BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2. 1 Motor Induksi Tiga Fasa Motor

BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2. 1
Motor Induksi Tiga Fasa
Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik yang
paling banyak digunakan dalam dunia industri. Dinamakan motor induksi karena
pada kenyataannya arus rotor motor ini bukan diperoleh dari suatu sumber listrik,
tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif
antara putaran rotor dengan medan putar. Dalam kenyataannya, motor induksi
dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu dengan kumparan stator
sebagai kumparan primer yang diam, sedangkan kumparan rotor sebagai kumparan
sekunder yang berputar [6].
Motor induksi tiga fasa berputar pada kecepatan yang pada dasarnya
adalah konstan, mulai dari tidak berbeban sampai mencapai keadaan beban penuh.
Kecepatan putaran motor ini dipengaruhi oleh frekuensi, dengan demikian
pengaturan kecepatan tidak dapat dengan mudah dilakukan terhadap motor ini.
Walaupun demikian, motor induksi tiga fasa memiliki beberapa keuntungan, yaitu
sederhana, konstruksinya kokoh, harganya relatif murah, mudah dalam melakukan
perawatan, dan dapat diproduksi dengan karakteristik yang sesuai dengan
kebutuhan industry [6].
2.2
Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa
Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama
dengan motor listrik jenis lainnya. Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu
stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar
sebagaimana diperlihatkan pada gambar 2.1. Antara bagian stator dan rotor
dipisahkan oleh celah udara yang sempit, dengan jarak berkisar dari 0,4 mm
sampai 4 mm [6].
4
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa
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 2.2(b)). Tiap elemen laminasi inti
dibentuk dari lempengan besi (Gambar 2.2(a)). Tiap lempengan besi tersebut
memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap
kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan fasa dimana untuk motor tiga
fasa, 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
2.2(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah
disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor
induksi tiga fasa [6].
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.2. Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa :
(a) Lempengan Inti,
(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya,
5
http://digilib.mercubuana.ac.id/
(c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator.
Berdasarkan jenis rotornya, motor induksi tiga fasa dapat dibedakan
menjadi dua jenis, yang juga akan menjadi penamaan untuk motor tersebut, yaitu
rotor belitan (wound rotor) dan rotor sangkar tupai (squirrel cage rotor).
Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa yang merupakan
bayangan dari belitan pada statornya. Belitan tiga fasa pada rotor belitan biasanya
terhubung Y, dan masing-masing ujung dari tiga kawat belitan fasa rotor tersebut
dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada poros rotor (gambar 2.3(a)).
Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui sikat (brush) yang
menempel pada slip ring (perhatikan gambar 2.4), dengan menggunakan sebuah
perpanjangan kawat untuk tahanan luar [6].
(a)
(b)
Gambar 2.3. Rotor Belitan
(a) Tampilan Close-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan
(b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan
Gambar 2.4. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Dari gambar 2.4. dapat dilihat bahwa semata-mata keberadaan slip ring
dan sikat hanyalah sebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (exsternal
resistance). Keberadaan tahanan luar disini berfungsi pada saat starting yang
berguna untuk membatasi arus mula yang besar. Tahanan luar ini kemudian secara
perlahan dikurangi sampai resistansinya nol sebagaimana kecepatan motor
bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor telah mencapai
kecepatan nominalnya, maka tiga buah sikat akan terhubung singkat tanpa tahanan
luar sehingga rotor belitan akan bekerja seperti halnya rotor sangkar tupai.
Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang
konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai.
Rotor terdiri dari tumpukan lempengan besi tipis yang dilaminasi dan
batang konduktor yang mengitarinya (perhatikan gambar 2.5(a)). Tumpukan besi
yang dilaminasi disatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (sebagai
batang konduktor) dimasukan ke dalam slot dari inti rotor untuk membentuk
serangkaian konduktor yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari
sederetan batang-batang konduktor yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan
rotor, ujung-ujungnya dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung
singkat (shorting ring) atau disebut juga dengan end ring [6].
(a)
(b)
Gambar 2.5. Rotor Sangkar
(a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya
(b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai
7
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.3
Prinsip Medan Putar
Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa motor
induksi, maka arus bolak-balik sinusoidal IR, IS, IT akan mengalir pada belitan
stator. Arus-arus ini akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang mana
pada kumparan akan menghasilkan fluks magnetik yang berputar sehingga disebut
juga dengan medan putar. Medan magnet yang demikian kutub-kutubnya tidak
diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran posisinya disekitar stator.
Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil contoh
pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang dihasilkan oleh
arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah [6]:
ΦR = Φm sin ωt
(2.1)
ΦS = Φm sin (ωt – 120o)
(2.2)
ΦT = Φm sin (ωt – 240o)
(2.3)
Gambar 2.6 Arus Tiga Fasa Setimbang
Gambar 2.7 Diagram Fasor Fluksi Tiga Fasa Setimbang
http://digilib.mercubuana.ac.id/
8
1
2
3
4
Gambar 2.8 Medan Putar Pada Motor Induksi Tiga Fasa
(Menggambarkan keadaan pada gambar 2.6)
(a). Pada keadaan 1 (gambar 2.6 dan 2.8), ωt = 0; arus dalam fasa R bernilai nol
sedangkan besarnya arus pada fasa S dan fasa 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 resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu
sebesar 1,5 Φm dan dibuktikan sebagai berikut :
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/
ΦR = 0;
(2.4)
ΦS = Φm sin (-120o)
ΦT = Φm sin (-240o) =
√
√
Φm
(2.5)
Φm
(2.6)
Oleh karena itu resultan fluks, Φr adalah jumlah fasor dari ΦT dan -ΦS.
Sehinngga resultan fluks, Φr= 2 x
√
Φm cos 30o = 1,5 Φm.
(b). Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada fasa S, sedangkan pada
R dan fasa T bernilai 0,5 maksimum pada fasa R dan fasa T, dan pada saat ini
ωt = 30o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing fasa :
ΦR = Φm sin (-120o) = 0,5 Φm
(2.7)
ΦS = Φm sin (-90o) = - Φm
(2.8)
ΦT = Φm sin (-210o) = 0,5 Φm
(2.9)
Maka jumlah fasor ΦR dan ΦT adalah = Φr‟ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5 Φm.
Sehingga resultan fluks Φr = -ΦS + Φr‟ = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 30o dari posisi pertama.
(c). Pada keadaan ini ωt = 60o, arus pada fasa R dan fasa T memiliki besar yang
sama dan arahnya berlawanan (0,866 Φm), oleh karena itu fluks yang
diberikan oleh masing-masing fasa:
10
http://digilib.mercubuana.ac.id/
ΦR = Φm sin (60o) =
√
ΦS = Φm sin (-60o) = -
Φm
√
(2.10)
Φm
(2.11)
ΦT = Φm sin (-180o) = 0
Maka magnitud dari fluks resultan: Φr = 2 x
(2.12)
√
Φm cos 30o = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 60o dari posisi pertama.
(d). Pada keadaan ini ωt = 90o, arus pada fasa R maksimum (positif), dan arus pada
fasa S dan fasa T = 0,5 Φm , oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masingmasing fasa:
ΦR = Φm sin (90o) = Φm
(2.13)
ΦS = Φm sin (-30o) = - 0,5 Φm
(2.14)
ΦT = Φm sin (-150o) = - 0,5 Φm
(2.15)
Maka jumlah fasor -ΦT dan -ΦS adalah = Φr‟ = 2 x 0,5 Φm cos 60 = 0,5
Φm. Sehingga resultan fluks Φr = Φr‟ + ΦT = 0,5 Φm + Φm = 1,5 Φm.
Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks
berpindah sejauh 90o dari posisi pertama.
11
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.4
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa
Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga
fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator
dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik . Amplitudo fluksi per fasa yang
dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan
putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan
sinkron [6]:
ns = 120
(2.16)
dimana,
ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f = frekuensi sumber daya (Hz)
P = jumlah kutub motor induksi
Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi
(ggl lawan) pada belitan fasa stator sebesar:
(2.17)
√
√
(2.18)
dimana,
e1 = ggl induksi sesaat stator/fasa (Volt)
Em1 = ggl induksi maksimum stator/fasa (Volt)
E1 = ggl induksi efektif stator/fasa (Volt)
f1 = frekuensi saluran (Hz)
N1 = jumlah lilitan kumparan stator/fasa
= fluks magnetik maksimum (Weber)
http://digilib.mercubuana.ac.id/
12
Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor
yang diam (perhatikan gambar 2.9). Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif
antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, yang
disebut juga dengan slip (s).
