BAB II LANDASAN TEORI 2.1 Motor Listrik Motor

 BAB II
LANDASAN TEORI
2.1 Motor Listrik
Motor listrik merupakan sebuah perangkat elektromagnetis yang mengubah
energi listrik menjadi menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini biasanya
digunakan untuk memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan
compressor,
menggerakan conveyor, mengangkat bahan , dll. Motor listrik
kadangkala disebut “ kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa motor-motor
menggunakan sekitar 70% beban listrik.
Gambar 2.1 Motor listrik
2.2 Prinsip dan Mekanisme Kerja Motor Listrik
Masing-masing motor listrik mempunyai bagian yang diam dan bagian yang
bergerak. Bagian yang bergerak dan diam terdiri dari inti besi yang dipisahkan oleh
celah udara dan membentuk rangkaian magnetic dimana fluksi dihasilkan oleh aliran
arus melalui kumparan atau belitan yang terletak didalam kedua bagian tersebut.
Bagian yang diam pada motor listrik disebut dengan stator. Sedangkan bagian
yang bergerak disebut dengan rotor. Stator yaitu suatu kumparan pada motor yang
berfungsi sebagai penerima tegangan. Tegangan yang diberikan pada stator akan
5
6
menghasilkan
arus. Arus yang dihasilkan akan menimbulkan medan magnet yang
berputar. Medan magnet tersebut akan menginduksi pada rotor dan rotor berputar.
Gambar 2.2 Komponen Stator
Gambar 2.3 Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum sama yaitu :
a. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya
b. Jika kawat yang membawa arus dibengkokan menjadi sebuah lingkaran atau
loop, kedua sisi loop pada sudut kanan medan magnet akan mendapatkan gaya
pada arah yang berlawanan.
c. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar atau torsi untuk memutar
kumparan.
2.3 Motor Induksi Tiga Fasa
Motor induksi adalah motor yang mempunyai slip antara medan putar dengan
putaran rotornya. Di dalam motor induksi juga terdapat komponen utama yaitu rotor
dan stator. Rotor pada motor induksi terbagi menjadi dua jenis rotor yaitu :
7
a. Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan
dalam petak-petak slots parallel. Batang-batang tersebut diberi hubungan
pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
b. Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan
terdistribusi. Rotor tersebut dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase
digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan
ke cicin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel.
Untuk stator yang ada di motor induksi ini dibuat dari sejumlah stampings
dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk
sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat.
Motor induksi diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama yaitu motor
induksi satu fasa dan motor induksi tiga fasa. Untuk motor induksi satu fasa
penggunaan di industri sangatlah kurang dan kebanyakan di industri-industri besar itu
menggunakan motor induksi tiga fasa.
Motor induksi tiga fasa adalah motor listrik yang mempunyai kapasitaskapasitas daya yang besar. Dari alasan inilah banyak perusahaan atau industri-industri
besar memilih motor induksi tiga fasa ini sebagai mesin-mesin yang membantu dalam
proses produksi setiap harinya.
Gambar 2.4 Motor induksi tiga fasa
8
Jenis-jenis motor induksi terbagi menjadi dua yaitu ada motor induksi tiga
fasa rotor sangkar dan motor induksi tiga fasa rotor lilit. Di industri motor induksi
tiga fasa yang sering kali di temui adalah motor induksi rotor sangkar.
Motor induksi jenis rotor sangkar lebih banyak digunakan daripada jenis rotor
lilit dikarenakan rotor sangkar mempunyai bentuk sederhana. Belitan rotor terdiri atas
batang-batang penghantar yang ditempatkan di dalam alur rotor. Batang penghantar
ini terbuat dari tembaga, alloy atau alumunium. Ujung-ujung batang penghantar
dihubung
singkat oleh cincin penghubung singkat, sehingga berbentuk sangkar
burung. Karena batang penghantar rotor yang telah dihubung singkat, maka tidak
dibutuhkan tahanan luar yang dihubungkan seri dengan rangkaian pada saat awal
berputar. Alur-alur rotor biasanya tidak dihubungkan sejajar dengan sumbu (poros)
tetapi sedikit miring.
Gambar 2.5 Rotor sangkar
2.3.1 Torsi
1.
Torsi Motor
Torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor pada saat mulai diasut disebut Torsi
Asut, nilainya bisa lebih besar atau lebihkecil dari Torsi putar dalam keadaannormal.
