Dampak Perubahan Putaran Terhadap Unjuk Kerja Motor Induksi 3

57
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
Dampak Perubahan Putaran Terhadap Unjuk Kerja
Motor Induksi 3 Phasa Jenis Rotor Sangkar
Isdiyarto
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Negeri Semarang
[email protected]
Abstrak: Motor listrik adalah suatu alat yang berfungsi untuk merubah tenaga listrik menjadi
tenaga mekanik. Motor listrik 3 phasa banyak digunakan, diantaranya pada industri. Penggunaan
motor listrik dipilih karena mempunyai sifat mudah dioperasikan dan tidak menimbulkan polusi
suara dibanding dengan pengunaan tenaga motor diesel atau motor bakar. Tujuan penelitian ini
adalah 1) Untuk mengetahui apakah apakah ada perubahan unjuk kerja motor listrik 3 phasa
dengan adanya perubahan teganan dan frekuensi 2) Berapa besar tegangan dan frekuensi yang
harus diberikan pada motor induksi 3 phasa agar diperoleh unjuk kerja yang optimal. Hasilnya
adalah: (1) Perubahan tegangan sumber dapat menyebabkan perubahan unjuk kerja motor
diantaranya; perubahan kecepatan putaran, arus stator dan daya. Tetapi adanya perubahan
tegangan menyebabkan kerja motor menjadi terbatas, efisiensi daya menurun dan motor menjadi
cepat panas akibat over current, (2) Perubahan frekuensi sumber juga dapat menyebabkan
perubahan unjuk kerja motor, tetapi perubahan frekuensi dengan tegangan dibuat konstan
menyebabkan fluks magnet tidak stabil yang berakibat kerja motor tidak stabil serta efisiensi
dayanya menurun. Untuk menjaga kestabilan fluks perubahan frekuensi harus diikuti dengan
perubahan tegangan, (3) Unjuk kerja motor yang paling optimal pada penelitian ini diperoleh pada
tegangan sumber 350 volt dan frekuensi sumber 50 Hz.
Kata Kunci: motor induksi, putaran, unjuk kerja
1. Pendahuluan
Motor induksi umumnya berputar dengan
kecepatan
konstan
atau
mendekati
kecepatan
sinkronnya.
Karena
kecepatannya yang konstan, motor induksi
banyak dipakai untuk beban yang tetap
seperti pada eskalator, ban berjalan pada
industri, mesin bubut, mesin bor, mesin
penggilingan semen dan sebagainya.
Sekarang berkembang penggunaan motor
induksi untuk penggunaan beban yang
mempunyai putaran tidak tetap seperti pada
KRL, maupun untuk keperluan lainnya yang
membutuhkan variasi putaran. Untuk
keperluan tersebut motor induksi perlu
diatur kecepatannya, serta perlu dicari
unjuk kerja terbaik pada berbagai cara
pengaturan kecepatan.
Kecepatan motor induksi dapat diubah
dengan beberapa cara, yaitu; (1) merubah
banyaknya kutub, (2) mengubah frekuensi
jala-jala, (3) mengubah tegangan jala-jala,
dan
(4)
mengubah
tahanan
luar
(Fitzgerald,1990).
Perubahan tegangan jala-jala sangat
berpengaruh terhadap torsi, karena torsi
merupakan fungsi tegangan. Torsi yang
dihasilkan suatu motor induksi besarnya
sebanding dengan pangkat dua tegangan
yang diberikan pada terminal-terminal
primernya (Fitzgerald, 1990). Pengaturan
kecepatan dengan merubah tegangan
memiliki daerah yang luas, dari tegangan
minimal sampai tegangan maksimal.
Pengaturan kecepatan dengan mengatur
tegangan dan frekuensi mempunyai daerah
pengaturan
yang
lebih
luas
jika
dibandingkan dengan mengatur tahanan
luar atau mengubah jumlah kutub.
2. Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini adalah:
1) Untuk
mengetahui
apakah
ada
perubahan unjuk kerja motor listrik 3
phasa dengan adanya perubahan
putaran
2) Menentukan berapa besar tegangan dan
frekuensi yang diberikan sehingga
58
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
diperoleh unjuk kerja motor induksi tiga
phasa yang optimal.
3. Manfaat Penelitian
Penelitian ini diharapkan dapat memberikan
manfaat
adanya
penjelasan
yang
mendukung kajian teori teknologi tentang
energi listrik, dalam hal ini adanya
penjelasan
tentang
dampak
akibat
perubahan putaran terhadap unjuk kerja
motor induksi tiga phasa. Unjuk kerja motor
dilihat dari aspek pengukuran kecepatan
putaran, arus dan dayanya.
