bab ii motor induksi tiga phasa -...

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

II.1 UMUM

Faraday menemukan hukum induksi elektromagnetik pada tahun 1831 dan Maxwell

memformulasikannya ke hukum listrik (persamaan Maxwell) sekitar tahun 1860. Pengetahuan

tersebut dikembangkan hingga ditemukannya mesin induksi yang diperkenalkan Gallileo Ferraris

(1885) dan Nicola Tesla (1886). Mesin tersebut ditunjukkan pada gambar berikut.

(a) (b)

Gambar 2.1 (a) Desain motor induksi Ferrari (b) Desain motor induksi Tesla

Kedua rancangan motor tersebut disuplai oleh tegangan ac 2 phasa dan terkonsentrasi

pada belitan 1-1’ dan 2-2’ pada inti stator ferromagnetik. Pada penemuan Ferrari, rotor terbuat

dari silinder berbahan tembaga sedangkan pada penemuan Tesla rotor terbuat dari silinder

berbahan ferromagnetic yang belitannya dihubung singkat.

Hingga pada saat sekarang motor induksi dikembangkan hingga seperti pada gambar 2.2

dan performansinya sudah jauh lebih baik, meskipun prinsip dasarnya adalah sama. Suatu belitan

stator multiphasa menghasilkan medan putar yang menginduksikan tegangan pada rotor yang

Universitas Sumatera Utara

menghasilkan arus pada belitan rotor yang terhubung singkat. Interaksi antara medan stator dan

rotor menghasilkan torsi sehingga mesin dapat berputar, oleh karena torsi rotor pada saat start

tidaklah nol, maka motor induksi dapat berputar secara langsung.

Pada tahun 1889, Dolivo Dobrovolsky menemukan motor induksi rotor belitan dan

secara konstruksi sangat persis dengan yang digunakan pada saat ini. Selain itu dia adalah

penemu rotor sangkar ganda. Pada tahun 1900, motor induksi telah digunakan pada

perindustrian. Tidak lama setelahnya, sebelum tahun 1910 di Eropa kereta api telah

menggunakan motor induksi sebagai penggerak yang dapat mencapai kecepatan 200 km/jam

Gambar 2.2 Motor Induksi 3 Phasa Modern

Seiring dengan berkembangnya teknologi elektronika daya dan kendali digital, motor

induksi sangat populer dan mendapat julukan sebagai “ The Work House For Industry” dan

diberi label “ The Race Horse of High Technology”.

Motor induksi pada umumnya disuplai oleh sumber tegangan tiga phasa dan satu phasa.

Suplai motor 1 phasa belitan 2 phasa dan biasanya digunakan pada aplikasi rumahan (kipas

angin, mesin cuci, dan lain lain) berdaya diatas 2,7 sampai 3 kW. Motor induksi 1 phasa memiliki

2 kapasitor (Start dan Run) pada phasa pembantu ditunjukkan pada gambar.


Gambar 2.3. Motor induksi 1 phasa dengan kapasitor Start and Run

Motor induksi 3 phasa ada juga yang dirancang dari alluminium untuk penggunaan

tertentu dan biasanya dayanya dibawah 55 kW

Gambar 2.4 Motor induksi berbahan alluminium

Disamping standard motor (kelas B untuk amerika dan EFF1 di Eropa), kelas motor

berefesiensi tinggi (EFF2 dan EFF3) juga telah dalam proses perkembangan dan penelitian.

Tabel 1.2 menunjukkan kelas effisiensi standard Eropa (EFF1, EFF2, dan EFF3), diperkirakan

dengan bahkan 1 sampai 2 % effisiensi bertambah, maka meningkatkan penghematan energi


yang sangat signifikan. Motor berefisiensi tinggi tersebut dirancang dengan bertegangan 3800

sampai 11.500 Volt dan 50 – 60 Hz.

Hampir semua motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor induksi

tiga phasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga phasa sangat banyak

dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki keuntungan, tetapi ada juga

kelemahannya.

Keuntungan motor induksi tiga phasa:

1. Motor induksi tiga phasa sangat sederhana dan kuat.

2. Biayanya murah dan dapat diandalkan.

3. Motor induksi tiga phasa memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal.

4. Perawatanya mudah.

Kerugianya:

1. Kecepatannya tidak bisa bervariasi tanpa merubah efisiensi.

2. Kecepatannya tergantung beban.

3. Pada torsi start memiliki kekurangan.

II.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa

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 yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat

diperlihatkan pada gambar 2.5.


Rotor

Stator

Gambar 2.5 Gambar rotor dan stator

Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang diam dan

mengalirkan arus phasa. 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 2.6.(b)). Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lembaran besi

(Gambar 2.6 (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 motor tiga phasa, 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 2.6.(c)). Berikut

ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah

dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.


Gambar 2.6 Menggambarkan Komponen Stator motor induksi tiga phasa, (a) Lempengan Inti, (b)

Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, (c) Tumpukan Inti dan Kumparan Dalam

Cangkang Stator

Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor induksi tiga

phasa berdasarkan jenis rotornya.