9
2.
Torsi saat Rotor(Motor) Berputar
Pada saat motor berputar :
dimana :
E2r = Tegangan rotor / fasa saat berputar
I2r = Arus rotor/fasa saat berputar
3.
Torsi Maksimum saat Motor Berputar
10
Kondisi
Torsi Maksimum pada saat motor berputar bisa diperoleh dengan
mendeferen-tialkan persamaan Torsi terhadap Slip S.
Berdasarkan
hasil diferensial ini akan diperoleh ;
2.3.2 Tegangan Induksi pada rotor
Saat rotor belum berputar maka Slip = 1, frekuensi dari ggl rotor nilainya
sama dengan frekuensi yang di suplai ke bagian stator. Nilai tegangan induksi pada
rotor saat diam adalah maksimum, sehingga motor ekuivalen dengan sebuah
transformator tiga fasa yang di hubung singkat pada sisi sekundernya. Saat rotor
mulai berputar, kecepatan relatif antara rotor dengan fluks medan putar stator akan
menurun, sehingga tegangan induksi rotor berbanding langsung dengan kecepatan
relatif, dengan demikian tegangan induksi di rotor akan mengalami penurunan. Jadi
untuk Slip S, tegangan induksi rotor akan S kali tegangan induksi saat diam, oleh
karena itu pada kondisi ber-putar :
E2r = SE2
2.4 Metode-Metode Pengasutan Motor Induksi Tiga Fasa
2.4.1 Direct On Line (DOL)
Direct On Line starter merupakan starting langsung. Penggunaan metoda ini
sering dilakukan untuk motor-motor AC yang mempunyai kapasitas daya yang kecil.
Pengertian penyambungan langsung disini, motor yang akan dijalankan langsung di
11
swich on
ke sumber tegangan jala-jala sesuai dengan besar tegangan nominal motor.
Artinya tidak perlu mengatur atau menurunkan tegangan pada saat starting.
Gambar 2.6 Diagram Pengasutan DOL
Besar arus startnya dapat mencapai 5 sampai dengan 7 dari arus beban
penuhnya (bila tidak diketahui biasanya dipakai 6x arus beban penuhnya). Hal ini
terjadi karena motor pada saat diam memiliki momen inersia (motor dalam keadaan
diam), sehingga untuk mengalahkan momen inersia ini dibutuhkan arus yang besar.
Starter ini terdiri dari breaker sebagai proteksi hubung singkat, kontaktor, over
current relay dan komponen control seperti push button. Kontrol start dan stop
dilakukan dengan push button yang mengontrol tegangan pada coil kontaktor.
Sementara itu output OCR terangkai secara serrie sehingga jika OCR trip, maka
output OCR akan melepas tegangan ke coil kontaktor.
Komponen penyusun starter ini harus mempunyai ampacity yang cukup besar.
Perlu diperhitungkan juga arus saat start motor, demikian juga ukuran range
overloadnya.
Keuntungan
a. Sederhana
:
12
b. Biaya rendah
c. Torsi asut tinggi
Kerugian
:
a. Arus asut sangat tinggi
b. Sumber harus menahan arus puncak
c. Urutan pengasutan kasar secara mekanik
2.4.2 Star Delta ( Y/D )
Starter ini mengurangi lonjakan arus dan torsi pada saat start. Tersusun atas 3
buah kontaktor yaitu main kontaktor, star kontaktor dan delta kontaktor, timer untuk
pengalihan dari star ke delta serta sebuah overload relay. Pada saat start, starter
terhubung secara star. Gulungan stator hanya menerima tegangan sekitar 0,578 (seper
akar tiga) dari tegangan line. Jadi arus dan torsi yang dihasilkan akan lebih kecil dari
pada DOL Starter. Setelah mendekati speed normal starter akan berpindah menjadi
terkoneksi secara Delta. Starter ini akan bekerja dengan baik jika saat start motor
tidak terbebani dengan berat.
Gambar 2.7 Diagram Pengasutan Star Delta
13
Keuntungan
:
a.
Sederhana
b.
Ekonomis starter
c.
Kinerja torsi atau arus asut baik
Kerugian
a.
Torsi asut rendah, parameter pengasutan tidak dapat disesuaikan
b.
