BAB II MOTOR INDUKSI TIGA FASA

BAB II
MOTOR INDUKSI TIGA FASA
2.1
Umum
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 Fasa
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
5
Universitas Sumatera Utara
yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada
Gambar 2.1
(a)
(b)
(c)
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Induksi (a) Stator, (b) Rotor, (c) Motor Induksi
6
Universitas Sumatera Utara
Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian
yang diam dan mengalirkan arus 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 lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap
lembaran 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.
(a)
Gambar 2.2
(b)
(c)
Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga fasa,
(a) Lempengan Inti
(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya
(c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam Cangkang Stator
7
Universitas Sumatera Utara
Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor
induksi tiga fasa berdasarka jenis rotornya.
2.3
Jenis Motor Induksi Tiga Fasa
Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu:
1. Motor induksi tiga fasa sangkar tupai (squirrel-cage motor)
2. Motor induksi tiga fasa rotor belitan (wound-rotor motor)
Gambar 2.3 Pembagian motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya
kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator
yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.
2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai (Squirrel-cage Motor)
Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti
stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja
8
Universitas Sumatera Utara
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 fasa ini dapat tersambung dalam
hubungan delta (Δ) ataupun bintang (Υ). Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan
pada Gambar 2.4 di bawah ini.
(a)
(b)
Gambar 2.4 Rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor
Sangkar
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
9
Universitas Sumatera Utara
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.
2.3.2
Motor Induksi Tiga Fasa 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 fasa rotor dihubungkan secara Υ dan
masing – masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang
terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari
Gambar 2.5 ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan
penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.
Gambar 2.5 Cincin Slip
10
Universitas Sumatera Utara
Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel
eksternal yang berfungsi 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 fasa rotor belitan ditunjukkan pada Gambar 2.6 di bawah
ini.
Gambar 2.6 Rotor Belitan
2.4
Medan Putar
Medan putar dapat dijelaskan pada Gambar 2.7 dengan “menghentikan”
medan tersebut pada enam posisi. Tiga posisi ditandai dengan interval 600 pada
gelombang sinus yang mewakili arus yang mengalir pada tiga fasa A, B, dan C.
Jika arus mengalir dalam suatu fasa adalah positif, medan magnet akan
menimbulkan kutub utara pada kutub stator yang ditandai dengan A’, B’, dan C’.
11
Universitas Sumatera Utara
F
F
F
F
F
F
F
Gambar 2.7 Medan Putar
Pada posisi T1, arus pada fasa C berada pada harga positif maksimumnya. Pada
saat yang sama, arus pada fasa A dan B berada pada separuh harga negatif
maksimumnya. Medan magnet yang dihasilkan terbentuk secara vertical dengan
arah ke bawah, dengan kekuatan medan maksimum terjadi sepanjang fasa C,
antara kutub C (utara) dengan C’ (selatan). Medan magnet ini dibantu oleh
medan-medan yang lebih lemah yang dihasilkan sepanjang fasa A dan B, dengan
kutub-kutub A’ dan B’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan B
12
Universitas Sumatera Utara
menjadi kutub-kutub selatan. Pada posisi T2, gelombang sinus arus telah berotasi
sebanyak 60 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa A telah naik hingga
harga negatif maksimumnya. Arus pada fasa B mempunya arah yang berlawanan
dan berada pada separuh harga maksimum positifnya. Begitu pula arus pada fasa
C telah turun hingga separuh dari harga maksimum positifnya. Medan magnet
yang dihasilkan terbentuk ke kiri arah bawah, dengan kekuatan medan maksimum
sepanjang fasa A, antara kutub-kutub A’ (utara) dan A (selatan). Medan magnet
ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah yang timbul sepanjang fasa B
dan C, dengan kutub-kutub B dan C menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub
B’ dan C’ menjadi kutub-kutub selatan. Di sini terlihat bahwa medan magnet pada
stator motor secara fisik telah berputar sebanyak 60o. Pada posisi T3, gelombang
sinus arus berputar lagi 60 derajat listrik dari posisi sebelumnya hingga total rotasi
pada posisi ini sebesar 120 derajat listrik. Pada posisi ini, arus dalam fasa B telah
naik hingga mencapai harga positif maksimumnya. Arus pada fasa A telah turun
hingga separuh dari harga negatif maksimumnya, sementara arus pada fasa C
telah berbalik arah dan berada pada separuh harga negatif maksimumnya pula.