4. Kajian Pustaka
Motor induksi merupakan motor arus bolakbalik (AC) yang paling luas digunakan.
Penamaannya berasal dari kenyataan
bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh
dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus
yang terinduksi sebagai akibat adanya
perbedan relatif antara putaran rotor
dengan medan putar (rotating magnetic
field) yang dihasilkan oleh arus stator
(Zuhal, 1991). Menurut Fitzgerald (1990)
motor induksi merupakan suatu motor yang
dicatu oleh arus bolak-balik pada statornya
secara langsung dan pada rotornya dengan
imbas atau induksi dari stator.
Melihat dua pernyataan tersebut dapat
dikatakan bahwa motor induksi adalah
motor arus bolak-balik dimana statornya
dicatu langsung dari sumber tegangan
bolak-balik dan arus rotornya merupakan
imbas atau induksi dari statornya. Imbas
tersebut sebagai akibat adanya perbedaan
relatif antara putaran rotor dengan medan
putar. Oleh karena itu motor AC dikenal
dengan sebutan motor induksi. Sedangkan
yang dimaksud dengan motor induksi tiga
phasa adalah motor induksi yang pada
belitan statornya dicatu dengan sumber
tegangan tiga phasa yang masing-masing
fasa memilki beda phasa sebesar 120°.
4.1. Hubungan Antara Kecepatan,
Tegangan, dan Frekuensi
Terhadap Torsi
4.1.1. Hubungan kecepatan dengan torsi
Bardasarkan rumus Pm = ω . T jika daya
mekanik (Pm) dianggap konstan maka
besarnya torsi tergantung dari kecepatan
sudut (ω).
ω = 2π .
nr
60
Jika putaran rotor dipercepat, maka torsi
yang dihasilkan kecil, sedangkan jika
torsinya besar maka kecepatannya lambat.
Gambar 1 menggambarkan hubungan
antara kecepatan dengan torsi.
Pada beban penuh motor berputar pada
kecepatan Nn. Pada saat beban mekanik
meningkat, kecepatan motor menurun
sampai torsi maksimum sama dengan torsi
beban. Bila torsi beban melebihi Tm, maka
motor akan berhenti.
Gambar 1. kurva kecepatan terhadap
torsi
4.1.2. Hubungan tegangan dengan torsi
Besarnya torsi suatu motor induksi
tergantung pada tegangan dan frekuensi
yang diberikan ke stator. Bila f dibuat tetap
maka T ≈ V2.
Gambar 2. Kurva tegangan terhadap
torsi
59
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
4.1.3. Hubungan frekuensi dengan torsi
Kecepatan sinkron motor induksi tergantng
pada frekuensi input. Untuk menjaga agar
konstan, maka tegangan dan frekuensi
input tervariasi sama dan sebanding. Jika
frekuensi dibuat dua kali, maka frekuensi
juga dibuat dua kali. Jika frekuensi dan
tegangan input dinaikkan, maka kecepatan
putar motor akan semakin cepat.
4.2.3. Mengatur Tegangan Sumber (Line
Voltage Control)
Besarnya kopel motor induksi tiga phasa
dirumuskan;
T =
3
ω
(V1 )
Sa 2 R 2
2
(a
2
R2
)
2
+ (a 2 X 2 ) 2
Persamaan kopel motor induksi tiga phasa
menjelaskan bahwa kopel sebanding
dengan pangkat dua tegangan yang
diberikan. Pada beban tertentu dengan
menganggap besarnya tahanan rotor dan
reaktansi rotor konstan serta slip yang kecil,
dengan merubah nilai tegangan input maka
akan
terjadi
perubahan
kecepatan.
Pengaturan putaran motor induksi tiga
phasa dengan cara mengatur tegangan
sumber mempunyai daerah kerja yang lebih
luas.
Gambar 3. Kurva frekuensi terhadap
torsi (Schneider Electric, 2004)
4.2. Pengaturan Kecepatan Motor
Induksi Tiga Phasa
Pengaturan kecepatan motor induksi dapat
dilakukan dengan beberapa cara yaitu;
mengubah jumlah kutub, mengubah
frekuensi input, mengatur tegangan input,
serta pengaturan tahanan luar.
