studi perbaikan torsi dan efisiensi motor induksi tiga fasa dengan

STUDI PERBAIKAN TORSI DAN EFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA FASA
DENGAN MEMPERBAIKI FAKTOR DAYA MOTOR INDUKSI
Muhammad Fahmi Syawali Rizki, A.Rachman Hasibuan
Konsentrasi Teknik Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara (USU)
Jl. Almamater, Kampus USU Medan 20155 INDONESIA
e-mail: mfahmi,[email protected]
ABSTRAK
Fak to r d aya mo to r ind uk si yang rendah aka n sangat merugikan k onsu men terutama k alan ga n
ind ustri seb agai p en ggu na terb esar. Bagi industri ko nd isi fak to r d a ya rendah tak d ap at d ihindari karena
b eban mo to r yan g b ervariasi. Mo to r induk si d engan b eban p enuh d ap at memb erika n fak to r d a ya ting gi,
na mun p ad a saat mo to r b erb eb an rendah fak to r dayan ya akan turun h ing ga dap at men cap ai 0 ,3 . Kond isi
semacam in i dap at d iatasi d enga n p ena mba han kapasito r. Kapasito r yang d ipasang secara paralel d engan
mo tor d ap at d igu nak an untuk memp erbaik i fak to r daya. Besarnya nilai kapasito r tergantun g pada d a ya
reak tif ya n g d itarik o leh mo to r. Dengan memperbaiki faktor daya kita juga dapat memperbaiki efisiensi dan
torsi dari motor induksi tiga fasa tersebut, seb ab kap asito r yang n ilain ya terlalu ting gi dap a t mengak ib atka n
tin ggin ya tegangan k erja. Hasil p enelitian menu njukk an b ah wa d enga n p emasangan k ap asito r 16μF d ap at
p erb aikan fak to r daya hingga mencap ai 0 ,90 d an e fi sie nsi p un se ma ki n b ai k. Perb aikan fak to r d a ya han ya
efek tif p ad a b eban k ura ng dari 50 % dari b eban no rmal.
Kata Kunci : Motor induksi, faktor daya, efisiensi, Torsi
1. Pendahuluan
Motor induksi banyak diguna kan sebagai
pe nggerak utama pada se ba gian besar industri.
Pada umumn ya motor yang diguna kan untuk
keperluan industri adalah motor-motor kecil
yang efisiensinya tidak tinggi, sehi ngga ba nya k
kerugian pada ra ngkaian magnetisasi
sa at
berbe ban ringan. Motor ya ng dibuat oleh
pabrik diranc ang untuk beroperasi mendekati
beba n penuh, sehingga jika beban turun
dibawa h beba n terte ntu maka efisiensi turun
dengan cepat.
Me ngoperasikan
motor
dibawa h laju
be ban renda h
memiliki
da mpa k pa da fa ktor da yanya. Faktor da ya
ya ng tinggi sa ngat diingi nka n, agar operasi
mesin lebih efisien dan me njaga bia ya
renda h untuk seluruh sistem kelistrika n pa brik.
Untuk mengatasi re nda hnya fa ktor da ya,
yang biasa dilakukan adalah denga n memasa ng
ka pasitor parallel dengan beba n. Pemasa ngan
ka pasitor ya ng terlalu kecil tidak memberi kan
dampa k ya ng berarti, sedangkan kapa sitor ya ng
terlalu bes ar akan berdampa k naiknya te gangan
kerja motor. Jika kenai kan tegangan kerja
motor berlangsung la ma, maka suhu motor
akan menjadi tinggi ya ng dapat mengakibat kan
motor terbakar. Dengan pemasa ngan kapasitor
ya ng se suai diharapkan dapat memper baika n
faktor da ya dan tidak terjadi kenai kan
te ga nga n yang membaha ya kan.
2. Motor Induksi Tiga Fasa
Motor induksi tiga fasa rotor belitan
merupakan salah satu mesin ac yang berfungsi
untuk mengubah energi listrik menjadi energi
mekanis. Motor induksi terdiri atas bagian
stasioner (diam) dan bagian bergerak. Bagian
stasioner yang disebut juga stator, terdiri dari
inti-inti besi yang dipisah oleh celah udara dan
membentuk
rangkaian
magnetik
yang
menghasilkan fluksi oleh adanya arus yang
mengalir
melalui
kumparan-kumparan,
sedangkan bagian bergerak yang disebut juga
rotor terdiri dari pada konduktor yang dialiri
arus, sehingga pada konduktor ini berinteraksi
dengan fluksi yang dihasilkan stator yang akan
menyebabkan timbulnya gaya. Setiap bagian
stator dan rotor masing-masing memiliki
terminal masukan. Masukan dari motor
induksi berupa tegangan ac yang dihubungkan
di terminal stator.
