2TH + ( X TH + X 2 )
.........................................(2.40)
2
atau slip pada saat torsi maksimum ;
+ ( X TH + X 2 )
R2
smaks =
R
2
TH
..........................................(2.41)
2
Oleh karena itu slip dari rotor saat torsi maksimum secara langsung sebanding
dengan tahanan rotor. Sedangkan torsi maksimum dapat ditentukan sebagai
berikut :
τ max =
2ω sync RTH +
+ ( X TH + X 2 )
3V 2TH
R
2
TH
2
……….......(2.42)
Atau dengan secara rumus torsi maksimum dapat diturunkan sebagai berikut,
T=
Pm
ωr
Dengan : ωr = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor.
Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula:
ωr = ωs (1-s).....................................................................................(2.43)
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (dengan memperrhatikan
gambar 2.9) akan diperoleh sebagai berikut.
Tg =
[
2
ω s r2 + ( sX 2 )
1
sE 2 r2
2
2
]
=
sα
k ..........................................(2.44)
s +α 2
2
Dimana:
2
k=
E2
ω 2 x2
α=
r2
x2
Ttorsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan
memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (2.44). Selanjutnya dengan
memperhatikan persamaan 2.30, torsi mekanik yang bermanfaat untuk memutar
rotor menjadi:
Tm =
ωs
1
Pm = Pg (1 − s ) =
sα (1 − s )
k …………………………………...(2.45)
s2 + α 2
Torsi maksimum dicapai pada
dT
= 0 , maka dari persamaan (2.44), maka
ds
diperoleh:
dT
= α (s2 + α2) – s.α (2s) = 0
ds
s2 + α2 – 2 s2 = 0
s2
s
= α2
= ± α…………………………………………………..(2.46)
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (Tmx) sebesar:
Tmx =
kα 2
= 1 / 2k ………………………….…….……….....(2.47)
2α 2
Torsi maksimum (1/2k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin bertindak
sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai generator
induksi).
2.8
EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Effisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan 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
Pout
x 100%
=
Pin
Pout + losses + PROT
...........................(2.48)
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 tdk dapat diabaikan sekalipun motor
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan yang dapat digunakan untuk
motor tiga phasa ini adalah :
Prot = 3 Vl I1 cos θ − 3I1 R 1 .........................................................(2.49)
2
Dari ke dua rumus di atas 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.
Dari pengujian hubung singkat akan dihasilkan parameter rotor. Daya
total yang dialirkan ke motor sewaktu tegangan dikurangi selama pengujian ini,
didissipasikan dalam rugi – rugi tembaga stator dan rugi – rugi tembaga rotor.
2.9
DISAIN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke
dalam empat kelas yakni disain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya
dapat dilihat pada gambar 2.18.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.18
Karakteristik torsi kecepatan motor induksi
Pada berbagai disain
Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai
ratingnya) danarus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan
yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu
menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat.
Slip < = 5%
Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran.
Motor ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A,
akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked
rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam
aplikasi industri. Slip motor ini
< =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya
pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang
paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan,
dan peralatan – peralatan mesin.
Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari
dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban – beban
seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi
dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah
besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %
Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan
beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi ( 5 -13 % ),
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan
perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya :
elevator, crane, dan ekstraktor.
2.10
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.
2.11.1 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
tiga 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
sebagaimanamestinya. 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 rugi-rugi yang
ada di stator. 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
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi
rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :
PROT = Pnl – 3 I2nl R1..........................................................(2.50)
Dimana Pnl
= daya input tiga phasa
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...............................................................(2.51)
Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur
pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga phasa yang terhubung Y besarnya
impedansi tanpa beban Znl/ phasa :
Znl =
Vnl
....................................................................(2.52)
3 I nl
Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :
Rnl =
Pnl
....................................
PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
SEBAGAI GENERATOR (MISG) PADA SETIAP PERUBAHAN BEBAN
O
L
E
H
RUDIANTO SINAGA
NIM : 03 0402 075
DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2008
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ABSTRAK
Motor induksi merupakan salah satu penggerak yang paling sering dipakai
di dalam aplikasi industri. Disamping fungsinya sebagai motor penggerak motor
induksi bisa juga dipakai sebagai generator, baik itu generator berkapasitas daya
besar maupun daya kecil. Secara umum konstruksi motor induksi sama dengan
generator induksi, hanya saja generator induksi memerlukan adanya prime over
sebagai generator pada umumnya membangkitkan tenaga listrik dan harus
memiliki slip negative artinya nr>ns. Jadi perputaran rotor diputar sedemikian
rupa sehingga mendahului perputaran medan magnetnya. Perputaran medan
magnet ini timbul karena adanya arus magnetisasi yang diberikan jala-jala kepada
kumparan stator. Oleh karena itu maka motor induksi dapat dioperasikan sebagai
generator induksi (MISG).