Medan magnet yang dihasilkan mengarah ke atas kiri, dengan kekuatan medan
maksimum sepanjang fasa B, antara kutub B (utara) dan B’ (selatan). Medan
magnet ini dibantu oleh medan-medan yang lebih lemah sepanjang fasa A dan C,
dengan kutub-kutub A’ dan C’ menjadi kutub-kutub utara dan kutub-kutub A dan
C menjadi kutub-kutub selatan. Sehingga terlihat di sini bahwa medan magnet
pada stator telah berputar 600 lagi dengan total putaran sebesar 1200. Pada posisi
T4, gelombang sinus arus telah berotasi sebanyak 180 derajat listrik dari titik T1
sehingga hubungan antara arus-arus fasa adalah indentik dengan posisi T1 kecuali
13
Universitas Sumatera Utara
bahwa polaritasnya telah berbalik. Karena fasa C kembali pada harga maksimum,
medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C kembali berada pada harga
maksimum, medan magnet yang dihasilkan sepanjang fasa C akan memiliki
kekuatan medan maksimum. Meskipun demikian, dengan arus yang mengalir
dalam arah yang berlawanan pada fasa C, medan magnet yang timbul mempunyai
arah ke atas antara kutub C’ (utara) dan C (selatan). Terlihat bahwa medan magnet
sekarang telah berotasi secara fisik sebanyak 1800 dari posisi awalnya. Pada posisi
T5, fasa A berada pada harga positif maksimumnya, yang menghasilkan medan
magnet ke arah atas sebelah kanan. Kembali, medan magnet secara fisik telah
berputar 600 dari titik sebelumnya sehingga total rotasi sebanyak 2400. Pada titik
T6, fasa B berada pada harga maksimum negatif yang menghasilkan medan
magnet ke arah bawah sebelah kanan. Medan magnet pun telah berotasi sebesar
600 dari titik T5 sehingga total rotas adalah 3000. Akhirnya, pada titik T7, arus
kembali ke polaritas dan nilai yang sama seperti pada Posisi T1. Karenanya,
medan magnet yang dihasilkan pada posisi ini akan identik dengan pada posisi
T1. Dari pembahasan ini, terlihat bahwa untuk satu putaran penuh gelombang
sinus listrik (3600), medan magnet yang timbul pada stator sebuah motor juga
berotasi satu putaran penuh (3600). Sehingga, dengan menerapkan tiga-fasa AC
kepada tiga belitan yang terpisah secara simetris sekitar stator, medan putar
(rotating magnetic field) juga timbul.
2.5
Slip
Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya hal
ini terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar. Maka
14
Universitas Sumatera Utara
tidak akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang mengalir
pada rotor, dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan rotor
sekalipun tanpa beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron agar
adanya tegangan induksi pada rotor, dan akan menghasilkan arus di rotor, arus
induksi ini akan berinteraksi dengan fluks listrik sehingga menghasilkan kopel.
Selisih antara kecepatan rotor dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip
dapat dinyatakan dalam putaran setiap menit, tetapi lebih umum dinyatakan
sebagai persen dari kecepatan sinkron.
Slip (s) =
n s  nr
 100% …........................................................……. (2.1)
ns
dimana: nr  kecepatan rotor (RPM)
Persamaan (2.1) memberikan informasi yaitu:
1. Saat s = 1 dimana n r = 0, ini berati rotor masih dalam keadaan diam atau
akan berputar.
2. s = 0
menyatakan bahwa n s = n r , ini berarti rotor berputar sampai
kecepatan sinkron. Hal ini dapat terjadi jika ada arus dc yang diinjeksikan
ke belitan rotor, atau rotor digerakkan secara mekanik.
3. 0 < s < 1, ini berarti kecepatan rotor diantara keadaan diam dengan
kecepatan sinkron. Kecepatan rotor dalam keadaan inilah dikatakan
kecepatan tidak sinkron. Biasanya slip untuk mendapatkan efisiensi yang
tinggi pada saat beban penuh adalah 0,04.