Rotor belitan terdiri atas beberapa
lilitan kumparan tembaga. Prinsip kerja dari
motor ini bersifat induksi. Penggunaan suatu
motor induksi oleh konsumen ditentukan dari
daya mekanis yang dihasilkan oleh motor
induksi tersebut.
1
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
P = V.I. 3 .Cos (watt) .................. (4)
Dimana, P= da ya motor
V = tegangan kerja motor
Gambar 1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa
Rotor Belitan
Belitan stator yang dihubungkan
dengan suatu sumber tegangan tiga fasa akan
menghasilkan medan magnet yang berputar
dengan kecepatan sinkron. Medan putar pada
stator tersebut akan memotong konduktor
konduktor pada rotor, sehingga terinduksi arus
dan sesuai dengan Hukum Lentz, rotor pun
akan ikut berputar mengikuti medan putar
stator. Perbedaan putaran relatif antara stator
dan rotor disebut slip. Bertambahnya beban,
akan memperbesar kopel motor, yang oleh
karenanya akan memperbesar pula arus
induksi pada rotor, sehingga slip antara medan
putar stator dan putaran rotor pun akan
bertambah besar. Jadi, apabila beban motor
bertambah,
putaran
rotor
cenderung
menurun[1].
I = arus motor (amper)
Cos = faktor daya
Untuk memperke cil sudut , maka
diperluka n pena mba han kapasitor. Besarnya
sudut  = 1 + 2, maka besarnya da ya
r eaktif Q = Q1 + Q2, sehingga Q2 = Q –
Q1, yang ta k lain adalah daya ya ng tersimpan
dalam ka pasitor[1].
Besarnya sudut  dipengaruhi oleh
bes arnya impeda nsi beba n, jika
be ban
bersifat induktif (+) maka
impeda nsi
me ngara h ke sumbu positif dan jika be ban
bersifat kapasitif (-) mengarah ke sumbu
negative[1].
Torsi Rotor Motor Induksi Trs 
Adanya perbedaan kecepatan pada
rotor nr  dan stator ns  mengakibatkan slip
a.
3. Perbaikan Faktor Daya
s  .
Dalam sistem listrik AC/Arus BolakBalik ada tiga jenis daya yang dikenal,
khususnya untuk beban yang memiliki
impedansi (Z), yaitu:
1. Daya semu (S), VA (Volt Amper).
2. Daya aktif (P), Watt.
3. Daya reaktif (Q), VAR (Volt Amper
Reaktif).
Kecepatan rotor mengakibatkan adanya
kecepatan putar rotor  r  dan kecepatan
putar rotor mengakibatkan adanya torsi rotor
Trs  . Maka dapat kita lihat pada persamaan
(5) dan persamaan (6) sebagai berikut[2]:
r  2. .nr ......................... (5)
Trs 
Pr in 
r
.......................... (6)
Jadi dari persamaan di atas dapat disimpulkan
bahwa untuk menghasilkan torsi yang besar
dibutuhkan daya yang besar[2].
Pr in  3.Es .I r' . cos  ............. (7)
Gambar 2 Segitiga Daya
Bila persamaan (6) disubsitusikan ke
persamaan (7), maka diperoleh persamaan (8)
sebagai berikut[2]:
ma ka dapat dilihat pada persamaan dibawah ini
:
𝑃
cos 𝜃 = 𝑆 ...........................................(1)
Besarnya da ya s emu (S) motor induksi adalah :
S = V.I (vo lt-amper).............................(2)
Trs 
r
............... (8)
Bila persamaan (7) disubsitusikan ke
persamaan (8), maka didapat besar torsi pada
rotor motor induksi tiga fasa dilihat pada
persamaan (9) adalah[2] :
Besarnya da ya P motor induksi satu fase
adala h :
P = V.I Cos 
3.E s .I r' . cos 
(watt)....................... (3)
Trs 
Besarnya da ya P motor induksi tiga fase
a dalah:
3.E s2 .a 2 .Rr .s
 r . (a 2 .Rr ) 2  (a 2 . X r .s) 2

.... (9)
2
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
Di mana
N.m
r
Es
ini dilakukan untuk kondisi motor tanpa
kapasitor, dan dengan kapasitor 25 μf 400
WV dan kapasitor 16 μf 400 WV pada
masing-masing fasanya.
