mesin asinkron - Universitas Mercu Buana

MESIN ASINKRON
A. MOTOR LISTRIK
Motor listrik yang umum digunakan di dunia Industri adalah motor listrik
asinkron, dengan dua standar global yakni IEC dan NEMA. Motor asinkron IEC
berbasis metrik (milimeter), sedangkan motor listrik NEMA berbasis imperial (inch),
dalam aplikasi ada satuan daya dalam horsepower (hp) maupun kiloWatt (kW).
Motor listrik IEC dibagi menjadi beberapa kelas sesuai dengan efisiensi yang
dimilikinya, sebagai standar di EU, pembagian kelas ini menjadi :

EFF1

EFF2

EFF3
A. EFF1
EFF1 adalah motor listrik yang paling efisien, paling sedikit memboroskan
tenaga, sedangkan.
B. EFF3
EFF3 sudah tidak boleh dipergunakan dalam lingkungan EU, sebab
memboroskan bahan bakar di pembangkit listrik dan secara otomatis akan
menimbulkan buangan karbon yang terbanyak, sehingga lebih mencemari lingkungan.
Standar IEC yang berlaku adalah IEC 34-1, ini adalah sebuah standar yang
mengatur rotating equipment bertenaga listrik. Ada banyak pabrik elektrik motor,
tetapi hanya sebagian saja yang benar-benar mengikuti arahan IEC 34-1 dan juga
mengikuti arahan level efisiensi dari EU.
Banyak produsen elektrik motor yang tidak mengikuti standar IEC dan EU
supaya produknya menjadi murah dan lebih banyak terjual, banyak negara
berkembang manjdi pasar untuk produk ini, yang dalam jangka panjang memboroskan
keuangan pemakai, sebab tagihan listrik yang semakin tinggi setiap tahunnya.
1 http://www.mercubuana.ac.id
Lembaga yang mengatur dan menjamin level efisiensi ini adalah CEMEP, sebuah
konsorsium di Eropa yang didirikan oleh pabrik-pabrik elektrik motor yang ternama,
dengan tujuan untuk menyelamatkan lingkungan dengan mengurangi pencemaran
karbon secara global, karena banyak daya diboroskan dalam pemakaian beban listrik.
Sebagai contoh, dalam sebuah industri rata-rata konsumsi listrik untuk motor
listrik adalah sekitar 65-70% dari total biaya listrik, jadi memakai elektrik motor yang
efisien akan mengurangi biaya overhead produksi, sehingga menaikkan daya saing
produk, apalagi dengan kenaikan tarif listrik setiap tahun, maka pemakaian motor
listrik EFF1 sudah waktunya menjadi keharusan.
B. MESIN ASINKRON ROTOR BELITAN 3 FASA DENGAN
MENGGUNAKAN ANALISIS TENSOR, RANGKAIAN
PENGGANTI DAN PENGUKURAN LABORATORIUM
Perencanaan, pembuatan dan pengoperasian mesin asinkron, khususnya motor
asinkron memerlukan suatu metoda untuk mengetahui karakteristik mesin tersebut.
Berbagai metoda yang dapat digunakan, salah satunya adalah metoda yang
dikemukakan oleh Gabriel Kron (1938) yang disebut analisis tensor atau tensor
analysis. Dari perbandingan karakteristik dan hasil perhitungan serta pengamatan dan
pengukuran laboratorium, memberikan gambaran bahwa analisis tensor memiliki
ketelitian yang cukup tinggi, khususnya untuk pemakaian rumus yang diperoleh dari