Motor Induksi Sebagai Generator (MISG) banyak diterapkan di pada
Pembangkit Tenaga Listrik Mikrohidro (PLTMh). Digunakannya generator
induksi dikarenakan harga murah dan mudah perawatannya, serta banyak tersedia
di pasaran. Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan
keluaran yang sangat terpengaruh beban. Oleh karena itu perlu dilakukan
pengendalian tegangan agar tetap setimbang pada setiap penambahan beban
sesuai dengan tegangan yang diijinkan. Salah satu caranya adalah membuat
tahanan penyeimbang. Tahanan penyeimbang ini dapat berupa tahanan variable
yang dipasang secara paralel terhadap beban yang dapat distel setiap perubahan
beban tersebut.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
KATA PENGANTAR
Pertama - tama, penulis ingin sekali berterima kasih kepada Tuhan Yesus,
yang oleh karena kasihNya , penulis masih dimampukan menyelesaikan tugas
akhir ini.
Adapun tugas akhir ini berjudul “Pengendalian Tegangan Motor Induksi
Tiga Phasa Pada Setiap Perubahan Beban ”, yang disusun dan diajukan sebagai
salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro.
Sebagai manusia, penyusun menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih
jauh dari sempurna. Oleh karena itu, penyusun berharap kekurangan –
kekurangan tersebut dapat dimaklumi.
Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak.
Maka dalam kesempatan ini, penyusun juga ingin berterima kasih kepada :
1. Kedua orang tua saya (T. Sinaga dan R. Pandiangan), Abang-abang dan
adik – adikku, yang selalu memperhatikanku dan yang terbanyak
memberiku motivasi, sehingga Tugas Akhir ini masih dapat diselesaikan.
2. Bapak Ir. Sumantri Zulkarnaen selaku dosen pembimbing tugas akhir
yang telah banyak memberikan sumbangan ilmu dan waktunya.
3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmat Fauzi ST, MT selaku
Ketua dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.
4. Bapak Arman Sani ST,MT selaku dosen wali
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
5. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku Kepala Laboratorium Mesin – Mesin
Listrik
6. Seluruh staff pengajar / dosen departemen Teknik Elektro FT. USU
7. Seluruh staff tata usaha departemen Teknik Elektro FT. USU
8. Saudara Eko (asisten laboratorium mesin – mesin listrik) yang telah
banyak meluangkan waktunya saat penyusun melakukan riset
9. Teman – teman nongkrong bareng : Eno , Juni, Olo P ,Irwan, Buhari,
Hotdes, Bobie, Henrie, Bennie, EllriZone, Heatbean,Wiswa, Mualim,
Jamil, Emil, Ardie, Ronald Boya, Jimmi dan teman – teman ’03 yang
nama – namanya tak dapat disebutkan satu persatu yang solid selama ini.
10. Teman – teman ’04, ’05, ’06, yang namanya tak dapat disebutkan satu
persatu yang telah banyak memberi dorongan semangat pada penulis
selama pengerjaan tugas akhir ini.
Penulis menyadari bahwa penyusunan karya ilmiah ini masih belum sempurna.
Oleh karena penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang
bisa membangun tugas akhir ini menjadi lebih baik lagi. Akhirnya penulis
berharap bahwa karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.
Medan, 14 Juni 2008
Rudianto Sinaga
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ABSTRAK
KATA PENGANTAR
DAFTAR ISI
I.
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Tujuan Penulisan………………………………………………… 2
1.3 Manfaat Penulisan.......................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah............................................................................. 2
1.5 Metode Penulisan........................................................................... 4
1.6 Sistematika Penulisan..................................................................... 5
II.
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
2.1 Umum…………………………………………………………… 7
2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa..............................................7
2.3 Medan Putar……………………………………………………….9
2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa..............................13
2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa………………….....18
2.6 Torsi Motor Induksi Tiga Phasa………………………………… 20
2.7 Torsi Maksimum Motor Induksi Tiga Phasa…………………… 26
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.8 Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa……………………………....29
2.9 Disain motor induksi………………………………………………30
2.10 Penentuan parameter motor induksi……………………………... .32
III.
MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR
3.1 Umum……………………………………………………………. 38
3.2 Syarat-syarat Motor Induksi Tiga Phasa sebagi Generator…… 43
3.3 Prinsip kerja Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator…….. 44
3.4 Keuntungan Motor Induksi Sebagai Generator…………………. 47
IV.
PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN PADA
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR
4.1 Umum…………………………………………………………….49
4.2 Peralatan Yang Digunakan.............................................................49
4.3 Penentuan besar kapasitor…………………………………………51
4.4 Percobaan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator Pada
Setiap Perubahan Beban Dengan Pengendali dan tanpa Pengendali
Tegangan……………………………………………………………54
4.5 Analisa pengendalian tegangan Motor Induksi
Tiga Phasa Sebagai Generator……………………………………..57
V.
KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan...................................................................................... 63
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
5. 2 Saran................................................................................................ 64
DAFTAR PUSTAKA.....................................................................................65
LAMPIRAN…………………………………………………………….........66
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
DAFTAR GAMBAR
2.1 Konstruksi stator motor
induksi………..………………….……………………..…..8
2.2 Konstruksi rotor motor
sangkar……………………….……………………………....8
2.3 Konstruksi rotor motor
belitan……………………..…………………………………..9
2.4 Diagram phasor fluksi tiga phasa
setimbang…….……………………………..10
2.5 Grafik arus tiga phasa
setimbang……………………….………………….………..10
2.6 Medan putar pada motor induksi tiga
phasa……….…………….……………10
2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model
transformator…....14
2.8 Model rangkaian rotor motor
induksi………………………………...……….….16
2.9 Rangkaian ekivalen perphasa motor
induksi……………………….…...……..16
2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan
rugi-rugi
rotor……………………………………………………………………
..…………17
2.12 Diagram aliran daya pada motor
induksi……………………………….………..20
2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian
input…………….……..21
2.14 Impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian
input……………..…..22
2.15 Rangkaian ekivalen Thevenin motor
induksi…………………………….…….23
2.16 Karakteristik torsi-slip pada motor
induksi………………………………….....24
2.17 Karakteristik torsi-putaran motor induksi pada berbagai daerah
Operasi…………………………………………………………
…………………….………..25
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.18 Karakteristik torsi-kecepatan motor induksi pada berbagai
desain…30
2.19 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban
nol…………34
2.20 Rangkaian pengukuran untuk test
dc……………………………………………...35
2.21 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor
test……...35
3.1 Prinsip kerja motor induksi sebagai
generator………………………………..44
3.2 Karakteristik torsi-kecepatan motor-generator
induksi…………………..45
3.3 Untaian dasar pengendali
tegangan…………………………………………………47
4.1 Rangkaian percobaan motor induksi sebagai
generator…………………..53
4.2 Rangkaian percobaan dengan menggunakan
pengendali…………………55
4.3 Grafik karakteristik Pbeban tehadap tegangan dengan
menggunakan
Pengendali………………………………………………………
…………………………….59
4.4 Grafik karakteristik Pbeban dengan tegangan tanpa
pengendali…….63
DAFTAR TABEL
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
1. Distribusi reaktansi x1 dan x2 pada berbagai desain motor
induksi…………………………………………………………
…………………….…37
2. Data percobaan motor induksi sebagai
generator………………………………………………………
……………………..55
3. Data percobaan motor induksi sebagai generator dengan
menggunakan
pengendal……………………………….………………….…5
7
4. Data percobaan motor induksi sebagai generator tanpa
menggunakan
pengendali…………………………………………………….5
8
5. Data effisiensi terhadap perubahan daya pada motor induksi
sebagai generator tanpa
pengendali………………………………………62
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
LATAR BELAKANG
Semakin terbatasnya bahan bakar pembangkit listrik konvensional
membuat krisis listrik makin larut berkepanjangan pada masa kini, maka salah
satu cara untuk mengantisipasi hal ini adalah mencari sumber listrik alternatif
untuk menggantikannya yaitu dengan cara menggunakan pembangkit yang dapat
diperbaharui. Salah satunya adalah dengan menggunakan pembangkit listrik
tenaga mikrohidro. Generator yang dipakai adalah Motor Induksi Sebagai
Generator (MISG). Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai
generator satu phasa maupun tiga phasa.
Motor induksi merupakan motor yang banyak digunakan baik di industri
rumah tangga maupun industri skala besar. Hal ini dikarenakan konstruksi motor
induksi yang kuat, sederhana serta tidak membutuhkan perawatan yang sangat
banyak.
Motor induksi tiga phasa dapat dioperasikan sebagai generator dengan
cara memutar rotor pada kecepatan di atas kecepatan putaran sinkronnya dan atau
mesin bekerja pada slip negatip (sns
ns
Dimana s: slip
ns: Kecepatan medan putar, rpm
nr: Kecepatan putar rotor, rpm
Salah satu kelemahan utama generator induksi adalah tegangan keluaran
yang sangat terpengaruh beban, oleh karena itu maka diperlukan suatu
pengaturan tegangan sehingga perubahan tegangan tidak sampai mengganggu
kontinuitas penyaluran daya oleh Motor Induksi Sebagai Generator (MISG)
tersebut.
1.2
TUJUAN PENULIS
Adapun tujuan penulisan Tugas Akhir ini adalah:
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
1. Mengetahui pengaruh penambahan beban terhadap tegangan pada Motor
Induksi Sebagai Generator dengan pengendali dan tanpa pengendali.