= Torsi rotor motor induksi
= Kecepatan putar rotor rad / s 
= Tegangan terminal stator volt 
= Tahanan rotor  
Rr
Xr
b.
Trs
5. Hasil dan Pembahasan
Hasil simulasi motor induksi tiga fasa
rotor belitan adalah berupa analisa dan grafik
dari perbandingan antara efisiensi motor
induksi tiga fasa tanpa kapasitor dan dengan
kapasitor
,
kecepatan
motor,
torsi
elektromagnetik serta faktor daya motor.
= Reaktansi rotor  
Efisiensi
Perhitungan efisiensi motor induksi
melibatkan rugi-rugi yang terjadi pada stator
dan rotor. Rugi-rugi stator terdiri atas rugi-rugi
hysteresis, rugi-rugi eddy current, rugi-rugi
inti dan rugi-rugi tembaga pada kumparan
stator. Dengan memperhitungkan rugi-rugi ini
maka besar daya netto yang melewati celah
udara dapat dilihat pada persamaan (10)
adalah[3]:
𝑃𝐶𝑢 = 𝑃𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 − 𝑃𝑖𝑛𝑡𝑖 − 𝑃𝑡𝑒𝑚𝑏𝑎𝑔𝑎 .....(10)
Efisiensi motor adalah perbandingan antara
daya keluaran yang berguna dengan daya
masukan total, yaitu dilihat pada persamaan
(11) sebagai berikut[3]:
𝑃
𝜂 % = 𝑜𝑢𝑡 𝑥100%.
100%...........................(11)
𝑃
1. Percobaan Pengukuran Tahanan DC
Hasil Percobaan Pengukuran Tahanan DC
dapat dilihat pada Gambar 3.
U
A
Ru
Rv
+
-
V
V
Rw
VDC Variabel
W
Gambar 3 Rangkaian percobaan suplai DC
𝑖𝑛
Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb....(12)
Pin =
Data Hasil Percobaan Tahanan Stator DC
dapat dilihat pada Tabel 1.
3 . V1. I1. Cos………............(13)
Dari persamaa n di atas dapat
dilihat ba hwa efisie nsi motor terga ntu ng
pada besarnya rugi – rugi. Pada dasarnya
metode ya ng digu naka n untuk mene ntukan
efis ie nsi motor induksi be rgantu ng pada
dua hal apaka h motor itu da pa t dibe ba ni
secara pe nuh atau pe mbe ba nan simula si
ya ng harus digu nakan[3].
Tabel 1 Data Hasil Percobaan Tahanan Stator
DC
Phasa
V (volt)
I (A)
U-V
12,89
4,2
RDC =
4. Perbaikan Torsi dan Efisiensi Motor
Induksi Tiga Fasa dengan Memperbaiki
Faktor Daya Motor Induksi
Pelaksanaan penelitian ini dilakukan
dalam dua tahap yaitu tahap pertama
kumparan stator motor dihubungkan bintang,
dan tahap kedua kumparan stator motor
dihubungkan delta. Motor dikopel dengan
sebuah generator arus searah dan beban
elektrik
(RL),
selanjutnya
dilakukan
pengukuran untuk berbagai parameter motor
berdasarkan pengaturan beban RL yaitu
tegangan masukan, arus untuk ketiga fasanya,
daya masukan motor, tegangan dan arus
generator, kecepatan putar motor. Pengukuran
𝑉 12,
12,89
= 4,2 = 3,07 Ω
𝐼
Karena hubungan pada stator adalah
hubungan Y, maka Rdc adalah
RDC =
3,07
= 1,535 Ω
2
RAC = 1,2 x 1,535 = 1,842 Ω
Data Hasil Percobaan Tahanan Rotor DC
dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2 Data Hasil Percobaan Tahanan Rotor
DC
3
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
Phasa
V (volt)
K-M
I (A)
2,38
S1
3,4
R
P
S
A
T
RDC =
3F
A3
GA
V1
n
M
V2
G
RL
T
C
T
S3
K LM
HB
A1
J
K
A4
𝑉 2,38
= 3,4 = 0,7 Ω
𝐼
W 3 phasa
If
+- 5A 25A P2
P1
P3
S2
+
-
P T D C1
Karena hubungan pada stator adalah hubungan
Y, maka Rdc adalah
AC
Gambar 4 Rangkaian Percobaan Pembebanan
Tanpa menggunakan kapasitor dengan tahanan
luar
0,7
= 0,35 Ω
2
RDC =
RAC = 1,2 x 0,35 = 0,42 Ω
Data Hasil Percobaan Pembebanan Tanpa
menggunakan kapasitor dengan tahanan luar
dapat dilihat pada Tabel 3.