(2.19)
Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada
konduktor-konduktor rotor sebesar :
(2.20)
(2.21)
dimana :
e2 = ggl induksi sesaat pada saat rotor diam/fasa (Volt)
E2 = ggl induksi efektif pada saat rotor diam/fasa (Volt)
f2 = frekuensi arus rotor (Hz)
N2 = jumlah lilitan pada kumparan rotor/fasa
= fluks magnetik maksimum (Weber)
Gambar 2.9 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor
Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin
ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktorkonduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus
ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan
terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini
13
http://digilib.mercubuana.ac.id/
sesuai dengan hukum gaya lorentz (perhatikan gambar 2.10) yaitu bila suatu
konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka
konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar
[6]:
F = B.i.l.sin θ
(2.22)
dimana,
F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton)
B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
i = besar arus pada konduktor (A)
l = panjang konduktor (m)
θ = sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik
Gaya F ini adalah hal yang sangat penting karena merupakan dasar dari
bekerjanya suatu motor listrik.
Arah dari gaya elektromagnetik tersebut dapat dijelaskan oleh kaidah
tangan kanan (right-hand rule). Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari
telunjuk menyatakan arah dari vektor arus i dan jari tengah menyatakan arah dari
vektor kerapatan fluks B, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang bekerja
pada konduktor tersebut.
Gaya F yang dihasilkan pada konduktor-konduktor rotor tersebut akan
menghasilkan torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar
daripada torsi beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar searah dengan putaran
medan putar stator.
Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet
14
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Seperti yang telah disebutkan di atas, motor akan tetap berputar bila
kecepatan medan putar lebih besar dari pada kecepatan putaran rotor (ns > nr).
Apabila ns = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan medan putar
(ns) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain slip (s) adalah nol. Hal ini
menyebabkan tidak adanya ggl terinduksi pada kumparan rotor sehingga tidak ada
arus yang mengalir, dengan demikian tidak akan dihasilkan gaya yang dapat
menghasilkan kopel untuk memutar rotor [6].
2.5
Rangkaian Ekivalen Motor Induksi 3 Fasa
Rangkaian ekivalen perfasa motor induksi dengan model transformator,
dengan rasio perbandingan „a’ antara stator dan rotor adalah seperti gambar 2.11.
Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Per-Fasa Motor Induksi Model Transformator
Untuk menghasilkan rangkaian ekivalen per-fasa akhir dari motor induksi,
penting untuk menyatakan bagian rotor dari model rangkaian ekivalen gambar 2.11
di atas terhadap sisi stator. Pada transformator yang umum, tegangan, arus, dan
impedansi pada sisi sekunder, dapat dinyatakan terhadap sisi primer dengan
menggunakan rasio perbandingan belitan dari transformator tersebut. Dengan
mengasumsikan jenis rotor yang digunakan adalah jenis rotor belitan dan
terhubung bintang ( Y ), yang mana motor dengan rotor jenis ini sangat mirip
dengan transformator, maka kita dapat juga menyatakan sisi rotor terhadap sisi
stator seperti halnya pada transformator [6].
Jika rasio perbandingan efektif dari sebuah motor induksi adalah a
(=N1/N2), maka pentransformasian tegangan rotor terhadap sisi stator menjadi [6]:
(2.23)
15
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Untuk arus rotor :
(2.24)
Dan untuk impedansi rotor:
(2.25)
Dengan penguraian lebih lanjut:
(2.26)
(2.27)
Adapun rangkaian rotor yang dinyatakan terhadap bagian stator, rangkaian
ekivalen tersebut dapat dilihat pada gambar 2.12(a), sedangkan pada gambar
2.12(b) merupakan modifikasi dari gambar 2.12(a) dimana adanya
)
menyatakan resistansi variabel sebagai analog listrik dari beban mekanik variabel.
(a)
(b)
Gambar 2.12 Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan Bagian
16
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Rangkaian Rotor Dinyatakan Terhadap Sisi Stator
(a) dengan tahanan variabel
(b) dengan tahanan variabel
) sebagai bentuk analog listrik dari
beban mekanik
Pada transformator, analisis rangkaian ekivalen dilakukan dengan
mengabaikan cabang pararel yang terdiri dari Rc dan Xm atau dengan
memindahkan cabang pararel ke terminal primer. Bagaimanapun, penyederhanaan
ini tidak diperbolehkan pada rangkaian ekivalen motor induksi. Ini disebabkan
kenyataan bahwa arus penguatan pada transformator bervariasi dari 2% sampai 6%
dari arus beban penuh dan per unit reaktansi bocor primer kecil. Tetapi pada motor
induksi, arus penguatan bervariasi dari 30% sampai 50% dari arus beban penuh
dan per unit reaktansi bocor stator adalah lebih tinggi. Dengan demikian kesalahan
yang besar akan terjadi dalam penentuan daya dan torsi, dalam hal cabang pararel
diabaikan, atau dihubungkan pada terminal stator [6].