4.2.1. Mengubah Jumlah
Changing Motor)
Mengingat
maka
ns =
Kutub
120 f 1
p
(Pole
bahwa
Gambar 4. Karakteristik pengaturan
tegangan
4.2.4. Pengaturan Tahanan Luar
Kecepatan putar motor induksi tiga phasa
dapat dirubah dengan menambahkan
tahanan luar . Dengan mengatur tahanan
luar akan terjadi perubahan kecepatan.
Pengaturan tahanan luar hanya dapat
dilakukan untuk motor induksi jenis rotor lilit.
perubahan jumlah kutub (P) dan frekuensi
(f) akan mempengaruhi putaran.
5. Metode Penelitian
4.2.2. Pengaturan Frekuensi Sumber (Line
Frequency Control)
Kecepatan putaran motor induksi tiga fasa
dapat diatur dengan merubah frekuensi
sumber, karena medan putar stator
merupakan fungsi frekuensi.
.
Dari persamaan medan putar dapat
dianalisis bahwa apabila nilai fekuensi f
berubah, maka akan mempengaruhi
perubahan harga medan putar stator (ns).
Populasi dalam penelitian ini adalah motor
induksi tiga phasa berdaya kecil sebesar 2
HP (horse power). Sedangkan sampelnya
adalah motor induksi tiga phasa jenis rotor
sangkar dengan spesifikaasi sebagai
berikut: 1,5 KW, 2 HP, ∆ / Υ, 220 / 380 V, 6
/ 3,4 A, 50 Hz, 2840 r/min
60
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
Cara Pengumpulan Data
6. Hasil dan Pembahasan
Cara pengumpulan data pada penelitian
ini adalah dengan metode eksperimen.
Dalam penelitian ini data yang akan
diambil berupa data kecepatan putaran
motor, arus, tegangan, frekuensi dan
daya. Data tersebut diperoleh dari
pengaturan kecepatan motor dengan
mengatur
tegangan
dan
frekuensi.
Sebagai bebannya, motor dikopel dengan
generator AC satu phasa yang dibebani
dengan lampu.
6.1. Hasil Penelitian
Data penelitian diperoleh dari hasil
pengukuran dan analisis sesuai dengan
rancangan yang telah dikemukakan di
atas. Data yang diambil berupa kecepatan
putaran, arus stator, dan daya. Data
pengukuran dapat dilihat pada tabel 1
sampai dengan tabel 4.
Pengaturan Tegangan
Tabel 1. Perubahan tegangan terhadap kecepatan putaran
Tegangan Frekuensi
Kecepatan Putaran Rotor (RPM)
Tanpa
Berbeban (Watt)
(Volt)
(Hz)
Beban 100
200
300
400
500
350
50
2990 2930 2920 2915 2890 2885
300
50
2990 2915 2905 2875 2845 2820
250
50
2985 2895 2865 2840 2770 2685
200
50
2980 2820 2785 2755 2705 2675
150
50
2970 2690 2550 2450 2295 2005
Tabel 2. Perubahan tegangan terhadap efisiensi daya
Tegangan Frekuensi
Efisiensi Daya %
Pada beban Watt
(Volt)
(Hz)
100
200
300
400
500
350
50
49.60 53.53 54.66 72.79 75.01
300
50
57.58 61.33 65.71 71.13 73.11
250
50
57.90 63.67 67.62 76.18 75.58
200
50
67.68 71.17 73.47 78.90 79.26
150
50
71.73 71.29 70.63 76.50 66.83
600
2880
2815
2650
2600
1840
600
76.08
75.07
75.97
78.33
61.33
Pengaturan Frekuensi
Tabel 3. Perubahan frekuensi terhadap kecepatan putaran
Frekuensi Tegangan
Kecepatan Putaran Rotor (RPM)
Tanpa
Berbeban (Watt)
(Hz)
(Volt)
Beban
60
100
150
200
250
35
150
2050 1935 1905 1875 1850 1800
40
150
2380 2225 2200 2175 2155 2125
45
150
2675 2550 2510 2480 2450 2410
50
150
2950 2760 2720 2680 2640 2585
55
150
3250 2900 2825 2750 2675 2500
300
1785
2085
2375
2350
2300
61
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
Tabel 4. Perubahan frekuensi terhadap efisiensi daya
Efisiensi Daya %
Frekuensi Tegangan
Pada beban Watt
(Hz)
(V)
60
100
150
200
250
35
150
63.79 68.04 69.44 66.07 65.78
40
150
61.81 68.75 69.05 70.27 70.47
45
150
64.93 70.83 72.72 73.29 73.32
50
150
69.00 72.53 73.38 74.46 73.31
55
150
70.00 71.79 70.00 79.17 73.33
300
66.52
70.17
73.30
67.45
66.67
K ecepatan P utaran (R P M )
3500
V = 350 volt
3000
2500
V = 300 volt
2000
V = 250 volt
1500
V = 200 volt
1000
V = 150 volt
500
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Beban lampu (Watt)
Gambar 5. Grafik hubungan kecepatan putaran terhadap beban
untuk beberapa variasi tegangan
6.2. Pembahasan
6.2.1. Perubahan Tegangan Terhadap
Kecepatan
Berdasarkan data yang ada serta grafik
hubungan antara kecepatan putaran
terhadap beban untuk beberapa variasi
tegangan terlihat bahwa semakin besar
beban kecepatan putaran motor semakin
menurun
Adanya
perubahan
tegangan
juga
mengakibat-kan terjadinya perubahan
kecepatan putaran motor. Misalnya pada
tegangan 350 volt terjadi penurunan
kecepatan putaran sebesar 0,57 %.