2. Percobaan Pembebanan Tanpa Kapasitor
Hasil Percobaan Pembebanan Tanpa
menggunakan Kapasitor dengan tahanan luar
dapat dilihat pada Gambar 4
Tabel 3 Data Percobaan Pembebanan Tanpa Kapasitor.
V(volt)
380
380
380
380
cos φ
0,26
0,28
0,29
0,33
IL(A)
4,54
4,66
5,42
6,41
Pout =
P1(W)
358,97
346,15
346,15
333,33
Nr(rpm)
1400
1350
1350
1200
P(W)
1350
1620
2240
2400
0,25 .1400 .1000
= 358,97 watt
975
Slip
0,066
0,1
0,1
0,166
No
P
358,
358,97
η = out x 100% = 720 = 26,59 %
Pin
3. 𝑅
𝑇𝑑 = 𝑆𝜔𝑟 𝐼2
1
2
3
4
2
𝑠
𝑇𝑑 =
3.0,42
0,066.
066.157
4,96
2
= 2,97 Nm
Data Hasil Analisa Perbandingan Torsi dan
Efisiensi Motor Induksi Tanpa Kapasitor dapat
dilihat pada Tabel 4.
1
2
3
4
R
(%)
20
40
60
80
Cosφ
0,26
0,28
0,29
0,33
R
(%)
20
40
60
80
Cosφ
0,26
0,28
0,29
0,33
I2
4,96
6,85
8,23
11,15
Eff(%)
26,59
21,36
15,45
13,88
Torsi(Nm)
2,97
3,76
5,41
7,56
Efisiensi
(%)
26,59
21,36
15,45
13,88
Gambar (3) dan Gambar (4) ini menunjukkan
kurva karakteristik perbandingan Efisiensi
Motor Induksi Tanpa Kapasitor dan kurva
karakteristik perbandingan Torsi Motor
Induksi Tanpa Kapasitor.
Tabel 4 Hasil Analisa Data Perbandingan
Torsi Dan Efisiensi Motor Induksi Tanpa
Kapasitor
No
Beban
20 %
40 %
60 %
80 %
Torsi
2,97
3,76
5,41
7,56
4
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
Gambar 3 . Kurva Perbandingan Efesiensi
Motor Induksi Tanpa Kapasitor
Kapasitor
S1
R
T
S
n
M
A
A3
GA
A2
V1
V2
G
T
C
T
S3
K LM
P
HB
A1
3F
J
K
If
A4
W 3 phasa
+
- 5A 25A P2
P1
S2
P3
+
PTD C
AC
Gambar5 Rangkaian Percobaan Perbaikan
Torsi dan Efisiensi Motor Induksi Tiga
Fasa dengan Kapasitor
Gambar 4. Kurva Perbandingan Torsi Motor
Induksi Tanpa Kapasitor
Data Hasil Percobaan Perbaikan Torsi dan
Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa dengan
Kapasitor dihubungkan Y 25 F dapat dilihat
pada Tabel 5.
3. Percobaan Perbaikan Torsi dan Efisiensi
Motor Induksi Tiga Fasa dengan Kapasitor
Hasil Percobaan Perbaikan Torsi dan
Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa dengan
Kapasitor dapat dilihat pada Gambar 4
Tabel 5 Data Hasil Percobaan Pembebanan Dengan Kapasitor Dihubungkan Y 25 F
V(volt)
380
380
380
380
Ic (A)
3,18
3,18
3,18
3,18
IL(A)
2,17
2,51
3,58
4,67
F(Hz)
50
50
50
50
Ns (rpm)
1500
1500
1500
1500
Nr(rpm)
1400
1350
1300
1250
Slip
0,066
0,1
0,133
0,166
Beban
20 %
40 %
60 %
80 %
I2
5,24
6,47
10,00
12,44
Ic (A)
F(Hz)
Ns (rpm) Nr(rpm)
P(W)
Slip
Beban
I2
IL(A)
2,93
2,22
50
1500
1400
2250
0,066
20 %
5,26
2,93
2,48
50
1500
1350
2500
0,1
40 %
6,42
2,90
3,48
50
1500
1300
2950
0,133
60 %
9,75
2,90
4,83
50
1500
1250
3430
0,166
80 %
11,14
Tabel 6 Data Hasil Percobaan Pembebanan Dengan Kapasitor Dihubungkan ∆ 16 F
Dari analisa perhitungan pada data hasil
percobaan di atas dimana mencari Torsi Pada
saat berkembang dan Efisiensi dapat dilihat
pada persamaan dibawah :
Rumus untuk Efisiensi adalah :
I1 = IL + IC ...................................... (16)
Ps = 3 . I12 Rstator .............................. (17)
Rumus untuk Torsi pada saat berkembang
adalah :
3.𝑅𝑟
𝑆𝜔𝑠
𝜔𝑠 =
2.𝜋 .𝐹
………………………….(15)
𝑃
cos φ
0,96
0,95
0,92
0,90
a. Efisiensi
a. Torsi
𝑇𝑑 =
cos φ
0,90
0,92
0,95
0,96
Kapasitor dihubungkan ∆ 16 F dapat dilihat
pada Tabel 6.