Dibawah kondisi kerja normal pada tegangan dan frekuensi konstan,
rugi inti pada motor induksi biasanya juga konstan. Dalam pandangan pada
kenyataan ini, tahanan rugi inti Rc yang mewakili rugi inti motor, dapat
dihilangkan dari rangkaian ekivalen motor induksi pada gambar 2.12(b). Akan
tetapi, untuk menentukan daya poros atau torsi poros, rugi inti yang konstan harus
diikut-sertakan dalam pertimbangan, bersama dengan gesekan, rugi-rugi beban
buta (stray-load losses) dan angin. Dengan penyederhanaan ini, maka dapat
digambarkan rangkaian ekivalen baru (gambar 2.13) dengan akurasi rugi yang
dapat diabaikan [6].
Gambar 2.13 Rangkaian Ekivalen per-Fasa Motor Induksi dengan
Mengabaikan Rugi Inti
17
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.6
Torsi Motor Induksi
Torsi berhubungan dengan kemampuan motor untuk mesuplai beban
mekanik. Oleh karena itu Torsi (T) secara umum dapat dirumuskan sebagai
berikut.
(2.28)
Dengan : ωr = kecepatan sudut (mekanik) dari rotor.
Jika, Nr = Ns (1-s), sehingga diperoleh pula:
ωr = ωs (1-s)
(2.29)
Bila dilihat torsi mekanik yang ditransfer pada rotornya (perhatikan
gambar 3.14) akan diperoleh hasil sebagai berikut.
(2.30)
Dimana:
Torsi start yang dibutuhkan pada motor induksi dapat dihitung dengan
memasukkan nilai s = 1 pada persamaan (2.30), torsi mekanik yang bermanfaat
untuk memutar rotor menjadi:
(2.31)
Torsi maksimum dicapai pada dT/ds = 0, maka dari persamaan (2.32)
diperoleh hasil:
18
http://digilib.mercubuana.ac.id/
(2.33)
Dari keadaan ini akan diperoleh torsi maksimum (Tmx) sebesar:
Torsi maksimum (1/2k) tersebut dicapai pada slip positif (mesin
bertindak sebagai motor induksi) dan pada slip negatif (mesin bertindak sebagai
generator induksi). Gambar 3.14 menunjukan contoh grafik karakteristik kerja
motor hubungan antara torque terhadap kecepatan motor induksi AC tiga fase
dengan arus yang sudah ditetapkan.
Gambar 2.14 Karakteristik torsi terhadap kecepatan motor
Dari gambar 3.14 ini dapat dijelaskan sebagai berikut.
1. Saat motor mulai menyala (start) ternyata terdapat arus nyala awal yang
tinggi dan torque yang rendah (“pull-up torque”).
19
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2. Mencapai 80% kecepatan penuh, torque berada pada tingkat tertinggi
(“pullout torque”) dan arus mulai turun.
3. Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun
ke nol.
Hubungan antara torsi dan slip juga dapat dinyatakan seperti pada
gambar 3.15 sebagai berikut.
Gambar 2.15 Hubungan antara torsi dan slip motor induksi
Dengan memperhatikan gambar 3.15 ini dapat dilihat bahwa:
- Pada kecepatan hipersinkron (kecepatan melebih kecepatan sinkron), slipnya
negatif (biasanya kecil), mesin beroperasi sebagai generator induksi dengan
torsi bekerja dengan arah yang berlawanan dengan putaran medan putar.
- Saat mesin bekerja pada kecepatan di antara standstill dan kecepatan sinkron,
dengan slip positif antara 1 dan 0: Mesin berputar pada keadaan tanpa beban
sehingga slipnya kecil sekali, GGL rotor juga kecil sekali, Z2 (rotor circuit
impedance) hampir R murni dan arus cukup untuk membangkitkan torsi dan
memutar rotornya.
20
http://digilib.mercubuana.ac.id/
- Selanjutnya beban mekanik dipasang pada poros sehingga putaran rotor makin
lambat, slip naik, GGL rotor naik (besar maupun frekuensinya), menghasilkan
arus dan torsi yang lebih besar.
- Jika motor induksi diputar berlawanan dengan arah putaran medan putar maka
masih akan dihasilkan torsi yang bertindak sebagai rem dan terjadi penyerapan
tenaga mekanik: Misalnya mesin dalam keadaan berputar dengan slip “s”,
kemudian arah medan putar tiba-tiba di balik, maka akan terjadi rotor
mempunyai slip (2 - s), kecepatan turun menuju nol dan dapat dibawa ke
kondisi standstill. Cara ini adalah cara pengereman motor yang disebut dengan
plugging.