15
Universitas Sumatera Utara
2.6
Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa
Secara umum prinsip kerja motor induksi dapat dijabarkan dalam langkah
– langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol Ketiga fasa stator yang dihubungkan dengan sumber
tiga fasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan fasa.
2. Arus pada tiap fasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah.
3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak
lurus terhadap belitan fasa.
4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah
e1 =  N1
d
dt
E1  4,44 fN 1
atau
( Volt )
( Volt ) .........................(2.2)
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
E 2  4,44 fN 2  m
( Volt )
dimana:
E2
= Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)
N2
= Jumlah lilitan kumparan rotor
Фm = Fluksi maksimum(Wb)
16
Universitas Sumatera Utara
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  4,44sfN 2  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
2.7
Frekuensi Rotor
Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor
sama seperti frekuensi masukan (sumber). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka
17
Universitas Sumatera Utara
frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung
terhadap besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar f
'
yaitu,
ns  nr =
diketahui bahwa n s =
120 f '
.................................................................(2.3)
P
120 f
p
Dengan membagikan n s dengan Persamaan (2.3), maka didapatkan :
f ' n s  nr

 s .......................................................... (2.4)
f
ns
Maka, f ' = sf (Hz
Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor f ' =
sf dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing fasa di belitan rotor, akan
memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan
menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif
terhadap putaran rotor sebesar sns .
Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi
medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnetudo
yang konstan dan kecepatan medan putar n s yang konstan. Kedua Hal ini
merupakan medan magnetik yang berputar secara sinkron. kenyataannya tidak
seperti ini karena pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya.
18
Universitas Sumatera Utara
2.8
Rangkaian Ekivalen Motor Induksi
Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metode rangkaian
ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan
rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan
seperti Gambar 2.8:
R1
I2
X1
I0
I1
V1
Rc
Ic X m I m
E1
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen stator motor induksi
dimana:
V1 = tegangan terminal stator (Volt)
E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan (Volt)
I1 = arus stator (Ampere)
R1 = tahanan efektif stator (Ohm)
X1 = reaktansi bocor stator (Ohm)
Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan
komponen arus penguat I0. Komponen arus penguat I0 merupakan arus stator
tambahan yang diperlukan untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan
merupakan fungsi ggm E1.
Komponen arus penguat I0 terbagi atas komponen rugi – rugi inti IC yang
sefasa dengan E1 dan komponen magnetisasi IM yang tertinggal 900 dari E1.
19
Universitas Sumatera Utara
Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya
(Erotor) dan tegangan yang diinduksikan pada rotor ekivalen (E2S) adalah:
E2S
N
= 1 =a
E rotor
N2
atau
E2S = a Erotor …………...........................................………... (2.6)
dimana a adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya
a kali jumlah lilitan rotor.
Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing – masing harus
sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2S pada rotor
ekivalen adalah:
I2S =
I rotor
………...........................................……………. (2.7)
a
sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen
dan impedansi bocor frekuensi slip Zrotor dari rotor sebenarnya adalah:
Z2S =
E 2 S a 2 E rotor

 a 2 Z rotor …...........................………(2.8)
I 2S
I rotor
Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai nilai yang
referensinya ke stator.
Selanjutnya Persamaan (2.8) dapat dituliskan:
E2S
 Z 2 S = R2 + jsX 2 ……................................................(2.9)
I 2S
dimana:
Z2S =
impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa dengan referensi ke
stator (Ohm).
20
Universitas Sumatera Utara
R2
= tahanan efektif referensi (Ohm)
sX2 =
reaktansi bocor referensi pada frekuensi slip X2 didefinisikan
sebagai harga reaktansi bocor rotor dengan referensi frekuensi stator (Ohm).
Reaktansi yang didapat pada Persamaan (2.9) dinyatakan dalam cara yang
demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi X 2 didefinisikan
sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan
pada frekuensi stator.
Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron.
Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi
slip sebesar E 2 s dan ggl lawan stator E1 . Bila bukan karena efek kecepatan,
tegangan rotor akan sama dengan tegangan stator, karena lilitan rotor identik
dengan lilitan stator. Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor
adalah s kali kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator
dan rotor adalah:
E 2 s = sE1 ……………………................................................(2.10)
Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang
dihasilkan komponen beban I 2 dari arus stator, dan karenanya, untuk harga
efektif
I 2 s = I 2 ...................................................................................(2.11)
Dengan membagi Persamaan (2.10) dengan Persamaan (2.11) didapatkan:
E 2 S sE1

………………...............................................…..(2.12)
I 2S
I2
Didapat hubungan antara Persamaan (2.11) dengan Persamaan (2.12), yaitu
21
Universitas Sumatera Utara
E 2 S sE1
= R2 + jsX 2 …...........................................…....(2.13)

I 2S
I2
Dengan membagi Persamaan (2.13) dengan s, maka didapat
E1 R2
=
+ jX 2 ……………..........................................……(2.14)
I2
s
Dari Persamaan (2.14) maka dapat digambarkan rangkaian ekivalen pada rotor
R2
E2s
I2
R2
X2
sX 2
I2
E1
R2
s
X2
I2
E1
1
R2 (  1)
s
seperti Gambar 2.9.
Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.
R2
R
= 2 + R2 - R2
s
s
R2
1
= R2 + R2 (  1) ……….................................................(2.15)
s
s
Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas,
maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa pada masing –
masing fasanya. Perhatikan Gambar 2.10 di bawah ini.
22
Universitas Sumatera Utara
R1
I2
X1
sX 2
I0
I1
V1
Rc
Ic X m
I2
E1
Im
R2
sE 2
Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa
Untuk mempermudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada Gambar
2.10 diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa
akan dapat digambarkan seperti Gambar 2.11 sebagai berikut.
R1
I '2
X1
X2
'
I0
I1
V1
Xm
Rc
Ic
R2
s
E1
'
Im
Gambar 2.11 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi
Atau seperti Gambar 2.12 berikut :
R1
I '2
X1
'
R'2
I0
I1
V1
X2
' 1
R2 (  1)
s
Xm
Rc
Ic
E1
Im
Gambar 2.12 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi
23
Universitas Sumatera Utara
Dimana:
X '2 = a 2 X 2
R ' 2 = a 2 R2
Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering
disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan
pendekatan 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
peneralan yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh) dan karena
reaktansi bocor juga perlu lebih tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen Rc
dapat dihilangkan (diabaikan). Rangkaian ekivalen menjadi Gambar 2.13 berikut.
Gambar 2.13 Rangkaian ekivalen dari motor induksi
2.9
Desain Motor Induksi
Motor asinkron yang sering kita temukan sehari-hari misalnya adalah kipas
angin, mesin pendingin, kereta api listrik gantung, dan lain sebagainya. Untuk itu
perlu diketahui kelas-kelas dari motor tersebut untuk mengetahui unjuk kerja dari
motor tersebut. Adapun kelas-kelas tersebut adalah seperti Gambar 2.14
1. Kelas A : Torsi start normal, arus start normal dan slip kecil
24
Universitas Sumatera Utara
Tipe ini umumnya memiliki tahanan rotor sangkar yang rendah. Slip pada
beban penuh kecil atau rendah namun efisiensinya tinggi. Torsi maksimum
biasanya sekitar 21% dari torsi beban penuh dan slipnya kurang dari 21%.
Motor kelas ini berkisar hingga 20 Hp.
2. Kelas B : Torsi start normal, arus start kecil dan slip rendah
Torsi start kelas ini hampir sama dengan kelas A tetapi arus startnya berkisar
75%Ifl . Slip dan efisiensi pada beban penuh juga baik. Kelas ini umumnya
berkisar antara 7,5 Hp sampai dengan 200 Hp. Penggunaan motor ini antara
lain : kipas angin, boiler, pompa dan lainnya.
3. Kelas C : Torsi start tinggi dan arus start kecil
Kelas ini memiliki resistansi rotor sangkar yang ganda yang lebih besar
dibandingkan dengan kelas B. Oleh sebab itu dihasilkan torsi start yang lebih
tinggi pada arus start yang rendah, namun bekerja pada efisisensi dan slip yang
rendah dibandingkan kelas A dan B.