Data Hasil Percobaan Perbaikan Torsi dan
Efisiensi Motor Induksi Tiga Fasa dengan
V(volt)
380
380
380
380
P(W)
1350
1510
2220
2870
η
𝐼2 2 ……………….....…(14)
=
Pout
x 100%.................. ... (18)
Pin
Data Hasil Analisa Perbandingan Torsi Dan
Efisiensi Motor Induksi Dengan Kapasitor
Hubungan Delta Dan Bintang dapat dilihat
pada Tabel 7
5
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
RL
Tabel 7 Hasil Analisa Data Perbandingan
Torsi Dan Efisiensi Motor Induksi Dengan
Kapasitor Hubungan Delta Dan Bintang
V0
Ceks
Ceks
= 380 Volt
= 16 μF dihubungkan ∆
= 25 μF dihubungkan Y
No
R
(%)
1
2
3
4
20
40
60
80
No
R
(%)
1
2
3
4
20
40
60
80
Cosφ
C∆
0,90
0,92
0,95
0,96
CY
0,96
0,95
0,92
0,90
Cosφ
C∆
0,90
0,92
0,95
0,96
CY
0,96
0,95
0,92
0,90
Torsi
C∆
3,321
3,348
6,000
7,450
Gambar 6. Kurva Perbandingan Efisiensi
Motor Induksi Dengan Kapasitor Hubungan
Delta Dan Bintang
CY
3,360
3,699
5,798
6,204
6. Kesimpulan
Berdasarkan pembahasan hasil penelitian,
maka dapat disimpulkan bahwa :
1. Pemasangan kapasitor pada motor
induksi tiga fasa hubungan delta dapat
meningkatkan faktor daya rata-rata
sebesar 35% , dan efisiensi motor juga
meningkat sekitar 40%.
2. Dengan pemasangan kapasitor pada
motor induksi tiga fasa, pada
hubungan
bintang
mengalami
penurunan faktor daya 30 % dan
efisiensi motor juga mengalami
penurunan sekitar 36%.
3. Torsi pada hubungan delta 16 µF lebih
besar daripada hubungan wye 25µF
setelah di pasang kapasitor.
Efisiensi(%)
C∆
89,51
89,60
89,78
89,93
CY
93,88
93,83
92,91
91,21
Gambar (5) dan Gambar (6) ini menunjukkan
kurva karakteristik Perbandingan Torsi Motor
Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta
Dan Bintang dan kurva karakteristik
Perbandingan Efisiensi Motor Induksi Dengan
Kapasitor Hubungan Delta Dan Bintang
7. Daftar Pustaka
[1]. http://www.jmag-international.com/
catalog/40_ThreePhaseInductionMot
or
[2]. Rashid, Muhammad H. , “Power
Electronics
circuit
devices
and
applications”,
Prentice
Hall
International, Inc, New Jersey, 1998
[3]. Chapman
Stephen
J,
“Electric
Machinery Fundamentals”,Third Edition
Mc Graw Hill Companies, New York,
1999
[4]. Gonen Turan,”Electric Power System
Engineering”,
McGraw-Hill
Book
Company, Inc., New York, 19
Gambar 5. Kurva Perbandingan Torsi Motor
Induksi Dengan Kapasitor Hubungan Delta
Dan Bintang
6
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan
7
Muhammad Fahmi Syawali Rizki
A.Rachman Hasibuan