Tegangan sebesar 300 volt, rata-rata
penurunan kecepatan putaran sebesar
2,33 %. Terjadi penurunan keceparan
putaran sebesar 5,39 % pada tegangan
sumber sebesar 250 volt. Tegangan
sumber
sebesar
200
volt
terjadi
penurunan kecepatan putaran sebesar
7,12 % dan pada tegangan sumber
sebesar 150 volt terjadi rata-rata
penurunan kecepatan putaran sebesar
20,56 %. Dari data tersebut dapat dilihat
adanya perbuahan putaran jika tegangan
sumber diubah.
Efisiensi daya dihitung dengan cara
membandingkan antara daya output
dengan daya input. Gambar di bawah
menggambarkan
hubungan
antara
efisiensi daya terhadap beban untuk
beberapa variasi tegangan. Dari gambar
tersebut terlihat bahwa semakin besar
beban, efisiensi daya cenderung naik
tetapi pada saat mendekati over load
(beban penuh) efisiensi daya menurun.
Grafik tersebut juga menggambarkan
bahwa adanya perubahan tegangan
mengakibatkan
terjadinya
perubahan
efisiensi daya. Penurunan tegangan
mengakibatkan efisiensi daya menurun.
Hal ini disebabkan karena adanya
penurunan
tegangan
mengakibatkan
penurunan daya motor sehingga kerja
motor menjadi terbatas.
62
E fisiensi (% )
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
90.00
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
V = 350 V
V = 300 V
V = 250 V
V = 200 V
V = 150 V
0
100
200
300
400
500
600
700
Beban Lampu (Watt)
Gambar 6. Grafik hubungan efisiensi daya terhadap beban untuk
beberapa variasi tegangan
6.2.2. Perubahan Frekuensi Terhadap
Kecepatan Putaran Motor
Berdasarkan data yang diperoleh dari
penelitian serta grafik hubungan antara
kecepatan putaran terhadap beban untuk
beberapa variasi frekuensi terlihat bahwa
dengan merubah frekuensi akan terjadi
perubahan kecepatan putaran. Jika
frekuensi kerja motor sebagai acuan (f =
50 Hz) maka pada frekuensi 35 hertz
terjadi rata-rata penurunan kecepatan
putaran sebesar 29,94 %. Frekuensi
sumber sebesar 40 hertz, rata-rata
penurunan kecepatan putaran sebesar
18,51 %. Frekuensi sebesar 45 hertz,
kecepatan putaran mengalami penurunan
sebesar 7,15 %. Frekuensi sumber
sebesar 55 hertz terjadi kenaikan
kecepatan putaran sebesar 3,22 % dan
pada frekuensi 60 hertz kecepatan
putaran motor
justru mengalami
penurunan sebesa 45,01 Untuk menjaga
kestabilan fluks adanya perubahan
frekuensi juga harus dikuti dengan
perubahan tegangan. Jika frekuensi naik
dua kali maka tegangan juga harus naik
dua kali.
Berdasarkan data hasil penelitian dan
grafik hubungan efisiensi daya terhadap
beban untuk beberapa variasi frekuensi
terlihat bahwa efisiensi daya pada
frekuensi 35 Hz sampai 55 Hz cenderung
stabil.