2. Membuat kendali tegangan menggunakan
kontaktor dan beban
penyeimbang, sehingga tegangan yang dihasilkan berkisar 198-231 Volt
pada setiap penambahan beban.
1.3
MANFAAT PENULISAN
1. Memberikan informasi kepada penulis dan pembaca mengenai pengaruh
penambahan beban terhadap tegangan tanpa pengendali dan dengan
pengendali.
2. Mengetahui besar nilai kapasitor yang akan disuplai pada Motor Induksi
Sebagai Generator untuk membangkitkan arus eksitasi yang diperlukan.
3. Menambah aplikasi-aplikasi pada laboratorium konversi energi listrik.
1.4
BATASAN MASALAH
Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan
membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut:
1. Tidak membahas masalah yang timbul saat terjadi hubung singkat.
2. Tidak membahas tentang system proteksi.
3. Membahas pembuatan kendali tegangan dengan teknologi sederhana yaitu
dengan menggunakan kontaktor dan beban penyeimbang dan tidak
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
membahas tentang sensor tegangan dengan teknologi tidak sederhana
seperti Induction Generator Controller (IGC).
4. Tidak membahas hubungan interkoneksi dengan jaringan/ system
5. Tidak membahas perubahan tegangan akibat gangguan pada system
6. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia data di laboratorium
konversi energi listrik.
7. Membahas sekitar karakteristik pembebanan bersifat resistif dan tidak
sampai pembebanan induktif dan kapasitif.
1.5
METODE PENULISAN
Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:
1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks
pendukung.
2. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai
masalah-masalah yang timbul selama penulisan tugas akhir.
3. Studi laboratorium, melakukan percobaan untuk mendapatkan data-data
yang diperlukan.
1.6
SISTEMATIKA PENULISAN
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis
menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I
: PENDAHULUAN
Bab ini memuat latar belakang masalah, tujuan penulisan,
manfaat penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan
sistematika penulisan.
BAB II
: MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Bab ini membahas konstruksi motor induksi tiga phasa, medan
putar, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, rangkaian ekivalen
motor induksi tiga phasa, aliran daya pada motor induksi tiga
phasa, torsi motor induksi tiga phasa, dan effisiensi motor
induksi tiga phasa
BAB III
: MOTOR INDUKSI SEBAGAI GENERATOR (MISG)
Bab ini membahas mengenai motor induksi sebagai generator,
syarat-syarat yang harus dipenuhi sebagai Motor Induksi
Sebagai Generator (MISG).
BAB IV
: PERCOBAAN PENGENDALIAN TEGANGAN MOTOR
INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI GENERATOR PADA
SETIAP PERUBAHAN BEBAN
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Bab ini berisi percobaan-percobaan yang akan dilakukan untuk
melihat pengaruh perubahan beban serta analisa terhadap
perubahan tegangan pada motor
induksi sebagai generator
induksi baik itu dengan pengendali maupun tanpa pengendali
BAB V
: PENUTUP
Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian
ataupun analisis data - data yang telah diperoleh.
BAB II
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
2.1
UMUM
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
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, sementara pada motor DC
hal yang sama tidak dijumpai.
2.2
KONSTRUKSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
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 bersama – sama untuk membentuk inti stator
dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil ) dari
konduktor – konduktor yang terisolasi ini kemudian disisipkan ke dalam slot –
slot tersebut. Sehingga grup dari kumparan ini beserta dengan inti yang
mengelilinginya membentuk rangkaian elektromagnetik. Banyaknya jumlah
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
kutub dari motor induksi tergantung pada hubungan internal dari belitan stator,
yang mana bila belitan ini disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa maka
akan membangkitkan medan putar.
a) penampang inti stator
Gambar 2.1
b) Stator motor induksi
Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu
rotor sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). 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 shorting rings.
Gambar 2.2
a) Rotor Sangkar
b) Motor induksi rotor sangkar
Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan
tiga phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga
phasa dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
rotor tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor
induksi rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan
tahanan eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam
memodifikasi karakteristik torsi – kecepatan dari motor.
Gambar 2.3
a) Rotor belitan
2.3
b) motor induksi rotor belitan
MEDAN PUTAR
Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan
magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutub –
kutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah –
ubah mengelilingi stator. Adapun magnitud dari medan putar ini selalu tetap
yaitu sebesar 1.5 Φm dimana Φm adalah fluks yang diebabkan suatu phasa.
Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat
diambil contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana
ke-tiga phasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus
pada phasa ini ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT, maka fluks yang dihasilkan oleh
arus – arus ini adalah :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
ΦR
= Φm sin ωt
ΦS
= Φm sin (ωt – 120o )......................( 2.1b )
ΦT
= Φm sin (ωt – 240o )......................( 2.1c )
φ
φ1
φ2
.............................( 2.1a )
φ3
ωt
Gambar 2.5
Fluksi tiga phasa setimbang
Gambar 2.4
diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang
i
iii
ii
iv
Gambar 2.6
Medan putar pada motor induksi tiga phasa
(i)
Pada keadaan 1 ( gambar2.6 ), ωt = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol
sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan
arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari
konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 Φm
dan dibuktikan sebagai berikut :
ΦR = 0 ; ΦS = Φm sin ( -120o ) = −
ΦT = Φm sin ( -240o ) =
3
Φm ;
2
3
Φm
2
Oleh karena itu resultan fluks, Φr adalah jumlah phasor dari ΦT dan – ΦS
Sehinngga resultan fluks, Φr = 2 x
( ii )
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S,
sedangkan pada R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum pada phasa R dan phasa T,
dan pada saat ini ωt = 30o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing –
masing phasa :
ΦR = Φm sin ( -120o ) = 0,5 Φm
ΦS = Φm sin ( -90o ) = - Φm
ΦT = Φm sin (-210o) = 0,5 Φm
Maka jumlah phasor ΦR dan - ΦT adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 30o dari posisi pertama.
( iii )
Pada keadaan ini ωt = 60o, arus pada phasa R dan phasa T memiliki
besar yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 Φm ), oleh karena itu fluks
yang diberikan oleh masing – masing phasa :
ΦR = Φm sin ( 60o )
=
3
Φm
2
ΦS = Φm sin ( -60o ) = −
3
Φm
2
ΦT = Φm sin ( -180o ) = 0
Maka magnitud dari fluks resultan : Φr = 2 x
3
Φm cos 30o = 1,5 Φm
2
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 60o dari posisi pertama.
( iv )
Pada keadaan ini ωt = 90o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan
arus pada phasa S dan phasa T = 0,5 Φm , oleh karena itu fluks yang diberikan
oleh masing – masing phasa
ΦR = Φm sin ( 90o ) = Φm
ΦS = Φm sin ( -30o ) = - 0,5 Φm
ΦT = Φm sin (-150o) = - 0,5 Φm
Maka jumlah phasor - ΦT dan – ΦS adalah = Φr’ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 90o dari posisi pertama.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
2.4
RANGKAIAN EKIVALEN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Operasi dari motor induksi tergantung pada induksi arus dan tegangan
di dalam rangkaian rotor yang berasal dari rangkaian stator karena adanya aksi
transformator. Karena induksi arus dan tegangan pada motor induksi pada
dasarnya sama dengan operasi transformator, maka rangkaian ekivalen motor
induksi akan sangat menyerupai rangkaian ekivalen dari transformator. Motor
induksi disebut juga sebagai singly excited machine, sebab daya hanya disuplai
dari rangkaian stator. Karena motor induksi tidak memiliki rangkaian medan,
maka pada modelnya tidak akan terdapat sumber tegangan internal EA
sebagaimana dijumpai pada mesin sinkron.
Rangkaian ekivalen per phasa dari transformator dapat menggantikan
operasi dari motor induksi. Sebagaimana halnya pada transformator, maka akan
terdapat tahanan (R1) dan induktansi sendiri (X1) pada belitan stator yang
direpresentasikan dalam rangkaian ekivalen mesin.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator
Tegangan stator E1 dikopel terhadap sisi sekunder ER sebagaimana
halnya transformator ideal dengan rasio belitan effektif aeff. Rasio belitan ini
dengan mudah dapat ditentukan pada motor induksi rotor belitan, yang mana
pada dasarnya rasio ini merupakan banyaknya konduktor per phasa pada stator
terhadap jumlah konduktor per phasa pada rotor. Akan tetapi tidak demikian
halnya pada motor induksi sangkar tupai, karena tidak terdapatnya belitan pada
rotor motor tersebut.
Tegangan ER pada rotor akan menghasilkan arus, karena rangkaian
rotornya terhubung singkat.
Impedansi rangkaian primer dan arus magnitisasi dari motor induksi
sama halnya dengan komponen - komponen yang dijumpai pada transformator.
Hal
yang membedakan rangkaian ekivalen tersebut pada motor induksi
dikarenakan terdapatnya variasi frekuensi pada tegangan rotor (ER), impedansi
rotor RR dan jXR.
Ketika tegangan diberikan pada belitan stator, maka tegangan akan
diinduksikan pada belitan rotornya. Pada umumnya, gerak relatif yang lebih besar
di antara rotor dan medan putar stator, akan menghasilkan tegangan dan frekuensi
rotor yang lebih besar juga. Gerak relatif yang terbesar terjadi saat rotor dalam
keadaaan diam atau disebut juga dalam keadaan blocked rotor. Sebaliknya,
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
frekuensi dan tegangan terendah timbul saat rotor berputar pada kecepatan yang
sama dengan kecepatan sinkron, sehingga tidak terdapat pergerakan relatif.