penurunan matematika.
2 http://www.mercubuana.ac.id
C. PRAKTIKUM MESIN ASINKRON & PERHITUNGANNYA
1.
Tujuan Percobaan
Mempelajari fisik, cara kerja dan karakteristik motor asinkron serta cara
pemakaiannya.
2.
Peralatan Percobaan
1. Motor asinkron.
2. Beban motor asinkron, berupa generator AS.
3. Alat ukur listrik A, V, cos.
4. Catu daya batuan AS.
5. Beban-beban tahanan berubah.
6. Peralatan bantu laboratorium.
3. Teori Percobaan
Anatomi motor asinkron
Motor asinkron 3-fasa ada 2 macam, yaitu motor asinkron belitan dan
motor asinkron rotor sangkar. Motor asinkron rotor sangkar mempunyai bagianbagian stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang berputar). Stator terdiri
dari rumah motor (enclosure). Pada bagian dalam terdapat inti stator yang berupa
laminasi pelat-pelat baja tipis terisolasi satu sama lain, slot belitan stator (alur)
yaitu tempat menempatkan belitan pada stator .
Pada bagian luar stator sirip pendingin motor, yang berguna untuk
membuang panas yang berasal dari rugi-rugi pada motor, juga terdapat terminal
motor di mana hubungan ke rangkaian luar motor dilakukan. Pada bagian lain
terdapat papan nama (name plate) motor, berisi data motor yang meliputi
tegangan, arus, frekuensi kerja serta jumlah fasa, kelas isolasi, hubungan belitan
dan lain-lain.
3 http://www.mercubuana.ac.id
Bantalan dan as terdapat pada sumbu motor dan merupakan pertemuan
bagian stator dan rotor.
Rotor terdiri dari suatu massa inti rotor dengan batang-batang Al atau Cu
yang merupakan belitan rotor yang dihubung singkat dengan suatu ring pada
kedua ujung sisi rotor. Rotor menyatu konstruksi dengan as motor. Pada ujung as
sebelah lain sisi beban, sering dipasang sudut-sudut fan pendingin yang ikut
berputar dengan putaran as- rotor.
Cara kerja motor asinkron
Bila pada ke-3 fasa belitan stator diterimakan suatu tegangan 3-fasa
seimbang maka pada inti stator akan terjadi medan putar, yang berputar sesuai
dengan kecepatan sinkron.
N s
120 f
p
...( 1 )
Ns : kecepatan putaran sinkron
f : frekuensi tegangan stator
p : jumlah kutub motor
Fluksi yang berputar di sepanjang inti stator itu akan memotong batangbatang konduktor rotor, sehingga terimbas suatu tegangan imbas di rotor. Karena
batang rotor terhubung singkat maka akan mengalir arus rotor pada batang-batang
rotor tersebut, yang merupakan gaya putar rotor. Motor berputar dengan kopel
putar sebesar gaya tersebut kali jari-jari (jarak batang konduktor - as).
Bila salah satu fasa masukan terputus, jadi motor hanya mendapat
masukan 2-fasa maka tak akan terjadi medan putar sehingga kopel motor tidak
terbangkitkan dan motor gagal start. Pada kondisi motor tanpa beban maka
putaran motor mendekati Ns.
Slip = S
N s N
Ns
...( 2 )
S akan selalu ada pada operasi motor asinkron.
Pada beban mekanis motor makin besar, S akan makin besar pula. Saat itu
