BAB II MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

BAB II
MOTOR INDUKSI TIGA PHASA
II.1 UMUM
Faraday menemukan hukum induksi elektromagnetik pada tahun 1831 dan Maxwell
memformulasikannya ke hukum listrik (persamaan Maxwell) sekitar tahun 1860. Pengetahuan
tersebut dikembangkan hingga ditemukannya mesin induksi yang diperkenalkan Gallileo Ferraris
(1885) dan Nicola Tesla (1886). Mesin tersebut ditunjukkan pada gambar berikut.
(a)
(b)
Gambar 2.1 (a) Desain motor induksi Ferrari
(b) Desain motor induksi Tesla
Kedua rancangan motor tersebut disuplai oleh tegangan ac 2 phasa dan terkonsentrasi
pada belitan 1-1’ dan 2-2’ pada inti stator ferromagnetik. Pada penemuan Ferrari, rotor terbuat
dari silinder berbahan tembaga sedangkan pada penemuan Tesla rotor terbuat dari silinder
berbahan ferromagnetic yang belitannya dihubung singkat.
Hingga pada saat sekarang motor induksi dikembangkan hingga seperti pada gambar 2.2
dan performansinya sudah jauh lebih baik, meskipun prinsip dasarnya adalah sama. Suatu belitan
stator multiphasa menghasilkan medan putar yang menginduksikan tegangan pada rotor yang
Universitas Sumatera Utara
menghasilkan arus pada belitan rotor yang terhubung singkat. Interaksi antara medan stator dan
rotor menghasilkan torsi sehingga mesin dapat berputar, oleh karena torsi rotor pada saat start
tidaklah nol, maka motor induksi dapat berputar secara langsung.
Pada tahun 1889, Dolivo Dobrovolsky menemukan motor induksi rotor belitan dan
secara konstruksi sangat persis dengan yang digunakan pada saat ini. Selain itu dia adalah
penemu rotor sangkar ganda. Pada tahun 1900, motor induksi telah digunakan pada
perindustrian. Tidak lama setelahnya, sebelum tahun 1910 di Eropa kereta api telah
menggunakan motor induksi sebagai penggerak yang dapat mencapai kecepatan 200 km/jam
Gambar 2.2 Motor Induksi 3 Phasa Modern
Seiring dengan berkembangnya teknologi elektronika daya dan kendali digital, motor
induksi sangat populer dan mendapat julukan sebagai “ The Work House For Industry” dan
diberi label “ The Race Horse of High Technology”.
Motor induksi pada umumnya disuplai oleh sumber tegangan tiga phasa dan satu phasa.
Suplai motor 1 phasa belitan 2 phasa dan biasanya digunakan pada aplikasi rumahan (kipas
angin, mesin cuci, dan lain lain) berdaya diatas 2,7 sampai 3 kW. Motor induksi 1 phasa memiliki
2 kapasitor (Start dan Run) pada phasa pembantu ditunjukkan pada gambar.
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.3. Motor induksi 1 phasa dengan kapasitor Start and Run
Motor induksi 3 phasa ada juga yang dirancang dari alluminium untuk penggunaan
tertentu dan biasanya dayanya dibawah 55 kW
Gambar 2.4 Motor induksi berbahan alluminium
Disamping standard motor (kelas B untuk amerika dan EFF1 di Eropa), kelas motor
berefesiensi tinggi (EFF2 dan EFF3) juga telah dalam proses perkembangan dan penelitian.
Tabel 1.2 menunjukkan kelas effisiensi standard Eropa (EFF1, EFF2, dan EFF3), diperkirakan
dengan bahkan 1 sampai 2 % effisiensi bertambah, maka meningkatkan penghematan energi
Universitas Sumatera Utara
yang sangat signifikan. Motor berefisiensi tinggi tersebut dirancang dengan bertegangan 3800
sampai 11.500 Volt dan 50 – 60 Hz.
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
dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi ada juga
kelemahannya.
Keuntungan motor induksi tiga phasa:
1. Motor induksi tiga phasa sangat sederhana dan kuat.
2. Biayanya murah dan dapat diandalkan.
3. Motor induksi tiga phasa memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal.
4. Perawatanya mudah.
Kerugianya:
1. Kecepatannya tidak bisa bervariasi tanpa merubah efisiensi.
2. Kecepatannya tergantung beban.
3. Pada torsi start memiliki kekurangan.
II.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa
Motor induksi adalah motor ac yang paling banyak dipergunakan, karena konstruksinya
yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan
stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak, sedangkan stator bagian yang diam. Diantara
stator dengan rotor ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat
diperlihatkan pada gambar 2.5.
Universitas Sumatera Utara
Rotor
Stator
Gambar 2.5 Gambar rotor dan stator
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 berbentuk silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti
diisolasi dengan kertas (Gambar 2.6.(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi
(Gambar 2.6 (a)). Tiap lembaran besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang
pengikat untuk menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa
dimana untuk motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat
kumparan yang digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian
tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.6.(c)). Berikut
ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah
dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.
Universitas Sumatera Utara
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.6 Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti, (b)
Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam
Cangkang Stator
Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor induksi tiga
phasa berdasarkan jenis rotornya.
II.3 Jenis Motor Induksi Tiga Phasa
Ada dua jenis motor induksi tiga phasa berdasarkan rotornya yaitu:
1. Motor induksi tiga phasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor)
2. Motor induksi tiga phasa rotor belitan ( wound-rotor motor )
kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang
sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.