Magnitud dan frekuensi tegangan induksi rotor pada saat berputar sebanding
dengan slip dari rotornya. Sehingga, besarnya tegangan induksi rotor dalam
kondisi rotor terkunci disebut ERO, sedangkan untuk slip pada suatu putaran
tertentu dirumuskan dengan:
ER = sERO............................................................(2.8)
Dan frekuensi tegangan induksi pada slip tertentu :
fr = sfe..................................................................(2.9)
Tahanan dari rotor RR bernilai konstan/ tidak tergantung pada slip,
sementara itu pada reaktansi rotor besarnya akan dipengaruhi oleh slip.
Reaktansi dari rotor tergangtung pada induktansi rotor, frekuensi tegangan
rotor dan arus pada rotor. Bila induktansi rotor LR, maka reaktansi rotor adalah :
XR = ωr LR = 2 π fr LR : fr = sfe
Sehingga
XR = 2 π sfe LR
= s(2 π sfe LR)
= sXRO.........................................................................(2.10)
LR = induktansi rotor
XRO = reaktansi blok rotor.
Rangkaian ekivalen rotor dapat dilihat pada gambar 2.8 :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.8 model rangkaian rotor motor induksi
Dari gambar 2.8 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai :
IR =
IR =
IR =
ER
RR + jX R
..........................................(2.11)
ER
RR + jsX RO
..........................................(2.12)
E RO
RR / s + jX RO
..........................................(2.13)
IR = arus rotor ( A )
ER = tegangan induksi pada rotor ( V )
RR = tahanan rotor ( Ώ )
XR = reaktansi rotor ( Ώ )
Untuk mempermudah penganalisaan, maka rangkaian ekivalen motor induksi
pada gambar 2.8 dapat dilihat dari sisi stator, seperti gambar 2.9 :
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen per phasa motor induksi
Seperti halnya pada transformator, tegangan, arus, dan impedansi sisi
sekunder dapat digantikan ke sisi primer sesuai dengan rasio belitannya, sehingga
hal yang sama juga berlaku untuk untuk motor induksi.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Vp = Vs = a Vs ........................................................(2.14)
Ip = I’s = Is/a............................................................(2.15)
Z’s = a2Zs.................................................................(2.16)
Secara eksak urutan transformasi yang sama dapat dilakukan untuk rangkaian
rotor motor induksi. Jika rasio belitan effektif dari motor induksi adalah aeff,
kemudian tegangan rotor ditransformasikan menjadi:
E1 = E’R = aeff ERO..............................................................(2.18)
Arus rotor menjadi: I2 = IR/ aeff..........................................(2.19)
Dan impedansi rotor menjadi
Z2 = a2eff (RR/s + jXRO).......................................................(2.20)
Atau dapat juga didefenisikan dengan :
R2 = a2eff RR....................................................................... (2.21)
X2 = a2eff XRO.................................................................... (2.22)
Apabila rugi – rugi tembaga dipisahkan dengan besarnya daya yang
dikonversikan menjadi daya mekanik, maka rangkaian ekivalennya adalah seperti
pada gambar 2.10
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi – rugi rotor
Dalam
teori
transformator,
analisa
rangkaian
ekivalen
sering
disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan
memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena
adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi yang sangat
besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian
ekivalen RC dapat diabaikan.
2.5
ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA 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 :
rugi – rugi inti stator (PCORE)
PCORE = 3 E12GC......................................................(2.23)
rugi – rugi gesek dan angin
2. rugi – rugi variabel, terdiri dari :
rugi – rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL = 3 I12 R1..........................................................(2.24)
rugi – rugi tembaga rotor ( PRCL)
PRCL = 3 I22 R2..........................................................(2.25)
Daya pada celah udara (PAG)dapat dirumuskan dengan :
PAG = Pin – PSCL - PCORE...........................................(2.26)
Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen
yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2/s. Oleh karena itu
daya pada celah udara dapat juga ditulis dengan :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
PAG = 3I 2
2
R2
.........................................................(2.27)
s
Apabila rugi – rugi tembaga dan rugi – rugi inti dikurangi dengan daya input
motor, maka akan diperoleh besarnya daya listrik yang diubah menjadi daya
mekanik.
Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah:
1 − s
2
Pconv = 3 I 2 R 2
s
.........................................(2.28)
Dari persamaan 2.25 dan 2.27 dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga
dengan daya pada celah udara :
PRCL = s PAG ....................................................................(2.29)
Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya
pada celah udara dikurangi dengan rugi – rugi tembaga rotor, maka daya mekanik
dapat juga ditulis dengan :
Pconv = (1 – s ) PAG..........................................................(2.30)
Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya
mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin. Gambar 2.12
menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga phasa :
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.12
Diagaram aliran daya pada motor induksi
2.6
TORSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Dari rangkaian ekivalen dan diagram aliran daya motor induksi tiga phasa
yang telah diperoleh sebelumnya dapat diturunkan suatu rumusan unum untuk
torsi induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor induksi diberikan oleh
persamaan:
τind =
Pconv
..........................................................(2.31)
ωm
τind =
PAG
..........................................................(2.32)
ωsync
Persamaan yang terakhir di atas sangat berguna, karena kecepatan sinkron
selalu bernilai konstan untuk tiap – tiap frekuensi dan jumlah kutub yang
diberikan motor. Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah
udara akan menentukan besar torsi induksi pada motor.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Meskipun terdapat berbagai cara menyelesaikan rangkaian seperti gambar
2.11, untuk menentukan besarnya arus I2, kemungkinan penyelesaian yang paling
mudah dapat dilakukan dengan menentukan rangkaian ekivalen Thevenin dari
gambar tersebut.
Agar dapat menghitung ekivalen Thevenin dari sisi input rangkaian
ekivalen motor induksi, pertama – tama terminal X’s dihubung buka (open circuit ), kemudian tegangan open circuit di terminal tersebut ditentukan. Untuk
menentukan impedansi Thevenin, maka tegangan phasa dihubung singkat ( short
– circuit ) dan Zeq ditentukan dengan melihat ke dalam sisi terminal.
Gambar 2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input
Dari gambar 2.13 ditunjukkan bahwa terminal di open – circuit untuk
mendapatkan tegangan ekivalen Thevenin. Oleh karena itu dengan aturan
pembagi tegangan diperoleh :
VTH = VΦ
ZM
Z M + Z1
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
= VΦ
jX M
R 1 + jX1 + jX M
Magnitud dari tegangan Thevenin VTH adalah :
VTH = VΦ
R1 + ( X 1 + X M )
XM
2
................................(2.33)
2
Karena reaktansi magnetisasi XM >> X1 dan XM >> R1, harga pendekatan dari
magnitud tegangan ekivalen Thevenin :
XM
VTH ≈ VΦ X . + X ..........................................................(2.34)
1
M
Gambar 2.14 menunjukkan tegangan input dihubung singkat. Impedansi
ekivalen Thevenin dibentuk oleh impedansi paralel yang terdapat pada rangkaian.
Gambar 2.14 impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input
Impedansi Thevenin ZTH diberikan oleh :
ZTH =
Z1 Z M
Z1 + Z M
ZTH = RTH + jXTH =
jX M (R 1 + jX1 )
...............................(2.35)
R 1 + j(X1 + X M )
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Karena XM >> X1 dan XM + X1 >> R1, tahanan dan reaktansi Thevenin secara
pendekatan diberikan oleh :
RTH ≈ R1
XTH ≈ X1
Gambar di bawah menunjukkan rangkaian ekivalen Thevenin :
Gambar 2.15 rangkaian ekivalen Thevenin motor induksi
Dari gambar di atas arus I2 diberikan oleh :
I2 =
VTH
VTH
; I2 =
Z TH + Z 2
R TH + R 2 / s + jX TH + jX 2
Magnitud dari arus
I2 =
(R TH + R 2 / s )
+ (X TH + X1 )
VTH
2
2
.............................................(2.36)
Daya pada celah udara diberikan oleh :
PAG = 3 I22
[
]
3V TH R 2 / s
R2
; PAG =
..................(2.37)
s
(R TH + R 2 )2 + (X TH + X 2 )2
2
Sedangkan torsi induksi pada rotor
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
P
τind = AG
ωsync
; τind =
[
ωsync (R TH + R 2 ) + (X TH + X 2 )
3V 2 TH R 2 / s
2
2
]..............(2.38)
Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan
pada gambar 2.16
Gambar 2.16
Karakteristik torsi – slip pada motor induksi
Sedangkan kurva torsi - kecepatan motor induksi yang menunjukkan
kecepatan di luar daerah operasi normal ditunjukkan pada gambar 2.17
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.17
Karakteristik torsi – putaran pada motor induksi
pada berbagai daerah operasi
Dari kedua kurva karakteristik torsi motor induksi di atas dapat diambil beberapa
kesimpulan sebagai berikut :
1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron
2. kurva torsi – kecepatan mendekati linear di antara 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 dengan pull – out torque atau break down torque,
yang besarnya 2 – 3 kali torsi beban penuh dari motor.
4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar daripada torsi beban penuhnya,
oleh karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang
dapat disuplai pada daya penuh.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
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 di dalam mesin menjadi terbalik dan
mesin akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya
mekanik menjadi daya elektrik.
7. jika motor induksi bergerak mundur relatif arah dari 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 penyaklaran 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 plugging.