Tegangan sumber mengalami terputus pada proses pengasutan, sehingga
dapat menimbulkan arus transien (peak)
2.4.3 Autotransformer
Starting dengan cara ini adalah dengan menghubungkan motor pada tap
tegangan sekunder autotransformer terendah. Setelah beberapa saat motor dipercepat
tap autotransformer diputuskan dari rangkaian dan motor terhubung langsung pada
tegangan penuh.
Gambar 2.8 Diagram Pengasutan Autotransformer
14
Keuntungan
:
a.
Kinerja torsi atau arus asut baik
b.
Memungkinkan parameter pengasutan dapat disesuaikan
c.
Motor tersuplai secara terus menerus selama pengasutan
Kerugian
:
a.
Dibutuhkan autotrafo (mahal)
b.
Tidak toleran pada transien saluran sumber
2.4.4 Soft
Starter
Starting dengan metode ini adalah metode yang berbeda dengan metode
starting sebelumnya. Komponen yang digunakan
adalah komponen-komponen
elektronika daya yang terdiri dari rangkaian thyristor. Prinsif kerjanya yaitu dengan
menaikan tegangan secara gradual, torsi akan naik dan motor mulai berakselerasi.
Thyristor adalah komponen utama yang digunakan untuk mencacah gelombang
tegangan pada sistem soft starter. Untuk mendapatkan besar tegangan yang
diinginkan, dapat dilakukan dengan cara memberikan sudut penyulutan pada
komponen tersebut sehingga gelombang tegangan yang melewati komponen ini akan
tercacah sesuai dengan yang diinginkan.
15
Gambar 2.9 Proses pencacahan gelombang pada thyristor
Selain dari penggunaan thyristor, pada pengasutan dengan metoda ini
dibutuhkan suatu timer. Timer pada softstarter digunakan untuk proses penyulutan
sudut alpha untuk mulai menghitung dan mengawali tegangan start hingga tegangan
penuh dicapai. Proses pengaturan timer dapat dilihat pada gambar 2.10.
16
Gambar 2.10 Flow chart timer pada soft stater
Waktu yang dibutuhkan untuk mengawali tegangan start sampai tegangan
penuh pada proses soft statrting disebut dengan start ramp. Waktu ramp tidak boleh
terlalu lama, karena akan mengakibatkan panas pada motor dan beresiko tripnya relay
overload trip. Mengacu pada standar yang ada, biasanya waktu yang dibutuhkan
untuk ramp tersebut dibutuhkan 5 sampai dengan 10 detik sesuai dengan beban yang
digunakannya.
2.5 Komponen-Komponen Elektronika Daya
2.5.1 Dioda
Dioda adalah suatu komponen elektronika yang biasanya digunakan untuk
menyearhkan AC ke DC. Dioda dibentuk dari suatu sambungan bahan semikonduktor
17
tipe P dan
N. sambungan P dan N ini dibentuk dengan cara pencampuran (alloying),
difusi dan epitaksi. Dengan teknik pencampuran modern pada proses difusi dan
epitaksi akan dapat menghasilkan karakteristik komponen yang dikehendaki. Gambar
skema dari konstruksi dioda dapat dilihat pada gambar 2.11
Gambar 2.11 Konstruksi Dioda
Pada sambungan, elektron-elektron bebas akan meninggalkan bahan tipe N
dan berkombinasi
dengan hole bebas dari bahan tipe P, sehingga pad bahan tipe N
terdapat muatan positif sedangkan pada bahan tipe P terdapat muatan negatif. Dengan
demikian pada sambungan terdapat daerah deplesi yang memiliki potensial barrier
δv, yang besarnya tergantung dari jenis bahan semikonduktornya, untuk silicon
sebesar 0,6-0,7 volt dan untuk germanium sebesar 0,3 volt.