2.7
Sistem Pengasutan
Pada motor induksi tiga fasa rotor yang banyak digunakan adalah rotor
sangkar. Pada rotor sangkar terdapat alur-alur yang berpenampang bundar. Dalam
alur-alur ini terdapat batang-batang kawat yang ujung-ujungnya saling dihubung
singkat dengan cincin tembaga dan ditempakan pada tepi muka dan tepi belakang
dari besi rotor. Karena batang-batang kawat dalam alur-alur rotor dihubung singkat
maka tahanannya kecil sekali, dengan tahanan kecil maka pemakaian arus pada
awal perputaran besar sekali.
Sesuai dengan penjelasan diatas maka motor induksi pada saat awal
perputaran akan membutuhkan arus yang besar. Besarnya bahkan sampai 4 sampai
5 kali, bakan ada yang sampai 7 kali dari besanya arus stator pada waktu berputar
normal dan beban penuh.
Pemakaian arus start yang besar sekali antara 4 sampai 7 kali pada
permulaan berjalan akan membutukan daya yang besar hal ini menimbulkan
kerugian pada industri yang memakai motor induksi tersebut, karena dapat
mengakibatkan gangguan penurunan nilai tegangan pada bus-bus disekitar motor
yang dilakukan start. Gangguan penurunan pada kualitas daya ini dinamakan sag.
Jika penurunan tegangan yang terjadi cukup besar maka akan berakibat buruk pada
sistem tersebut yaitu motor akan berhenti berputar karena kekurangan suplai
tegangan, penurunan usia peralatan listrik hingga merusak peralatan tersebut.
Untuk penyalaan motor induksi khususnya yang berkapasitas besar perlu
21
http://digilib.mercubuana.ac.id/
dilakukan studi terlebih dahulu, agar dapat melihat dampak yang akan terjadi saat
motor tersebut di start. Dampak yang terjadi saat pengasutan motor induksi
berdasarkan standar IEEE 399-1997 yaitu [7]:
1. Masalah yang terlihat
Studi pengasutan motor harus dilakukan jika daya motor melebihi 30% dari
suplai transformator akan tetapi jika suplai tidak ada pembangkitan lain yang
terlibat, suplai dipertimbangkan apabila daya motor melebihi 10-15% dari
rating generator [7].
2. Penurunan tegangan
Ketika starting dilakukan, tingkat tegangan pada terminal motor harus
dipertahankan sekitar 80% dari tegangannya atau sesuai dengan National
Manufacturers Association (NEMA) design B [7].
Hal-hal yang perlu diperhatikan atau dilakukan pendataan dari motor induksi
dengan kapasitas besar sebelum dioperasikan yaitu [7]:
1. Besar Locked Rotor Current yang dimiliki motor. Semakin besar LRC maka
arus pengasutan semakin besar.
2. Letak motor tersebut berada pada bus dengan nilai tegangan yang sesuai.
3. Jika arus pengasutan bernilai tinggi dan menyebabkan nilai jatuh tegangan
yang tidak diizinkan, maka motor tersebut tida boleh menggunakan DOL.
Motor tersebut harus menggunaka metode start yang lain, seperti autotrafo,
reaktor dan star-delta.
Untuk mengatasi pemakaian arus atart yang besar maka dalam pengoperasian
motor induksi tiga fasa menggunakan system pengasutan. Adapun macam-macam
pengasutan ada dua yaitu sistem direct on line (DOL) dan sistem mereduser
tegangan.
2.7.1
Sistem DOL (Diret On Line)
Penggunaan metoda ini sering dilakukan untuk motor-motor AC yang
mempunyai kapasitas daya yang kecil. Ketika motor dengan kapasitas yang sangat
besar di-start dengan direct-on-line, tegangan sistem akan terganggu (terjadi
22
http://digilib.mercubuana.ac.id/
voltage dip pada jaringan suplai) karena adanya arus starting yang besar.
Gangguan tegangan ini dapat menyebabkan kerusakan pada peralatan elektronis
yang lain yang terhubung dengan sumber. Pengertian start secara langsung ialah
motor yang akan dijalankan langsung di swich On ke sumber tegangan jala-jala
sesuai dengan besar tegangan nominal motor. Artinya tidak perlu mengatur atau
menurunkan tegangan pada saat starting.
Gambar 2.16 Diagram Direct On Line starter
Rangkaian untuk pengasut langsung (DOL Direct On Line) akan
memutus atau menghubungkan suplai utama ke motor secara langsung. Karena
arus pengasutan motor dapat mencapai 6 sampai 8 kali lebih besar dari arus
kondisi normal, maka pengasut langsung ini hanya digunakan untuk motor-motor
kecil dengan daya kurang dari 5 kW.