2.8
TORSI MAKSIMUM MOTOR INDUKSI
Karena torsi induksi bernilai τind = PAG/ωsync, maka torsi maksimum
yang mungkin terbentuk jika daya pada celah udara maksimum. Karena daya
pada celah udara sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor R2/s, torsi
induksi akan maksimum ketika daya yang dikonsumsi oleh resistor maksimum.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Transfer daya terhadap resistor R2/s akan maksimum jika magnitud dari
impedansi sama dengan magnitud dari impedansi sumber. Dari rangkaian
ekivalen Thevenin impedansi sumber dari rangkaian :
Zsource = RTH + jXTH + jX2......................................................(2.39)
Oleh karena itu transfer daya maksimum adalah :
R2
=
s
R 2TH + ( X TH + X 2 )
.........................................(2.40)
2
atau slip pada saat torsi maksimum ;
+ ( X TH + X 2 )
R2
smaks =
R
2
TH
..........................................(2.41)
2
Oleh karena itu slip dari rotor saat torsi maksimum secara langsung sebanding
dengan tahanan rotor. Sedangkan torsi maksimum dapat ditentukan sebagai
berikut :
τ max =
2ω sync RTH +
+ ( X TH + X 2 )
3V 2TH
R
2
TH
2
……….......(2.42)
Atau dengan secara rumus torsi maksimum dapat diturunkan sebagai berikut,
T=
Pm
ωr
Dengan : ωr = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor.
Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula:
ωr = ωs (1-s).....................................................................................(2.43)
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (dengan memperrhatikan
gambar 2.9) akan diperoleh sebagai berikut.
Tg =
[
2
ω s r2 + ( sX 2 )
1
sE 2 r2
2
2
]
=
sα
k ..........................................(2.44)
s +α 2
2
Dimana:
2
k=
E2
ω 2 x2
α=
r2
x2
Ttorsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan
memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (2.44). Selanjutnya dengan
memperhatikan persamaan 2.30, torsi mekanik yang bermanfaat untuk memutar
rotor menjadi:
Tm =
ωs
1
Pm = Pg (1 − s ) =
sα (1 − s )
k …………………………………...(2.45)
s2 + α 2
Torsi maksimum dicapai pada
dT
= 0 , maka dari persamaan (2.44), maka
ds
diperoleh:
dT
= α (s2 + α2) – s.α (2s) = 0
ds
s2 + α2 – 2 s2 = 0
s2
s
= α2
= ± α…………………………………………………..(2.46)
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (Tmx) sebesar:
Tmx =
kα 2
= 1 / 2k ………………………….…….……….....(2.47)
2α 2
Torsi maksimum (1/2k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin bertindak
sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai generator
induksi).
2.8
EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Effisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan 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
Pout
x 100%
=
Pin
Pout + losses + PROT
...........................(2.48)
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 tdk dapat diabaikan sekalipun motor
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
berbeban ringan ataupun tanpa beban. Persamaan yang dapat digunakan untuk
motor tiga phasa ini adalah :
Prot = 3 Vl I1 cos θ − 3I1 R 1 .........................................................(2.49)
2
Dari ke dua rumus di atas 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.
Dari pengujian hubung singkat akan dihasilkan parameter rotor. Daya
total yang dialirkan ke motor sewaktu tegangan dikurangi selama pengujian ini,
didissipasikan dalam rugi – rugi tembaga stator dan rugi – rugi tembaga rotor.
2.9
DISAIN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke
dalam empat kelas yakni disain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya
dapat dilihat pada gambar 2.18.
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
Gambar 2.18
Karakteristik torsi kecepatan motor induksi
Pada berbagai disain
Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai
ratingnya) danarus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan
yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu
menangani beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat.
Slip < = 5%
Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran.
Motor ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A,
akan tetapi motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked
rotor cukup baik untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam
aplikasi industri. Slip motor ini
< =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya
pada saat berbeban penuh tinggi sehingga disain ini merupakan yang
paling populer. Aplikasinya dapat dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan,
dan peralatan – peralatan mesin.
Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari
dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban – beban
seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi
dari motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah
besar. Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %
Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan
beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi ( 5 -13 % ),
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
sehingga motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan
perubahan kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya :
elevator, crane, dan ekstraktor.
2.10
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.
2.11.1 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
tiga 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
sebagaimanamestinya. 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 rugi-rugi yang
ada di stator. 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
Rudianto Sinaga : Pengendalian Tegangan Motor Induksi Tiga Phasa Sebagai Generator (Misg) Pada Setiap
Perubahan Beban, 2008.
USU Repository © 2009
cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi
rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :
PROT = Pnl – 3 I2nl R1..........................................................(2.50)
Dimana Pnl
= daya input tiga phasa
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...............................................................(2.51)
Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur
pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga phasa yang terhubung Y besarnya
impedansi tanpa beban Znl/ phasa :
Znl =
Vnl
....................................................................(2.52)
3 I nl
Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :
Rnl =
Pnl
....................................