II.3 Jenis Motor Induksi Tiga Phasa

Ada dua jenis motor induksi tiga phasa berdasarkan rotornya yaitu:

1. Motor induksi tiga phasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor)

2. Motor induksi tiga phasa rotor belitan ( wound-rotor motor )

kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator yang

sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

(a) (b)

(c)


II.3.1 Motor Induksi Tiga Phasa Sangkar Tupai ( Squirrel-cage Motor)

Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti stator pada

motor sangkar tupai tiga phasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja 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 phasa ini

dapat tersambung dalam hubungan delta ( Δ ) ataupun bintang ( Υ ).

Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.7 di bawah ini.

Batang Poros

Kipas

Laminasi Inti Besi

Aluminium

Cincin Aluminium

Batang Poros

Kipas

Gambar 2.7 rotor sangkar, (a) Tipikal Rotor Sangkar, (b) Bagian-bagian Rotor Sangkar

(a)

(b)


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 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. Rotor jenis

rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus yang besar pada tegangan

rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.8.

(a)


Gambar 2.8 (a) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Kecil,

(b) Konstruksi Motor Induksi Rotor Sangkar Ukuran Besar

II.3.2 Motor Induksi Tiga Phasa 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 phasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing – masing phasa ujung terbuka yang

dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros rotor. Secara skematik dapat dilihat pada

gambar-2.9. Dari gambar ini dapat dilihat bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan

penghubung tahanan kendali variabel luar ke dalam rangkaian rotor.

(b)


Sumber tegangan

Belitan Stator

Belitan Rotor

Slip Ring

Tahanan Luar

Gambar 2.9 Gambar skematik motor

Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel eksternal yang

berfunsi 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 phasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

(a)


(b)

Gambar 2.10 (a) Rotor Belitan, (b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor Belitan

II.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa

Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi mekanik.

Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan phenomena alami magnetik, medan listrik,

gaya mekanis dan gerak.

Dalam motor induksi, tidak ada hubungan listrik ke rotor, arus rotor merupakan arus

induksi. Tetapi ada kondisi yang sama seperti motor dc, dimana pada rotor mengalir arus. Arus

ini berada dalam medan magnetik sehingga akan terjadi gaya (F) pada rotor yang akan

menggerakkan rotor dalam arah tegak lurus medan.

Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus

tiga phasa, arus ini menghasilkan medan magnetik yang berputar dengan kecepatan sinkron.

Ketika medan melewati konduktor rotor, dalam konduktor ini diinduksikan ggl yang sama

seperti ggl yang diinduksikan dalam lilitan sekunder transformator oleh fluksi arus primer.


Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung atau tahanan luar, ggl

induksi menyebabkan arus mengalir dalam konduktor rotor. Jadi arus yang mengalir pada

konduktor rotor dalam medan magnet yang dihasilkan stator akan menghasilkan gaya (F) yang

bekerja pada rotor.

Gambar – 2.14 di bawah ini menggambarkan penampang stator dan rotor motor induksi,

dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam dan dengan statornya diam

seperti pada saat start.

X

XX

X

X

X

X

Stator

Rotor

Gerakan medan magnetberputar

Gambar 2. 11. Penampang stator dan motor

Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan gambar di atas, penggunaan aturan tangan

kanan fleming bahwa arah arus induksi dalam konduktor rotor menuju pembaca. Pada kondisi

seperti itu, dengan konduktor yang mengalirkan arus berada dalam medan magnet seperti yang

ditunjukkan, gaya pada konduktor mengarah ke atas karena medan magnet di bawah konduktor

lebih kuat dari pada medan di atasnya. Agar sederhana, hanya satu konduktor rotor yang

diperlihatkan. Tetapi, konduktor – konduktor rotor yang berdekatan lainnya dalam medan stator

juga mengalirkan arus dalam arah seperti pada konduktor yang ditunjukkan, dan juga

mempunyai suatu gaya ke arah atas yang dikerahkan pada mereka. Pada setengah siklus


berikutnya, arah medan stator akan dibalik, tetapi arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya

pada rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor rotor di bawah kutub – kutub medan stator

lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutarkan rotor searah jarum jam. Jika

kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang menahan, motor akan

melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang sama dengan perputaran medan

magnet stator.

Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga phasa, maka dapat dijabarkan dalam

langkah – langkah berikut:

1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber tegangan tiga

phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa.

2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah.

3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak lurus terhadap

belitan phasa.

4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah:

e1 = dtdN Φ

− 1 ( Volt )

atau Φ= 11 44,4 fNE ( Volt ).

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 p

fn

×=

120s ( rpm ).

6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada

kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang besarnya:


m22 444 ΦfNE ,= ( Volt )

dimana :

E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum (Wb)

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

%100s

rs ×−

=n

nns

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:

m2s2 444 ΦsfNE ,= ( 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.


bab ii motor induksi tiga phasa -...

Documents