Apabila terminal anoda-katoda diberi tegangan negatif, daerah deplesi akan
melebar sehingga diode mengalirkan arus yang sangat kecil. Arus ini disebut dengan
arus bocor. Sedangkan apabila anoda diberi tegangan yang relatif lebih positif
terhadap katoda, daerah deplesi akan menyempit dengan potensial barrier 0,6-0,7 volt
untuk silicon dan 0,3 volt untuk germanium, sehingga diode dapat mengalirkan arus
yang besar. Karakteristik dioda ditunjukan pada gambar 2.12
Gambar 2.12 Karakteristik diode
18
Gambar 2.13 Simbol dioda
2.5.2 Dioda Zener
Dioda zener adalah salah satu jenis dioda yang memilki sisi exsklusif pada
daerah breakdownnya, sehingga dapat dimanfaatkan sebagai stabilizer atau pembatas
Struktur dioda zener hamper sama dengan diode pada umumnya, hanya
tegangan.
konsentrasi
doping saja yang berbeda. Kurva karakteristik diode zener juga sama
seperti diode pada umumnya, namun pada daerah breakdown dimana pada saat bias
mundur mencapai tegangan breakdown maka arus diode naik dengan cepat seperti
pada gambar karakteristik diode zener dibawah. Daerah breakdown inilah yang
menjadi referensi untuk penerapan dari diode zener. Sedangkan pada diode biasa
daerah breakdown merupakan daerah kritis yang harus dihindari dan tidak
diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena
bisa merusak diode biasa.
Gambar 2.14 Kurva Karakteristik dan Simbol Dioda Zener
Penerapan diode zener yang paling penting adalah sebagai regulator atau
stabilizer tegangan.
Gambar 2.15 Dioda Zener
19
2.5.3 Resistor
Resistor disebut juga dengan tahanan atau hambatan, berfungsi untuk
menghambat arus listrik yang melewatinya. Satuan harga resistor adalah Ohm.
Resistor terbagi menjadi dua macam, yaitu resistor tetap da resistor variable. Resistor
tetap yaitu
resistor yang nilai hambatannya relative tetap, biasanya terbuat dari
karbon, kawat atau paduan logam. Nilai hambatannya ditentukan oleh tebalnya dan
panjangnya lintasan karbon. Panjang lintasan karbon tergantung dari kisarnya alur
yang berbentuk
spiral.
Gambar 2.16 Simbol resistor tetap
Kode warna pada resistor menyatakan harga resistansi dan toleransinya.
Semakin kecil harga toleransi suatu resistor adalah semakin baik, karena harga
sebenarnya adalah harga yang tertera kurang lebig harga toleransinya.
Tabel 2.1 Kode Warna pada Resistor 4 Gelang
20
2.5.4 Kapasitor
Kapasitor atau kondensator adalah suatu komponen listrik yang dapat
menyimpan
muatan listrik. Kapasitas kapasitor dalam satuan F (Farad). Kapasitor
elektrolit
mempunyai dua kutub yaitu kutub positif dan kutub negatif (bipolar),
sedangkan kapasitor kering, misal kapasitor mika, kapasitor kertas tidak membedakan
kutub positif dan kutub negative (non bipolar). Bentuk dan symbol kapasitor dapat
dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 2.17 (a) Kapasitor ; (b) Simbol Kapasitor
2.5.5
Operational Amplifier
Penguat operasi ( operating amplifier, dikenal sebagai op-amp) adalah suatu
penguat gandengan langsung dengan bati (gain) tinggi dan dilengkapi dengan umpan
balik unruk mengendalikan kinerjanya secara menyeluruh. Penguat operasi biasanya
diperoleh delam rangkaian terintegrasi ( integrated circuit = IC ) analog. Penguat
operasi telah memperoleh pengakuan secara luas sebagai suatu komponen elektronik
yang serba guna, dapat dihandalkan dan ekonnomis.
Suatu penguat operasi ideal mempunyai beberapa karakteristik (tanpa umpan
balik) :
a. Impedansi masukan Zi
= tak hingga
b. Impedansi keluaran Z0
=0
c. Penguat tegangan
Av
= - tak terhingga
d. Lebar pita
BW
= tak terhingga
e. Keseimbangan sempurna Vo
= 0 bila V1 = V2
f. Karakteristik tak berubah karena suhu
21
Gambar 2.18 Penguat Operasi Dasar
Suatu penguat operasi dapat digunakan untuk berbagai keperluan, misalnya
penguat tak membalik (non inverting amplifier). Penguat operasi yang dipakai adalah
tipe 741 yang telah banyak dikenal. Ic inimempunyai delapan kaki, dengan
keterangan sebagai berikut :
Gambar 2.19 Tata Letak Kaki IC 741
a. Kaki 1 dan 5 : offset null
b. Kaki 2
: masukan membalik
c. Kaki 3
: masukan tak membalik
d. Kaki 4
: catu tegangan negatif
e. Kaki 6
: keluaran
f. Kaki 7
: catu tegangan positif
g. Kaki 8
: tak digunakan
Penguat tak membalik mempunyai ciri yaitu masukan yang dipakai adalah
masukan tak membalik (non inverting input) dan keluarannya sefasa dengan
masukannya.