Prinsip kerja starting langsung DOL (Direct On Line) secara umum yaitu,
jika tombol mulai (Start) ditekan maka arus akan mengalir dari fasa merah (R)
melalui rangkaian kendali dan kumparan kontaktor ke fasa biru. Arus ini akan
mengkatifkan kumparan kontaktor sehingga kontaktor akan menutup untuk
menghubungkan suplai 3 fasa ke motor. Jika tombol mulai dilepaskan rangkaian
kendali akan tetap dipertahankan seperti semula melalui sebuah kontak penahan.
23
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Jika selanjutnya tombol berhenti (stop) ditekan atau jika kumparan-kumparan
beban lebih bekerja maka rangkaian kendali akan terputus dan kontaktor akan
membuka untuk memutuskan suplai listrik 3 fasa ke motor. Penghubungan
kembali suplai ke motor hanya dapat dilakukan dengan menekan kembali tombol
mulai, jadi rangkaian ini juga dapat memberi proteksi terhadap kehilangan
tegangan suplai.
Gambar 2.17 Rangkaian dan Karakteristik Starting DOL
24
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Karena dalam keadaan start, rotor belum berputar ( n=0), maka slip S = 1
rangkaian ekuivalen motor induksi tiap fasanya dapat digambarkan sebagai
berikut:
R1
+
X1
R2
a
X2
Ist
V1
Xm
b
R1
+
X1
a
Ist
Rp
V1
Xp
Z ab  Z P  jX m // ( R2  j X 2 )
Z ab  RP  j X P
b
Gambar 2.18 Rangkaian Ekivalen
Sehingga didapatkan persamaan arus starting, sebagai berikut :
I st 
V1
( R1  RP ) 2  ( X 1  X p ) 2

V1
Z sc
Keunggulan dari metode ini adalah peralatan start yang sederhana,torsi
mula yang besar,dapat start dengan cepat da biaya yang murah.Metode ini bisa
digunakan ketika:
1. Daya motor relatif rendah di bandingkan suplai utama, yang di batasi
dengan arus inrush
2. Peralatan yang digerakkan tidak memerlukan peningkatan secara bertahap
atau peralatan peredam yang membatasi shock dari start mula.
25
http://digilib.mercubuana.ac.id/
3. Starting torsi diperbolehkan cukup besar tanpa mengganggu operasi dari
peralatan atau beban yang di gerakkan.
2.7.2
Memperkecil tegangan yang masuk ke motor.
Cara ini dikenal dalam bebeapa bentuk starting yaitu:
a)
Pengasutan dengan menggunakan primary resistance (reaktor)
Yaitu pengasutan dengan memasang tahanan pada rangkaian primer
(stator). Starter ini digunakn untuk menjankan motor rotor sangkar tiga fasa
dengan cara memperkecil tegangan masuk ke motor pada saat start. Dengan waktu
yang telah di tetapkan untuk lamanya starting kemudian tahanan dapat di lepaskan
kembali. Pada saat ini motor mengambil tegangan penuh dari jala-jala.
b)
Autotrafo
Yaitu dengan cara memasang autotrafo yang di tempatkan pada rangkaian
utama atau rangkaian primer (stator).
Starting ini digunakan untuk menjalankan motor rotor sangkar tiga fasa
dengan cara memperkecil tegangan masuk ke motor melalui ototrafo.
Transformator memiliki berbagai tap yang dapat digunakan untuk
menetapkan tegangan awal. Pengurangan tegangan awal dapat menyebabkan
pengurangan arus pada motor. Selanjutnya dikurangi oleh transformator yang
mengakibatkan arus line lebih kecil daripada arus motor sebenarnya. Biasanya
sebuah auto-transformator menyediakan sejumlah tap untuk mengurangi tegangan
ke terminal motor, sehingga mengurangi arus motor dan torsi saat pada starting.
Timer atau sentrifugal switch dapat digunakan untuk mengubah pengaturan tap
selama start. Saat pengaturan kita dapat memberikan transisi tertutup atau terbuka.
Transisi terbuka memiliki logika yang lebih sederhana, tetapi bias menyebabkan
arus transien saat transisi perubahan tap. Transisi tertutup membutuhkan lebih
logika yang lebih rumit tetapi memiliki transisi yang mulus antara perubahan tap.
Karena tegangan motor berkurang, arus motor berkurang, sedangkan nilai torsi
berkurang dengan kuadrat pengurangan tegangan.