kopel motor akan mengimbangi kopel beban. Beban yang besar akan menarik arus
motor yang besar pila sehingga kopel motor = kopel beban dan terjadi pada
putaran kerja sistem motor-beban.
4 http://www.mercubuana.ac.id
Aliran daya pada motor asinkron
Diagram alir daya ini menggambarkan proses terjadinya perubahan
(konversi) energi dari energi listrik ke energi mekanis (putaran) dengan bermacam
rugi (daya hilang) yang terjadi selama proses konversi onergi tersebut
berlangsung.
Daya listrik
masuk stator
3 V I cos
Rugi panas belitan
dan rugi inti stator
di stator
Daya yang diteruskan ke motor
melalui glab stator-rotor
Rugi panas belitan
dan rugi inti rotor
di rotor
Daya mekanis yang diperoleh
Rugi gesekan dan angin
Daya keluaran
mekanis - putaran
Gambar 1. Aliran daya pada motor asinkron.
5 http://www.mercubuana.ac.id
Karakteristik kerja motor asinkron
Gambar 1 menunjukkan karakteristik kopel dan putaran dari suatu motor
asinkron dan bebannya.
a) Karakteristik T-N motor dan beban
b) Diagram kerja motor
Gambar 2. Operasi motor asinkron.
Pada gambar tersebut terlihat bahwa keseimbangan putaran terjadi pada
n=N di mana pada saat itu kopel beban = kopel putar motor.
Daya mekanis keluar motor saat itu :
PO
TL N
…(3)
5250
Po [Hp]
; 1 lb = 0,45 kg
TL (ft - lb)
; 1 ft = 0,33 m
N (Rpm)
Bila saat itu motor mendapat tegangan catu 3-fasa V dan arus jala-jala I
dengan faktor kerja = cos maka daya masuk motor
Pin 3 V I cos ...( 4 )
sehingga efisiensi motor = PO …( 5 )
Pin
Kembali ke Gambar 2:
Pada saat start, motor mendapat momen/ kopel percepatan sebesar:
Ta TS TSB …( 6 )
Ta : Kopel percepatan motor saat start
TS : Kopel start motor
TSB : Kopel lawan dari beban saat start
6 http://www.mercubuana.ac.id
Dari hubungan (6) itu terlihat bahwa kecepatan start motor adalah
tergantung pada tegangan masuknya. Untuk motor yang sama,
T k V 2 …( 7 )
Selanjutnya diagram pada Gambar 3 memperlihatkan karakteristik motor
asinkron dalam melayani beban.
Pada beban yang lebih besar, waktu start motor akan lebih panjang, arus
kerja motor lebih tinggi dan putaran kerja motor lebih rendah. Sementara itu oleh
besarnya arus motor, temperatur kerja motor akan lebih tinggi pula. Batas
pembebanan motor ditentukan oleh batas kenaikan temperatur yang terjadi yang
masih dapat ditolerir oleh isolasi belian motor. Tiap jenis isolasi beliatan motor
mempunyai batas temperatur kerja maksimum sendiri-sendiri yang tak boleh
terlewati. Bila terlewati maka isolasi belitan tersebut akan rusak hingga terjadi
hubung singkat yang kemudian membakar isolasi belitan motor.
Gambar 3. Diagram perjalanan waktu dari arus dan putaran motor
untuk dua macam pembebanan
7 http://www.mercubuana.ac.id
Start motor asinkron
Masalah kopel motor ini erat hubungannya dengan cara-cara start motor
asinkron.
Pada cara start wye - delta misalnya, kopel start motor:
T