22
Gambar 2.20 Penguat Tak Membalik (Non Inverting Amplifier)
2.5.6 Ic Regulator
1. Ic 7805
7805 adalah suatu IC yang berfungsi sebagai regulator tegangan. 7805 ini
adalah bagian seri 78xx dari ICs regulator tegangan yang nilai tegangan keluaranya
tetap.
Tegangan sumber di rangkaian dapat mengalami fluktuasi dan tidak
memberikan tegangan keluaran yang tetap. IC tegangan regulator meneruskan nilai
tegangan keluaran yang konstan. Xx di 78xx mengindikasikan nilai tetap tegangan
keluarannya. 7805 menyediakan +5V dari power suplay yang telah diatur. Beberapa
kapasitor yang telah disesuaikan nilainya dapat dihubungkan dengan pin-pin input
dan output yang bergantung pada masing-masing level tegangannya
Gambar 2.21 Pin Diagram IC 7805
23
Tabel 2.2 Deskripsi Pin IC 7805
Pin No
Function
Name
1
Input voltage (5V-18V)
Input
2
Ground (0V)
Ground
3
Regulated output : 5V (4,8V-5,2V)
Output
2. Ic 7905
7905 adalah suatu IC yang berfungsi sebagai regulator tegangan. 7905
ini adalah bagian seri 79xx dari ICs regulator tegangan yang nilai tegangan
keluaranya tetap. Tegangan sumber di rangkaian dapat mengalami fluktuasi
dan tidak memberikan tegangan keluaran yang tetap. IC tegangan regulator
meneruskan
nilai
tegangan
keluaran
yang
konstan.
Xx
di
79xx
mengindikasikan nilai tetap tegangan keluarannya. 7905 menyediakan suatu
pengatur yang memberikan tegangan -5V dan arus 1A. ini adalah beberapa
fitur tambahan yang mencakup internal thermal overload protection, proteksi
hubung singkat dan pengaman keluaran transistor yang bekerja di area
kompensasi.
Gambar 2.22 Pin Diagram IC 7905
Tabel 2.3 Deskripsi Pin IC 7905
Pin No
Function
Name
1
Ground (0V)
Ground
2
Input voltage (5V-18V)
Input
3
Regulated output : 5V (4,8V-5,2V)
Output
24
2.5.7 TRIAC
TRIAC atau Triode for Alternating Current (Trioda untuk arus bolak-balik)
adalah sebuah komponen elektronik yang kira-kira ekivalen dengan dua SCR yang
disambungkan
antiparallel dan kaki gerbangnya disambungkan bersama.
Gambar 2.23 TRIAC Equivalent Circuit
Nama resmi untuk TRIAC adalah Bidirectional Triode Thyristor. Ini
menunjukan sakelar dwiarah yang dapat mengalirkan arus listrik ke kedua arah ketika
dipicu (dihidupkan). Ini dapat disulut baik dengan tegangan positive ataupun negative
pada electrode gerbang. Sekali disulut, komponen ini akan terus menghantar hingga
arus yang mengalir lebih rendah dari arus genggamnya, misal pada akhir paruh siklus
dari arus bolak-balik. Hal tersebut membuat TRIAC sangat cocok untuk
mengendalikan kalang AC, memungkinkan pengendalian arus yang sangat tinggi
dengan arus kendali yang sangat rendah. Sebagai tambahan, memberikan pulsa sulut
pada titik tertentu dalam siklus AC memungkinkan pengendalian persentase arus
yang mengalir melalui TRIAC (pengendalian fase).
Low-Current TRIAC dapat mengontak hingga kuat arus satu ampere dan
mempunyai maksimal tegangan sampai beberapa volt. Medium-Current TRIACS
dapat mengontak sampai kuat arus 40 ampere dan mempunyai maksimal tegangan
hingga 1000 volt.
25
Gambar 2.24 Simbol Skematik TRIAC
Gambar 2.25 Konstruksi Simbol TRIAC