26
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.19 Rangkaian starting metode autotransfer
Gambar 2.20 Gambar karakteristik arus-kecepatan starting metode
autotrafo
27
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.21 Gambar karakteristk torsi-kecepatan starting metode
autotrafo
Untuk rangkaian ekivalennya sebagai berikut:
Gambar 2.22 Gambar rangkaian ekivalen starting metode autotrafo
Beberapa keuntungan menggunakan starting motor auto-transformator:
1. Menyediakan torsi tertinggi per ampere arus line.
2. Tap pada autotranfo member pengaturan untuk tegangan awal
3. Cocok untuk periode pengasutan yang lama.
4. Saat starting, arus motor lebih besar dari arus line nya.
28
http://digilib.mercubuana.ac.id/
5. Faktor daya yang rendah.
Beberapa kerugian menggunakan starting motor auto-transformator:
1. Ukuran yang cukup besar
2. Biaya cukup tinggi
3. Memilik jumlah tap yang terbatas
4. Semakin banyak tap yang digunakan, maka semakin rumit logika
yang digunakan
c)
Pengasutan dengan secondary resistance
Yaitu pengasutan dengan memasang tahanan pada rangkaan sekunder
(rotor). Cara pengasutan ini khusus hanya digunakan pada rotor lilit (motor
slipring).
d)
Pengasutan bintang segitiga
Start dengan methode star-delta ini memanfaatkan penurunan tegangan
yang dicatu ke motor saat stator motor terhubung dalam rangkaian star. Pada
waktu start, yakni saat stator berada pada rangkaian bintang, arus motor hanya
mengambil sepertiga dari arus motor jika motor diasut dengan metode DOL.
Berhubung torsi motor berbanding lurus dengan quadratis dari tegangan, maka
torsi motor pada rangkaian bintang juga hanya sepertiga dari torsi pada rangkaian
delta.
Prinsip Kerja saat start, pertama-tama kontaktor utama K1 dan kontaktor
bintang KY diaktifkan. Peralihan dari rangkaian bintang ke rangkaian delta terjadi
pada kecepatan nD, yakni jika kecepatan motor sudah mencapai kira kira 80% dari
kecepatan nominal. Caranya dengan pengaktifan kontaktor KD dan pada saat yang
sama kontaktor KY dibuat tidak aktif. Namun, sesaat motor sudah terlepas dari
rangkaian bintang tetapi masih belum terhubung ke rangkaian delta, rotor masih
berputar, demikian juga arus rotor masih mengalir di kumparan rotor. Ada fluks
magnetik sisa di rotor yang memotong kumparan stator. Sehingga terjadi tegangan
induksi ke stator yang frekuensinya tergantung dari kecepatan rotor saat itu.
Kecepatan rotor saat itu tergantung sekali pada beban. Saat motor terhubung ke
rangkaian delta, terjadilah arus inrush yang sangat besar, yang mana nilainya dapat
29
http://digilib.mercubuana.ac.id/
mencapai hingga 2000 % dalam durasi yang sangat pendek sekitar 200 ms (lihat
grafik di bawah ini).Hal ini terjadi karena adanya perbedaan phasa yang sangat
besar telah terjadi saat stator terhubung kembali ke jaringan listrik dalam
rangkaian delta dengan fluk dari rotor. Arus yang tinggi ini mengakibatkan
terjadinya torsi kejut dan dapat memberikan dampak buruk bagi komponen
transmisi dan komponen pemutus arus dari system drive tersebut.
Gambar 2.23 Rangkaian dan Grafik Peralihan Star ke Delta
MD–Torsi hubungan ∆
MY – Torsi hubungan Y
e)
ILD – Arus line hubungan ∆
ILY – Arus line hubungan Y
Gambar 2.24 Karakteristik Arus Starting Way-Delta
Bagian kurva Torsi terhadap Kecepatan yang diberi bayangan arsir adalah
torsi asselerasi yang dibutuhkan untuk meng-asselerasi beban. Perhatikan torsi
start pada rangkaian bintang harus selalu lebih besar dari torsi awal beban supaya
motor dapat mengangkat beban dan berasselerasi menuju kecepatan nominal.
30
http://digilib.mercubuana.ac.id/
I st (Y  ) 
1
x I st ()
3
Hubungan bintang delta atau star-delta atau wye-delta ini memang cukup
digemari sebagai pilihan aplikasi yang membutuhkan konsumsi arus yang kecil
beberapa saat awal motor dihidupkan namun memiliki suatu kelemahan yang
membuatnya kurang menjadi pilihan setelah adanya pengembangan starting yang
lebih baik seperti soft starter. Satu-satunya alasan pemilihan jenis starting ini
adalah biaya yang lebih murah dibandingkan starting lainnya. Satu lagi dari
kelemahan starting star-delta adalah apabila beban membutuhkan 40% dari torsi
awal atau lebih untuk start maka terpaksa harus memilih motor induksi dengan
satu frame size yang lebih besar.