kV 2
2

T1
3

3


Di mana T1 = kopel motor pada cara kerja wye-delta =
1
3
kopel start motor pada
start langsung hubungan delta.
Namun sementara itu, latar belakang penggunaan start semacam itu adalah
untuk menurunkan arus start motor. Istart sebesar itu (lihat persamaan 8) akan terus
mengalir sebelum motor berputar.
I start
Vp
…( 8 )
Zm
Vp : Tegangan masuk motor / fasa
Zm : Impedansi motor / fasa
Oleh Zm motor yang rendah maka Istart akan tinggi sekali yang selain
mengakibatkan jatuh tegangan sesaat yang besar dijaringkan (antara sumber motor) juga dapat mengganggu frekuensi pembangkit serta pengamanan
pengaman arus gangguan, terutama pada motor besar.
Dengan start wye-delta, I start
Vp / 3
, arus diperkecil
Zm
3 kali semula.
Dengan start melalui R depan atau X depan,
I start
Vp
Z m X d
...( 9 )
Setelah motor berputar barulah Istart turun, sesuai :
I s
V E
Zm
...( 10 )
dimana E adalah ggl lawan motor.
Besarnya Xm ataupun Vstart adalah tergantung pada batas arus start
minimum yang masih dapat diterima oleh sistem motor - beban di mana motor
pada kondisi start tersebut masih sanggup membawa beban ke putaran nominal
yang ditujunya.
http://www.mercubuana.ac.id
8
http://www.mercubuana.ac.id
Rangkaian ekivalen motor asinkron
Sebagaimana juga dengan mesin listrik tak berputar: transformator, motor
asinkron mempunyai pula suatu rangkaian ekivalen. Rangkaian ekivalen motor
asinkron diciptakan untuk mempermudah pekerjaan analisa atas motor. Lihat
gambar 4.
Gambar 4. Rangkaian ekivalen motor asinkron per fasa
.
di mana :
Vm / fasa
: tegangan masuk motor / fasa
R1
: tahanan stator
X2
: reaktansi
a2 R2
: tahanan rotor dilihat dari stator
a2 X2
: reaktansi
Rc
: tahanan rangkaian magnetisasi motor
Xc
: reaktansi rangkaian magnetisasi motor
1 S
 a 2 R2 :menggambarkan tahanan yang mewakili beban
S
yang merupakan fungsi dari S
: perbandingan lilitan stator dan rotor
a
Nilai parameter rangkaian ekivalen motor diperoleh dari hasil pengukuran
laboratorium. Contoh penggunaan rangkaian ekivalen ini misalnya untuk
menhitung efisiensi, daya keluaran dan lain-lain. Untuk putaran motor tertntu
maka nilai I1 dapat dicari. Demikian pula nilai I2 dan keluaran motor adalah :
P0 3 I 2
1 s
 a 2 R2
s
2
rugi-rugi motor adalah :
2
2
22
Ploss I1 R1 I RC R0 I 2 a R2
9 http://www.mercubuana.ac.id
Cos motor adalah dicari setelah nilai
1 S
 a 2 R2 diperoleh, dilanjutkan cara
S
perhitungan menurut teori rangkaian listrik untuk jaringan R dan XL.
Masukan motor adalah :
Pin 3 I 1 V1 cos
Dengan demikian efisiensi motor dapat dicari.
4. Percobaan
1. Pasang rangkaian percobaan sebagai berikut :
Gambar 5. Rangkaian percobaan.
2. Pada kondisi tanpa beban, startlah moroe asinkron saudara dan
setelah keadaan steady state ukur V, I, W, N motor. W adalah daya
masuk motor beban nol.
3. Berikan penguatan atas generator AS hingga tegangan kerjanya
tercapai lalu on-kan saklar beban generator AS pada posisi beban
minimum. Catat lagi V, A, W, cos dan dari generator Vf, If, Va, Ia. Tak
lupa N motor.
4. Lakukan nomor 3 hingga tercapai I ~ 5 A maksimum.
10 http://www.mercubuana.ac.id
5. Tugas
1. Buatlah grafik hubungan antara
Win motor vs N
I motor vs N
Win motor vs cos
2. Pada sub-bab 4 tentang aliran daya pada motor asinkron ,
gambarkan diagram aliran yang terjadi pada percobaan ini secara
keseluruhan (tak hanya didalam motor asinkron)
Daya listrik masuk
stator
Rugi panas belitan dan
rugi inti stator
Daya mekanis yang diperoleh
Rugi gesekan dan angin
Daya keluaran
mekanis-putaran
diteruskan ke generator
Rugi panas
Daya keluaran
Daya listrik
Gambar 6. Aliran daya pada motor asinkron
11 http://www.mercubuana.ac.id
9. Analisa Percobaan
1.
Perputaran di generator maupun di motor berkurang seiring dengan
bertambahnya beban.
2.
Arus listrik pada generator bertambah seiring dengan bertambahnya
beban.
3.
Momen kopel (T) meningkat seiring dengan bertambahnya tegangan.
4.
Momen kopel generator sama dengan momen kopel motor.
5.
Daya motor tidak sama dengan daya generator.
10. Kesimpulan
1.
Harga I generator maupun motor akan semakin besar dibandingkan
dengan harga I generator maupun motor tanpa beban.
2.
Perputaran motor akan menurun pada penambahan beban S.
3.
Harga cos cenderung meningkat pada penambahan beban.
4.
Rugi daya yang timbul dapat berasal dari panas belitan motor dan
generator, serta sambungan antara generator dan motor yang kurang baik.
Rugi daya ini menyebabkan daya motor tidak sama dengan daya
generator.
5.
Tegangan pada motor tidak menurun pada penambahan/ pengurangan
beban.
12 http://www.mercubuana.ac.id