4. Kelas D : Tosi start tinggi, slip tinggi
Kelas ini biasanya memiliki
resistansi rotor sangkar tunggal yang tinggi
sehingga dihasilkan torsi start yang tinggi pada arus start yang rendah.
Gambar 2.14 Karakteristik torsi dan kecepatan motor induksi pada berbagai
disain
25
Universitas Sumatera Utara
2.10
Aliran Daya Motor Induksi
Pada motor induksi, tidak ada sumber listrik yang langsung terhubung ke
rotor, sehingga daya yang melewati celah udara sama dengan daya yang
diinputkan ke rotor. Daya total yang dimasukkan pada kumparan stator (Pin)
dirumuskan dengan
Pin  3V1 I1 cos  ( Watt )..................................................(2.16)
dimana:
V1
= tegangan sumber (Volt)
I1
= arus masukan(Ampere)
θ
= perbedaan sudut fasa antara arus masukan dengan tegangan sumber
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 (Pi)
2
3 . E1
Pi =
(Watt) ……………..................................…..(2.17)
RC
 rugi – rugi gesek dan angin
2. Rugi – rugi variabel, terdiri dari:
 rugi – rugi tembaga stator (Pts)
Pts = 3. I12. R1 (Watt) …………..................................….(2.18)
 rugi – rugi tembaga rotor (Ptr)
26
Universitas Sumatera Utara
Ptr = 3. I22. R2 (Watt) …………..........................………..(2.19)
Daya pada celah udara (Pcu) dapat dirumuskan dengan:
Pcu = Pin – Pts – Pi (Watt) …......................................……(2.20)
Gambar 2.15 menunjukkan aliran daya pada motor induksi tiga fasa:
Energi listrik
konversi
Energi mekanik
Gambar 2.15 Diagram aliran daya motor induksi
Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian
ekivalen yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R 2 / s. Oleh
karena itu daya pada celah udara dapat juga ditulis dengan:
Pcu = 3. I22.
R2
(Watt) …………....................................(2.21)
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:
Pmek = Pcu – Ptr (Watt) ……..................................………(2.22)
Pmek = 3. I22.
R2
- 3. I22. R2
S
27
Universitas Sumatera Utara
Pmek = 3. I22. R2. (
Pmek = Ptr x (
1 s
)
s
1 s
) (Watt) …………..........................…(2.23)
s
Dari Persamaan (2.21) dan (2.23) dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi
tembaga dengan daya pada celah udara:
Ptr = s. Pcu (Watt) ……………...........................…………(2.24)
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:
Pmek = Pcu x ( 1 – s ) (Watt) ………...............................…(2.25)
Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam
bentuk daya mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin, sehingga
daya keluarannya:
Pout = Pmek – Pa&g – Pb (Watt) ………............................…(2.26)
Secara umum, perbandingan komponen daya pada motor induksi dapat
dijabarkan dalam bentuk slip yaitu:
Pcu : Ptr : Pmek = 1 : s : 1 – s.
Atau dapat digambarkan seperti Gambar 2.16 berikut:
Gambar 2.16. Efisiensi pada motor induksi
dimana:
28
Universitas Sumatera Utara
Pcu = daya yang diinputkan ke rotor (Watt)
Ptr = rugi – rugi tembaga rotor (Watt)
Pmek = daya mekanik dalam bentuk putaran (Watt)
Efisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai
ukuran
keefektifan 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 :
 (%) 
Pout
P  Ploss
Pout
x100%  in
x100% 
 100% . ……….(2.27)
Pin
Pin
Pout  PLoss
Ploss = Pin + Pi + Ptr + Pa & g + Pb …………………….…………..(2.28)
Pin = 3. V1. Cos θ …………………….……………………………...(2.29)
Dari Persamaan (2.27) di atas dapat dilihat bahwa efisiensi motor
tergantung pada besarnya rugi – rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan
untuk menentukan efisiensi motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor
itu dapat dibebani secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.
Efisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian
beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh
rugi – rugi mekanik dan rugi – rugi inti. Rugi – rugi tembaga stator tidak dapat
diabaikan sekalipun motor berbeban ringan maupun tanpa beban.
29
Universitas Sumatera Utara