31
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.25 Grafik arus dan torsi starting bintang segitiga
f)
Soft starting
Soft starting merupakan metode pengasutan yang bekerja dengan cara
mengurangi tegangan pengasutan motor induksi dan kemudian menaikkan
tegangan secara bertahap sampai tegangan penuh. Metode soft starting ini menjadi
solusi atas tingginya nilai arus saat pengasutan motor induksi dan merupakan
metode yang nilai arus pengasutannya rendah.
Rangkaian soft starting dipasang seri dengan suplai tegangan ke motor. Soft
starting terdiri dari komponen solid state yang berupa SCR / thyristor yang
dipasang anti parallel untuk mengatur tegangan yang masuk ke motor secara
bertahap sampai tegangan penuh. Dalam penelitian ini penggunaan thyristor anti
parallel diganti dengan triac karena triac adalah komponen yang tersusun
sedemikian rupa dari dua buah thyristor. Berikut adalah rangkaian dasar soft
starting:
32
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.26 Rangkaian dasar soft starting
Dengan mengatur variasi sudut picu tegangan (α), V0 dapat divariasikan
dari 0 V sampai dengan VS. Dengan rangkaian kendali yang tepat dapat dicapai
pengendalian arus motor atau waktu percepatan yaitu dengan mengenakan pulsa
gerbang ke triac pada waktu yang berbeda dalam setiap setengah siklus tegangan
sumber. Untuk mendapatkan nilai tegangan bertahap dari nol sampai tegangan
penuh, maka pemicuan terhadap triac harus dimulai dari sudut 1800 sampai 00.
g)
Starting Metode Reaktor
Dapat dikatakan bahwa untuk membatasi arus yang dibangkitkan, resistor
menambah impedansi pada rangkaian AC yang sebanding dengan nilai induktansi
dan frekuensi yang digunakan.
Di sini tegangan yang diturunkan diperoleh dengan menggunakan tahanan
yang dihubungkan seri dengan setiap belitan stator selam periode start. Penurunan
tegangan dalam tahanan dapat dilakukan secara bertahap sesuai dengan kebutuhan.
Semakin banyak tingkatannya semakin halus pula percepatan yang dihasilkan
sehingga jatuh tegangan pada saluran mungkin bisa lebih kecil karena starting
dengan resistor mempunyai faktor daya yang lebih baik.
33
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Setelah periode start dengan tahanan selesai maka motor akan
dihubungsingkatkan sehingga motor akan bekerja dengan tegangan penuh.
Perpindahan ini dilakukan dengan control otomatis dengan menggunakan timer.
Keuntungan dari starting ini adalah panas yang ditimbulkan relatif sedikit yaitu
5%-10% dari panas yang akan timbul.
Dengan metode reaktor starting, dengan menghubungkan kumparan
dengan inti besi (reaktor) secara seri dengan motor selama start, arus akan dibatasi
secara proporsional dengan tegangan. Namun, ini juga berarti substansial (kuadrat)
pengurangan torsi awal yang tersedia. Keuntungan dari metode ini adalah biaya
rendah dibandingkan dengan metode lain[3]. Diharapkan motor tidak menarik arus
starting yang terlalu besar. Sehingga diharapkan motor akan aman dan berumur
lebih lama[2].
Gambar 2.27 Rangkaian sederhana reaktor starting
Dimana:
Salah satu keuntungan dari starter reaktor utama adalah pengurangan saat ini
sejalan dengan disipasi panas kurang dari resistor utama sirkuit. Kelemahan dari
starter reaktor utama adalah faktor daya yang buruk yang disebabkan oleh induktansi
tambahan dalam rangkaian awal dan keterbatasan pengaturan tegangan awal.
34
http://digilib.mercubuana.ac.id/
XL
+
+
V1
Vreak.
Ist
+
-
Vm
-
Motor
Induksi
-
Gambar 2.28 Rangkaian Ekivalen
Dimana:
V1 = Tegangan sumber
Vm = Tegangan pada motor
v reak.  V1  V m
vm  I st x Z sc
XL 
Vreak.
I st
Adapun karakteristk torsi terhadap kecepatan dan arus terhadap kecepatan
untuk startng metode reaktor adalah sebagai berikut:
Gambar 2.29 Karakteristik kecepatan dan arus starting metode reaktor
35
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.30 Karakteristik kecepatan dan torsi starting metode reaktor
36
http://digilib.mercubuana.ac.id/