bab ii motor induksi tiga phasa - USU-IR
advertisement
BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA 2.1 Umum Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling luas digunakan.Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke rotornya,dimana arus motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu,tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar (rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator. Motor ini memiliki konstruksi yang kuat,sederhana,handal serta bebiaya murah. Disamping itu motor ini juga memeilki efisiensi yang tinggi saat bebeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak. Hampir semua motor ac yang digunakan adalah motor induksi,terutama motor induksi tiga phasa yang paling banyak dipakai di perindustrian.Motor induksi tiga phasa sangat banyak digunakan di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan,tetapi ada juga kelemahannya. Keuntungan motor induksi tiga phasa: • Motor induksi tiga phasa sangat sederhana dan kuat • Biaya murah dan dapat diandalkan • Memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal • perawatannya mudah Kelemahannya : • Kecepatannya tidak bisa bervariasi tanpa mengubah efisiensi 13 Universitas Sumatera Utara 2.2 • Kecepatannya tergantung beban • Pada torsi start memiliki kekurangan Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator.Rotor merupakan bagian yang bergerak,sedangkan stator bagian yang diam.Diantara stator dan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat dilihat pada Gambar 2.1. Gambar 2.1 konstruksi sederhana motor induksi Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan mengalirkan arus phasa.Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang bebentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas.Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi.Tiap lembaran besi tersebut memiliki alur dan beberapa lubang untuk menyatukan inti. • Slot Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk dengan sistem berbuku - buku. 14 Universitas Sumatera Utara • Kumparan stator Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada generator dan didesain untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator yang sinkron dengan kutub magnet rotor. Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu: • Collector ring atau slip ring Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi dipisahkan oleh isolasi tertentu.Bagian ini merupakan bagian yang terhubung dengan sumber arus searah yang untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan rotor. • Kumparan rotor Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber medan magnet melalui sistem eksitasi tertentu. • Poros Poros merupakan tempat untuk meletakkan kumparan rotor dan merupakan bagian yang terkopel dengan dan diputar oleh prime mover. 2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar. Ggl induksi menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor.. Sehingga dengan adanya aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan dibangkitkan gaya ( F ) yang bekerja pada motor. 15 Universitas Sumatera Utara Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga phasa, maka dapat dijabarkan dalam beberapa langkah berikut: 1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang terhubung dengansumber tegangan tiga phasa yang setimbang akan menghasilkan arus pada tiapbelitanphasa arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah -ubah. 2. amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnyategak lurus terhadap belitanphasa 3. akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya : πΈπΈ1 = −ππ ππππ (π£π£π£π£π£π£π£π£) ππππ πΈπΈ1 = 4.44ππππ1 ππ (π£π£π£π£π£π£π£π£) (2.1) (2.2) 4. Resultan dari ketiga fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medanputar yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya ditentukanoleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan: πππ π = 120ππ (ππππππ) ππ (2.3) 5. fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2yangbesarnya πΈπΈ2 = 4.44ππππ2 ππππ (π£π£π£π£π£π£π£π£) Dimana: (2.4) E2 = tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam(volt) N2 = jumlahlilitanrotor Φm = fluksi maksimum(Wb) 16 Universitas Sumatera Utara 6. karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebutakan menghasilkan arusI2 7. adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F padarotor 8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator. 9. perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatanrotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan: π π = πππ π − ππππ π₯π₯ 100% ππππ (2.5) 10. padasaatrotordalamkeadaanberputar,besarnyateganganyangterinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya: πΈπΈ2π π = 4.44π π π π ππ2 ππππ (π£π£π£π£π£π£π£π£) dimana: (2.6) E2s = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt) f2 = sf = frekuensi rotor ( frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar ) 11. bilans = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel akandihasilkan jika nr<ns. 17 Universitas Sumatera Utara 2.4 Medan Putar Perputaran motor pada arus bolak-balik ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluks yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak, umumnya phasa tiga. πππ π = ππππ sin ππππ (2.4.1ππ) πππ π = ππππ sin (ππππ − 1200 ) (2.4.1ππ) ππππ = ππππ sin(ππππ − 2400 ) Gambar 2.2 Arus Tiga Phasa Setimbang i (2.4.1ππ) Gambar 2.3 Diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang ii 12 Universitas Sumatera Utara iii iv Gambar 2.4 Medan putar pada motor induksi tiga phasa 2.5 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 dijumpaipada 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. 1 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.5 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 akandiinduksikan 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 2 Universitas Sumatera Utara disebut juga dalam keadaan blocked rotor. Sebaliknya, 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 : πΈπΈπ π π π = π π πΈπΈπ π π π (2.7) Dan frekuensi induksi pada slip tertentu : ππππ = π π ππππ (2.8) 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) = π π πππ π π π LR= induktansi rotor (2.9) XRO = reaktansi blok rotor. 3 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen rotor motor induksi Dari gambar 2.6 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai : πΌπΌπ π = πΌπΌπ π = πΈπΈπ π π π π π + π½π½π½π½π π πΈπΈπ π π π π π + π½π½π½π½π π π π πΌπΌπ π = π π π π Dimana : π π πΈπΈπ π + π½π½πππ π π π (2.10) (2.11) (2.12) IR = arus rotor ( A ) ER = tegangan induksi pada rotor ( V ) RR = tahanan rotor ( Ξ ) XR = reaktansi rotor ( Ξ ) Dalam teori transformator, analisa rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian ekivalen RC dapat diabaikan. Rangkaian ekivalennya adalah seperti pada gambar 2.5.3 : 4 Universitas Sumatera Utara Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi jika rugi-rugi inti diabaikan 2.6 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. 