Dari hasil analisis data dan grafik
hubungan perubahan tegangan dan
frekuensi terhadap unjuk kerja motor
terlihat bahwa kecepatan putaran motor
dapat diatur dengan merubah tegangan
sumber dan frekuensi sumber, tetapi
perubahan tersebut sangat berpengaruh
terhadap unjuk kerja motor. Dengan
menurunkan tegangan dibawah tegangan
kerja, kerja motor menjadi terbatas,
efisiensi dayanya menurun, dan motor
menjadi cepat panas akibat over current.
Pengaturan dengan merubah frekuensi
sumber menghasilkan daerah pengaturan
yang lebih lebar, tetapi perubahan
frekuensi dengan tegangan dibuat konstan
mengakibatkan fluks magnetik tidak stabil.
Ketidak
stabilan
fluks
magnetik
mengakibatkan kerja motor menurun,
efisiensi daya menurun dan over current.
Untuk menghasilkan kestabilan fluks,
maka perubahan frekuensi harus diikuti
perubahan tegangan.
Unjuk kerja motor yang paling optimal
pada penelitian ini diperoleh pada
tegangan sumber 350 volt dan frekuensi
sumber 50 Hz.
63
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
3500
Putaran Rotor (RPM)
3000
f = 35 Hz
2500
f = 40 Hz
2000
f = 45 Hz
1500
f = 50 Hz
1000
f = 55 Hz
500
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Beban (Watt)
Gambar 7. Grafik hubungan antara kecepatan putaran motor
terhadap beban untuk beberapa veriasi frekuensi sumber
E fisiensi (% )
Hubungan Efisiensi Terhadap Beban
80.00
70.00
60.00
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
0.00
f = 35 Hz
f = 40 Hz
f = 45 Hz
f = 50 Hz
f = 55 Hz
60
100
150
200
250
300
Beban Lampu (Watt)
Gambar 8. Grafik hubungan efisiensi daya terhadap beban untuk
beberapa variasi frekuensi sumber
7. Simpulan dan Saran
7.1. Simpulan
Berdasarkan data hasil penelitian dan
analisis data yang telah dilakukan, maka
dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1) Perubahan tegangan sumber dapat
menyebabkan perubahan unjuk kerja
motor
diantaranya;
perubahan
kecepatan putaran, arus stator dan
daya. Tetapi adanya perubahan
tegangan menyebabkan kerja motor
menjadi terbatas, efisiensi daya
menurun dan motor menjadi cepat
panas akibat over current.
2) Perubahan frekuensi sumber juga
dapat menyebabkan perubahan unjuk
kerja
motor,
tetapi
perubahan
frekuensi dengan tegangan dibuat
konstan menyebabkan fluks magnet
tidak stabil yang berakibat kerja motor
tidak stabil serta efisiensi dayanya
menurun. Untuk menjaga kestabilan
fluks perubahan frekuensi harus diikuti
dengan perubahan tegangan.
3) Unjuk kerja motor yang paling optimal
pada penelitian ini diperoleh pada
tegangan sumber 350 volt dan
frekuensi sumber 50 Hz
7.2. Saran
Bagi pemakai, hendaknya motor induksi
difungsikan dengan kecepatan putaran
64
konstan/tetap
serta
frekuensi
kerjanya
spesifikasinya.
Jurnal Kompetensi Teknik Vol.1, No. 2, Mei 2010
tegangan
dan
sesuai
dengan
Daftar Pustaka
Abdul Kadir.1984. Mesin tak serempak.
Bandung: Djambatan,
Fitzgerald A.E, Jr. Charles Kingsley and
Stepen D Umans. 1997. Mesin-Mesin
Listrik Terjemahan Edisi Keempat.
Jakarta: PT.Gelora Aksara Pratama.
Lister.1993. Mesin dan rangkaian listrik.
Alih bahasa Hanapi Gunawan.
Jakarta: Erlangga.
Marappung, Muslimin. 1979. Teori soal
penyelesaian teknik tenaga listrik.
Bandung: Armico.
Rijono Yon. 1997. Dasar Teknik Tenaga
Listrik. Yogyakarta: Andi Offset.
Schneider Electric.2004. Bahan pelatihan.
Jakarta: Schneider Electric
Sugiyono.
1997.
Statistika
untuk
penelitian. Bandung: Alfabet.
Theraja, B.L. 1977. A text book of
technology. New Delhi: S. Chand &
Co. LTD.,
Zuhal. 1991. Dasar tenaga listrik.
Bandung: Penerbit ITB.