Universitas Sumatera Utara
II.3.1 Motor Induksi Tiga Phasa Sangkar Tupai ( Squirrel-cage Motor)
Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada
motor sangkar tupai tiga phasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja beralur yang didukung
dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan
kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang terpisah 120 derajat listrik. Lilitan phasa ini
dapat tersambung dalam hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ).
Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.7 di bawah ini.
(a)
Batang Poros
Cincin
Aluminium
Kipas
Batang
Poros
Laminasi Inti
Besi
Aluminium
Kipas
(b)
Gambar 2.7 rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar
Universitas Sumatera Utara
Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah coran tembaga
atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang lebih besar, batang rotor
tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan kemudian dilas dengan kuat ke cincin
ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor
tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga
mengurangi derau dengung magnetik sewaktu motor sedang berputar.
Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin. Rotor jenis
rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan
rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.8.
(a)
Universitas Sumatera Utara
(b)
Gambar 2.8 (a) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Kecil,
(b) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Besar
II.3.2 Motor Induksi Tiga Phasa Rotor Belitan ( wound-rotor motor )
Motor rotor belitan (motor cincin slip) berbeda dengan motor sangkar tupai dalam hal
konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi serupa dengan lilitan
stator. Lilitan phasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing phasa ujung terbuka yang
dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada
gambar-2.9. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan
penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.
Universitas Sumatera Utara
Sumber tegangan
Belitan
Stator
Slip
Ring
Belitan
Rotor
Tahanan
Luar
Gambar 2.9 Gambar skematik motor
Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang
berfunsi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab terhadap pemanasan rotor.
Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor belitan menghasilkan
torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan
rotor sangkar. Konstruksi motor tiga phasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
(a)
Universitas Sumatera Utara
(b)
Gambar 2.10 (a) Rotor Belitan, (b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan
II.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
Motor induksi adalah
peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik.
Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan phenomena alami magnetik, medan listrik,
gaya mekanis dan gerak.
Dalam motor induksi, tidak ada hubungan listrik ke rotor, arus rotor merupakan arus
induksi. Tetapi ada kondisi yang sama seperti motor dc, dimana pada rotor mengalir arus. Arus
ini berada dalam medan magnetik sehingga akan terjadi gaya (F) pada rotor yang akan
menggerakkan rotor dalam arah tegak lurus medan.
Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus
tiga phasa, arus ini menghasilkan medan magnetik yang berputar dengan kecepatan sinkron.
Ketika medan melewati konduktor rotor, dalam konduktor ini diinduksikan ggl yang sama
seperti ggl yang diinduksikan dalam lilitan sekunder transformator oleh fluksi arus primer.
Universitas Sumatera Utara
Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung atau tahanan luar, ggl
induksi menyebabkan arus mengalir dalam konduktor rotor. Jadi arus yang mengalir pada
konduktor rotor dalam medan magnet yang dihasilkan stator akan menghasilkan gaya (F) yang
bekerja pada rotor.
Gambar – 2.14 di bawah ini menggambarkan penampang stator dan rotor motor induksi,
dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam dan dengan statornya diam
seperti pada saat start.
Gerakan medan magnet
berputar
Stator
XX
Rotor
X
X
X
XX
Gambar 2. 11. Penampang stator dan motor
Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan gambar di atas, penggunaan aturan tangan
kanan fleming bahwa arah arus induksi dalam konduktor rotor menuju pembaca. Pada kondisi
seperti itu, dengan konduktor yang mengalirkan arus berada dalam medan magnet seperti yang
ditunjukkan, gaya pada konduktor mengarah ke atas karena medan magnet di bawah konduktor
lebih kuat dari pada medan di atasnya. Agar sederhana, hanya satu konduktor rotor yang
diperlihatkan. Tetapi, konduktor – konduktor rotor yang berdekatan lainnya dalam medan stator
juga mengalirkan arus dalam arah seperti pada konduktor yang ditunjukkan, dan juga
mempunyai suatu gaya ke arah atas yang dikerahkan pada mereka. Pada setengah siklus
Universitas Sumatera Utara
berikutnya, arah medan stator akan dibalik, tetapi arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya
pada rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor rotor di bawah kutub – kutub medan stator
lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutarkan rotor searah jarum jam. Jika
kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang menahan, motor akan
melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang sama dengan perputaran medan
magnet stator.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga phasa, maka dapat dijabarkan dalam
langkah – langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga
phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa.
2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah.
3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap
belitan phasa.
4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah:
e1 = − N 1
atau
dΦ
dt
E1 = 4,44 fN 1Φ
( Volt )
( Volt ).
5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar dengan
kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f
yang dirumuskan dengan
ns =
120 × f
p
( rpm ).
6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada
kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya:
Universitas Sumatera Utara
E 2 = 4,44 fN 2 Φ m
( Volt )
dimana :
E2
= Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)
N2
= Jumlah lilitan kumparan rotor
Фm = Fluksi maksimum (Wb)
7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan menghasilkan
arus I2
8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor
9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor
akan berputar searah medan putar stator
10. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron. Perbedaan
kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan
s=
ns − n r
× 100%
ns
11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada kumparan
rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2s
yang besarnya:
E 2s = 4,44 sfN 2 Φ m
( Volt )
dimana
E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)
f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar)
12. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan
rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns.
Universitas Sumatera Utara