6 BAB II MOTOR INDUKSI 3 FASA 2.1 Umum Motor listrik

BAB II
MOTOR INDUKSI 3 FASA
2.1
Umum
Motor listrik merupakan beban listrik yang paling banyak
digunakan di dunia, motor induksi tiga fasa adalah suatu mesin listrik yang
mengubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan
gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dengan
medan rotor. Penamaan motor ini 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 yang dihasilkan arus stator.
Keunggulan-keunggulan motor induksi dibanding dengan motor
listrik lainnya (HamzahBerahim, 1993) adalah :
a) Konstruksi sederhana ringkas dan kuat,
b) Memiliki faktor daya yangcukup baik,
c) Pemeliharaan mudah dan
d) Harganya relative lebih murah.
Sedangkan kekurangannya, adalah :
a) Daerah pengaturan untuk kecepatan tidak seluas motor arus searah,
b) Kecepatan akan turun bila beban bertambah besar,
c) Torsi asut tidak lebih baik dibanding dengan motor arus searah shunt
6
http://digilib.mercubuana.ac.id/
2.2
Konstruksi Motor Induksi 3 fasa.
Secara umum konstruksi motor induksi tiga fasa terdiri dari stator
dan rotor. Stator merupakan bagian dari mesin yang tidak berputar dan
terletak pada bagian luar. Sedangkan rotor merupakan bagian dari mesin
yang berputar dan letaknya pada bagian dalam. Konstruksi motor induksi
dapat dilihat pada gambar berikut.
rotor
Terminal sumber V
frame
kipas
Eye hook
Belitan stator
poros
Ganbar 2.1 Konstruksi motor induksi 3 fasa
2.2.1 Stator
Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar yang terletak
pada bagian luar dan merupakan tempat mengalirkan arus beban. Stator
terbuat dari besi bundar berlaminasi yang mempunyai alur – alur sebagai
tempat meletakkan kumparan. 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 phasa dimana untuk
7
http://digilib.mercubuana.ac.id/
motor tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120º. Alur
pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2(b)).
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, dan belitan stator yang telah
dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.
(a)
(b)
Gambar 2.2 Komponen stator motor induksi 3 fasa
( c)
a) Lempengan inti
b) Tumpukan inti dengan isolasi kertas
c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator.
2.2.2 Rotor
Rotor adalah bagian dari mesin yang berputar dan letaknya pada
bagian dalam.Pada motor induksi terdapat dua tipe rotor yang berbeda
yaitu rotor sangkar tupai dan rotor belitan. Kedua tipe rotor ini
menggunakan laminasi melingkar yang terikat erat pada poros.
Penampang rotor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana.
Batang rotor dan cincin ujung sangkar tupai yang kecil merupakan coran
8
http://digilib.mercubuana.ac.id/
tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Pada motor
yang lebih besar, batang rotor dibenamkan dalam alur rotor dan kemudian
di las dengan kuat ke cincin ujung. Apabila dilihat tanpa inti rotor, maka
batang rotor ini kelihatan seperti kandang tupai.oleh karena itu motor
induksi dengan rotor sangkar tupai dinamakan motor induksi sangkar
tupai.
Pada ujung cincin penutup dilekatkan kipas yang berfungsi sebagai
pendingin. Rotor jenis ini tidak terisolasi, karena batangan dialiri arus
yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar
tupai ditunjukkan pada Gambar 2.3
Cincin alumunium
Batang poros
alumunium
(a)
(b)
Gambar 2.3 (a) tipikal rotor sangkar, (b) motor induksi rotor sangkar
Pada tipe rotor belitan, slot rotor menampung belitan terisolasi
yang mirip dengan belitan pada stator. Belitan rotor terdistribusi merata,
biasanya terhubung bintang dan masing – masing ujung fasa terbuka yang
terhubung pada cincin slip yang terpasang pada rotor. Konstruksi motor
induksi tiga fasa rotor belitan ditunjukkan pada Gambar 2.4
9
http://digilib.mercubuana.ac.id/
(a)
(b)
Gambar 2.4 (a) tipikal rotor belitan, (b) motor induksi rotor belitan
2.3
Medan Putar
Perputaran rotor pada motor arus bolak – balik terjadi akibat
adanya medan putar ( fluks yang berputar ) yang memotong rotor. Medan
putar ini terjadi apabila kumparan stator dihubungkan dengan suplai fasa
banyak, umumnya tiga fasa. Pada saat terminal tiga fasa motor induksi
dihubungkan dengan suplai tiga fasa maka arus bolak – balik tiga fasa ia,
ib, ic yang terpisah sebesar 120º derajat satu sama lain akan mengalir
pada kumparan stator. Arus – arus ini akan menghasilkan gaya gerak
magnet yang kemudian menghasilkan fluks yang berputar atau disebut
juga medan putar.
Untuk melihat bagaimana medan putar dihasilkan, maka dapat
diambil contoh sebuah motor induksi tiga fasa yang dihubungkan dengan
sumber tiga fasa sehingga pada stator mengalir arus tiga fasa yang
kemudian menghasilkan medan putar, seperti berikut ini :
10
http://digilib.mercubuana.ac.id/
Gambar 2.5 (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa, ( b ) Arus 3 fasa
seimbang
Gambar 2.6 Diagram vektor untuk fluksi total pada kondisi t1,t2, t3, t4
Dari semua diagram vektor di atas dapat pula dilihat bahwa fluksi resultan
berjalan (berputar).