2.6.1 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 sebagaimana mestinya. Rugi – rugi rotasional keseluruhan pada frekuensi dan tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan sama dengan rugi – rugi tanpa beban. Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan. Karenanya rugi – rugi I2R tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Padatransformator rugi – rugi I2R primernya tanpa beban dapat diabaikan, akan tetapi rugi – rugi stator tanpa beban motor 5 Universitas Sumatera Utara induksi besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah : Dimana : πππ π π π π π = ππππππ − 3πΌπΌ 2 πππππ π 1 (2.13) 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 keadaantanpa beban sangat mendekati X1 + XM, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga : Xnl = X1 + XM (2.14) 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 οΏ½3Inl (2.15) Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban. Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnladalah : R nl = Pnl 3I2 nl (2.16) 6 Universitas Sumatera Utara Pnl merupakan suplai daya tiga phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi tanpa beban Xnl = οΏ½Z 2 nl − R2 nl (2.17) sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar 2.8 berikut : Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol 2.6.2 Pengujian Tahanan Stator ( DC Test ) Untuk menentukan besarnya tahanan stator R1 dilakukan dengan test DC. Pada dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi.Karena arus yang disuplai adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian rotor sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan demikian, reaktansi dari motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan stator. Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated, yang mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang sama selama operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan stator/ phasa adalah : π π 1 = ππππππ 2πΌπΌππππ Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator. (2.18) 7 Universitas Sumatera Utara π π 1 = 3ππππππ 2πΌπΌππππ (2.19) Dengan diketahuinya nilai dari R1, rugi – rugi tembaga stator pada beban nol dapat ditentukan, dan rugi – rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input pada beban nol dan rugi – rugi tembaga stator. Gambar 2.9 menunjukkan salah satu bentuk pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y. Gambar 2.9 Rangkaian pengukuran untuk DC test 2.6.3 Pengujian Rotor Tertahan ( Block Rotor Test ) Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor induksi, dan biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor dikunci/ ditahan sehingga tidak berputar. Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus yang mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai beban penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur. Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor test 8 Universitas Sumatera Utara Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R2/s = R2. Karena nilai R2 dan X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan dan reaktansi tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti kombinasi seri X1, R1, X2, dan R2. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang mengalir pada motor diatur dengan cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur pada rotor dengan cepat. Daya input yang diberikan kepada motoradalah : Dimana : ππππππ = √3ππππ πΌπΌπΏπΏ (2.20) VT = tegangan line pada saat pengujian berlansung IL= arus line pada saat pengujian berlangsung πππ΅π΅π΅π΅ = Dimana : ππππ (2.21) √3πΌπΌπΏπΏ ZBR = impedansi hubung singkat πππ΅π΅π΅π΅ = π π π΅π΅π΅π΅ + πππππ΅π΅π΅π΅ = πππ΅π΅π΅π΅ cos ππ + πππππ΅π΅π΅π΅ sin ππ Tahanan block rotor : π π π΅π΅π΅π΅ = π π 1 + π π 2 (2.22) (2.23) Sedangkan reaktansi block rotor X’BR = X1’ + X2’ X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian π π 2 = π π π΅π΅π΅π΅ − π π 1 (2.24) Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat frekuensi operasi normal πππ΅π΅π΅π΅ = ππππππππππππ ′ π₯π₯ πππ΅π΅π΅π΅ = ππ1 + ππ2 πππ‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘π‘ (2.25) 9 Universitas Sumatera Utara Untuk memisahkan harga X1 dan X2, maka dapat digunakan tabel 1 Tabel 1. Distribusi reaktansi X1dan X2 pada berbagai desain motor induksi 2.7 Desain Kelas X1 X2 A 0.5 XBR 0.5 XBR B 0.4 XBR 0.6 XBR C 0.3 XBR 0.7 XBR D 0.5 XBR 0.5 XBR Rotor Belitan 0.5XBR 0.5 XBR Efisiensi Motor Induksi Efisiensi menunjukkan tingkat keefisienan kerja suatu peralatan dalam hal ini tmotor induksi yang merupakan perbandingan rating output (keluaran) terhadap input (masukan) dan dinyatakan dengan persamaan dibawah ini : η=οΏ½ 2.8 P out P in οΏ½ × 100% Metode Pengukuran Temperatur Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur motor induksiyaitu : a. Menggunakan Thermomter Infrared Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan thermometer infrared, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian terpanas dari mesin yang dapat diakses . 10 Universitas Sumatera Utara b. Mengunakan Embedded Detector Metode ini adalah penentuan suhu dengan termokopel atau resistensi detektor suhu yang diletakkan ke dalam mesin sesuai dengan ANSI C50.10-1977 atau NEMA MG1-1978 c. Mengukur Tahanan Lilitan motor Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan dengan tahanan yang sudah diketahui temperaturnya. Temperature tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan persamaaan : Dimana : Tt π π π‘π‘ − π π ππ οΏ½ (ππππ + ππ) πππ‘π‘ = ππππ οΏ½ π π ππ (2.26) : Temperatur total lilitan (oC) Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC) Rt : Tahanan pada saat motor panas (ohm) Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm) K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC) 225 ( konstanta untuk bahan aluminium ) (oC) d. Menggunakan Pendeteksi Temperatur Lokal Dengan pendeteksi temperature lokal berbagai panas bagian mesin dapat ditentukan dengan menggunakan detektor ini.detektor ini ditempatkan di dekat dengan bagian mana suhu lokal akan diukur .Contoh detektor suhu local, sensor inframerah, termokopel, termometer resistensi kecil, dan termistor.Detector ini sering dipasang sebagai bagian permanen dari mesin . 11 Universitas Sumatera Utara