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 :
ns = 120 ……………………………………………...……… (2.1)
dimana :
ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm)
f = frekuensi sumber daya( Hz )
p= jumlah kutup motor induksi
Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl
induksi (ggl lawan) pada belitan fasa stator sebesar :
=-
=-
== 2
Jadi
= 2
∅
.( 2.3 )
∅
(∅ sin
)
(∅ cos
)
∅
(
− 90°)
∴ untuk nilai maksimum sin = 1
∅
12
http://digilib.mercubuana.ac.id/
=
=
√
,
∅
=
√
∅
..................................................................( 2.2 )
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
Øm
=
fluks magnetik maksimum (Weber)
Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan
rotor yang diam (perhatikan gambar 2.7). Hal ini terjadi karena adanya
perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor
rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s).
S=
................................................................................ ( 2.3 )
Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada
konduktor-konduktor rotor sebesar :
=-
atau
=
,
∅
...........................................................................( 2.4 )
∅
......................................................................( 2.5 )
13
http://digilib.mercubuana.ac.id/
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
Øm
=
fluks magnetik maksimum (Weber)
Gambar 2.7 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 konduktor-konduktor 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 sesuai dengan hukum gaya
lorentz (perhatikan gambar 2.8) yaitu bila suatu konduktor yang dialiri
arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor tersebut
akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar :
= . . . sin
.......................................................................( 2.6 )
14
http://digilib.mercubuana.ac.id/
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.
Gambar 2.8 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam
suatu lingkar.
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 (perhatikan
gambar 2.9). Gaya F yang dihasilkan pada konduktor – konduktor rotor
tersebut akan menghasilkan torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada
15
http://digilib.mercubuana.ac.id/
rotor lebih besar daripada torsi beban (τ0 > τb), maka rotor akan berputar
searah dengan putaran medan putar stator.
Gambar 2.9 Aturan tangan kanan
Untuk mempelajari prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat
dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Apabila belitan stator dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa
yang setimbang maka akan mengalir arus pada tiap belitan fasa.
2. Arus yang mengalir pada tiap fasa menghasilkan fluks yang berubahubah untuk setiap waktu.
3. Resultan dari ketiga fluksi bolak-balik tersebut menghasilkan medan
putar yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya
ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan
ns = 120 rpm
4. Akibat fluksi yang berputar pada stator akan menimbulkan GGL
induksi sebesar
=
,
∅
volt
5. Fluksi yang berputar akan memotong batang konduktor pada rotor,
akibatnya
=
,
pada
∅
rotor
akan
timbul
volt
16
http://digilib.mercubuana.ac.id/
GGL
induksi
sebesar
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka akan
mengalir arus (I2).
7. Adanya arus (I2) di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F)
pada rotor.
8. Gaya (F) akan menghasilkan torsi (τ). Apabila torsi mula yang
dihasilkan lebih besar torsi beban, maka rotor akan berputar dengan
kecepatan (nr) yang searah dengan medan putar stator.
9. Pada saat berputar,maka ada perbedaan kecepatan medan putar stator
(ns) dengan kecepatan rotor (nr) disebut dengan slip (s) dan dinyatakan
dengan:
S=
x 100%.....................................................................(2.7)
10. Pada rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi
pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.
Tegangan induksi ini dinyatakan dengan E2S yang besarnya :
E2S = 4,44 SfN2Φm (volt) ……….……………..……...………(2.8)
Dimana :
E2S = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt)
Sf = frekuensi rotor ( frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam
keadaan berputar ).
11. Apabila ns = nr, maka slip akan bernilai nol. Hal ini akan
menyebabkan tidak adanya ggl induksi pada rotor tegangan tidak akan
17
http://digilib.mercubuana.ac.id/
terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada kumparan rotor, sehingga
tidak akan dihasilkan torsi.
2.5
Frekuensi Rotor
Frekuensi rotor tidak persis sama seperti frekensi stator. Jika rotor
motor terkunci sehingga tidak dapat bergerak nr = 0 rpm, maka rotor akan
mempunyai frekuensi yang sama seperti stator f2 = f1, dimana pada kondisi
ini slip s = 1. Akan tetapi, jika rotor berputar pada kecepatan (mendekati)
sinkron nr ≈ ns, maka frekuensi rotor akan menjadi (mendekati) nol f2 ≈ 0,
dimana pada kondisi ini slip s ≈ 0. Dari pernyataan di atas, maka dapat
dibuat hubungan persamaan frekuensi rotor f2 terhadap frekuensi stator f1
sebagai berikut,
f2 = sf1
…………………………………………………………………………..……………………..(2.9)
Dengan mensubstitusikan persamaan (2.4) ke dalam persamaan (2.9),
maka didapat,
f2 = f1 ………………………………………………………………...(2.10)
Dari persamaan (2.1) diketahui bahwa ns = 120f1/P, maka
f2 =
f1 =(
−
)
……………………………… (2.11)
18
http://digilib.mercubuana.ac.id/