Motor Induksi Tiga Fasa

Download Motor Induksi Tiga Fasa

Post on 25-Oct-2015

57 views

Category:

Documents

3 download

TRANSCRIPT

<ul><li><p> 8 </p><p>BAB II </p><p>MOTOR INDUKSI TIGA FASA </p><p>2.1 Umum </p><p> Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik yang </p><p>paling banyak digunakan dalam dunia industri. Dinamakan motor induksi karena </p><p>pada kenyataannya arus rotor motor ini bukan diperoleh dari suatu sumber listrik, </p><p>tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif </p><p>antara putaran rotor dengan medan putar. Dalam kenyataannya, motor induksi </p><p>dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu dengan kumparan stator </p><p>sebagai kumparan primer yang diam, sedangkan kumparan rotor sebagai </p><p>kumparan sekunder yang berputar. </p><p> Motor induksi tiga fasa berputar pada kecepatan yang pada dasarnya </p><p>adalah konstan, mulai dari tidak berbeban sampai mencapai keadaan beban penuh. </p><p>Kecepatan putaran motor ini dipengaruhi oleh frekuensi, dengan demikian </p><p>pengaturan kecepatan tidak dapat dengan mudah dilakukan terhadap motor ini. </p><p>Walaupun demikian, motor induksi tiga fasa memiliki beberapa keuntungan, yaitu </p><p>sederhana, konstruksinya kokoh, harganya relatif murah, mudah dalam melakukan </p><p>perawatan, dan dapat diproduksi dengan karakteristik yang sesuai dengan </p><p>kebutuhan industri. </p><p>2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa </p><p> Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama </p><p>dengan motor listrik jenis lainnya. Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 9 </p><p>stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar </p><p>sebagaimana diperlihatkan pada gambar 2.1. Antara bagian stator dan rotor </p><p>dipisahkan oleh celah udara yang sempit, dengan jarak berkisar dari 0,4 mm </p><p>sampai 4 mm. </p><p>Gambar 2.1. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa </p><p> 2.2.1 Stator </p><p>Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang memiliki alur yang menjadi </p><p>tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur pada tumpukan </p><p>laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap elemen laminasi inti </p><p>dibentuk dari lempengan besi (Gambar 2.2.(a)). Tiap lempengan besi tersebut </p><p>memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti. Tiap </p><p>kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan fasa dimana untuk motor tiga </p><p>fasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat kumparan yang </p><p>digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian </p><p>tumpukan inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar </p><p>2.2.(c)). Berikut ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah </p><p>disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor </p><p>induksi tiga fasa. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 10 </p><p> (a) (b) (c) </p><p>Gambar 2.2. Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa : </p><p>(a) Lempengan Inti, </p><p>(b) Tumpukan Inti dengan Kertas Isolasi pada Beberapa Alurnya, </p><p>(c) Tumpukan Inti dan Kumparan dalam Cangkang Stator. </p><p>2.2.2 Rotor </p><p> Berdasarkan jenis rotornya, motor induksi tiga fasa dapat dibedakan </p><p>menjadi dua jenis, yang juga akan menjadi penamaan untuk motor tersebut, yaitu </p><p>rotor belitan (wound rotor) dan rotor sangkar tupai (squirrel cage rotor). </p><p> Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa yang </p><p>merupakan bayangan dari belitan pada statornya. Belitan tiga fasa pada rotor </p><p>belitan biasanya terhubung Y, dan masing-masing ujung dari tiga kawat belitan </p><p>fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada poros rotor </p><p>(gambar 2.3(a)). Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui </p><p>sikat (brush) yang menempel pada slip ring (perhatikan gambar 2.4), dengan </p><p>menggunakan sebuah perpanjangan kawat untuk tahanan luar. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 11 </p><p> (a) (b) </p><p>Gambar 2.3. (a) Tampilan Close-Up Bagian Slip Ring Rotor Belitan </p><p> (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan </p><p>Gambar 2.4. Skematik Diagram Motor Induksi Rotor Belitan </p><p> Dari gambar 2.4. dapat dilihat bahwa semata-mata keberadaan slip ring </p><p>dan sikat hanyalah sebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (exsternal </p><p>resistance). Keberadaan tahanan luar disini berfungsi pada saat pengasutan yang </p><p>berguna untuk membatasi arus mula yang besar. Tahanan luar ini kemudian secara </p><p>perlahan dikurangi sampai resistansinya nol sebagaimana kecepatan motor </p><p>bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor telah mencapai </p><p>kecepatan nominalnya, maka tiga buah sikat akan terhubung singkat tanpa tahanan </p><p>luar sehingga rotor belitan akan bekerja seperti halnya rotor sangkar tupai. </p><p> Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang </p><p>konduktor yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 12 </p><p>terdiri dari tumpukan lempengan besi tipis yang dilaminasi dan batang konduktor </p><p>yang mengitarinya (perhatikan gambar 2.5(a)). Tumpukan besi yang dilaminasi </p><p>disatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (sebagai batang konduktor) </p><p>dimasukan ke dalam slot dari inti rotor untuk membentuk serangkaian konduktor </p><p>yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang </p><p>konduktor yang terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya </p><p>dihubung singkat dengan menggunakan cincin hubung singkat (shorting ring) </p><p>atau disebut juga dengan end ring. </p><p> (a) (b) </p><p>Gambar 2.5. (a) Rotor Sangkar Tupai dan Bagian-bagiannya </p><p> (b) Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai </p><p>2.3 Prinsip Medan Putar </p><p>Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa </p><p>motor induksi, maka arus bolak-balik sinusoidal IR, IS, IT akan mengalir pada </p><p>belitan stator. Arus-arus ini akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang </p><p>mana pada kumparan akan menghasilkan fluks magnetik yang berputar sehingga </p><p>disebut juga dengan medan putar. Medan magnet yang demikian kutub-kutubnya </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 13 </p><p>tidak diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran posisinya disekitar </p><p>stator. </p><p>Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil </p><p>contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang </p><p>dihasilkan oleh arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah : </p><p>R = m sin t . (2.1a) </p><p>S = m sin (t 120o ) (2.1b) </p><p>T = m sin (t 240o ) (2.1c) </p><p> Gambar 2.6. Gambar 2.7. </p><p> Arus Tiga Fasa Setimbang Diagram Fasor Fluksi Tiga Fasa Setimbang </p><p> (1) (2) (3) (4) </p><p>Gambar 2.8. Medan Putar Pada Motor Induksi Tiga Fasa </p><p>(Menggambarkan keadaan pada gambar 2.6) </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 14 </p><p>(a). Pada keadaan 1 (gambar 2.6 dan 2.8), t = 0 ; arus dalam fasa R bernilai nol </p><p>sedangkan besarnya arus pada fasa S dan fasa T memiliki nilai yang sama </p><p>dan arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke </p><p>luar dari konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. </p><p>Sementara resultan fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu </p><p>sebesar 1,5 m dan dibuktikan sebagai berikut : </p><p>R = 0 ; S = m sin ( -120o ) = 23</p><p> m ; </p><p> T = m sin ( -240o ) = 23 m </p><p>Oleh karena itu resultan fluks, r adalah jumlah fasor dari T dan S </p><p>Sehinngga resultan fluks, r = 2 x 23 m cos 30o = 1,5 m </p><p>(b). Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada fasa S, sedangkan </p><p>pada R dan fasa T bernilai 0,5 maksimum pada fasa R dan fasa T, dan pada </p><p>saat ini t = 30o, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing-masing </p><p>fasa : </p><p>R = m sin ( -120o ) = 0,5 m </p><p> S = m sin ( -90o ) = - m </p><p> T = m sin (-210o) = 0,5 m </p><p>Maka jumlah fasor R dan T adalah = r = 2 x 0,5 m cos 60 = 0,5 m. </p><p>Sehingga resultan fluks r = -S + r = 0,5 m + m = 1,5 m. </p><p>Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks </p><p>berpindah sejauh 30o dari posisi pertama. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 15 </p><p>(c). Pada keadaan ini t = 60o, arus pada fasa R dan fasa T memiliki besar yang </p><p>sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 m ), oleh karena itu fluks yang </p><p>diberikan oleh masing-masing fasa : </p><p> R = m sin ( 60o ) = 23</p><p>m </p><p> S = m sin ( -60o ) = 23</p><p> m </p><p> T = m sin ( -180o ) = 0 </p><p>Maka magnitud dari fluks resultan : r = 2 x 23 m cos 30o = 1,5 m </p><p>Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks </p><p>berpindah sejauh 60o dari posisi pertama. </p><p>(d). Pada keadaan ini t = 90o, arus pada fasa R maksimum ( positif), dan arus </p><p>pada fasa S dan fasa T = 0,5 m , oleh karena itu fluks yang diberikan oleh </p><p>masing-masing fasa </p><p> R = m sin ( 90o ) = m S = m sin ( -30o ) = - 0,5 m T = m sin (-150o) = - 0,5 m </p><p>Maka jumlah fasor -T dan -S adalah = r = 2 x 0,5 m cos 60 = 0,5 m. </p><p>Sehingga resultan fluks r = r + T = 0,5 m + m = 1,5 m. </p><p>Dari gambar diagram fasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks </p><p>berpindah sejauh 90o dari posisi pertama. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 16 </p><p>2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa </p><p> Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan </p><p>tiga fasa seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa </p><p>stator dan akan menghasilkan fluksi bolak-balik . Amplitudo fluksi per fasa yang </p><p>dihasilkan berubah secara sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan </p><p>putar) dengan magnitud yang nilainya konstan yang berputar dengan kecepatan </p><p>sinkron : </p><p>ns = 120 (2.2) </p><p>dimana, </p><p> ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm) </p><p> f = frekuensi sumber daya (Hz) </p><p> P = jumlah kutub motor induksi </p><p> Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi </p><p>(ggl lawan) pada belitan fasa stator sebesar : </p><p> (2.3) </p><p> untuk nilai maksimum sin = 1 </p><p>Jadi </p><p> (2.4) </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 17 </p><p>dimana, </p><p> e1 = ggl induksi sesaat stator/fasa (Volt) </p><p> Em1 = ggl induksi maksimum stator/fasa (Volt) </p><p> E1 = ggl induksi efektif stator/fasa (Volt) </p><p> f1 = frekuensi saluran (Hz) </p><p> N1 = jumlah lilitan kumparan stator/fasa </p><p> = fluks magnetik maksimum (Weber) </p><p> Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor </p><p>yang diam (perhatikan gambar 2.9). Hal ini terjadi karena adanya perbedaan </p><p>relatif antara kecepatan fluksi yang berputar dengan konduktor rotor yang diam, </p><p>yang disebut juga dengan slip (s). </p><p>s = . (2.5) </p><p>Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada konduktor-</p><p>konduktor rotor sebesar : </p><p> (2.6) </p><p>atau (2.7) </p><p>dimana : </p><p> e2 = ggl induksi sesaat pada saat rotor diam/fasa (Volt) </p><p> E2 = ggl induksi efektif pada saat rotor diam/fasa (Volt) </p><p> f2 = frekuensi arus rotor (Hz) </p><p> N2 = jumlah lilitan pada kumparan rotor/fasa </p><p> = fluks magnetik maksimum (Weber) </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 18 </p><p>Gambar 2.9. Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor </p><p> Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin </p><p>ujung (end ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktor-</p><p>konduktor rotor. Karena konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus </p><p>ditempatkan di dalam daerah medan magnet yang dihasilkan stator, maka akan </p><p>terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada konduktor-konduktor rotor. Hal ini </p><p>sesuai dengan hukum gaya lorentz (perhatikan gambar 2.10) yaitu bila suatu </p><p>konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka </p><p>konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar : </p><p>F = B.i.l.sin (2.8) </p><p>dimana, </p><p> F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton) </p><p> B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2) </p><p>i = besar arus pada konduktor (A) </p><p>l = panjang konduktor (m) </p><p> = sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik </p><p>Gaya F ini adalah hal yang sangat penting karena merupakan dasar dari </p><p>bekerjanya suatu motor listrik. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 19 </p><p> Arah dari gaya elektromagnetik tersebut dapat dijelaskan oleh kaidah </p><p>tangan kanan (right-hand rule). Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari </p><p>telunjuk menyatakan arah dari vektor arus i dan jari tengah menyatakan arah dari </p><p>vektor kerapatan fluks B, maka ibu jari akan menyatakan arah gaya F yang </p><p>bekerja pada konduktor tersebut. </p><p> Gaya F yang dihasilkan pada konduktor-konduktor rotor tersebut akan </p><p>menghasilkan torsi (). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar </p><p>daripada torsi beban (0 &gt; b), maka rotor akan berputar searah dengan putaran </p><p>medan putar stator. </p><p>i F</p><p>B</p><p>l</p><p>Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet </p><p> Seperti yang telah disebutkan di atas, motor akan tetap berputar bila </p><p>kecepatan medan putar lebih besar dari pada kecepatan putaran rotor (ns &gt; nr). </p><p>Apabila ns = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan medan putar </p><p>(ns) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain slip (s) adalah nol. Hal ini </p><p>menyebabkan tidak adanya ggl terinduksi pada kumparan rotor sehingga tidak ada </p><p>arus yang mengalir, dengan demikian tidak akan dihasilkan gaya yang dapat </p><p>menghasilkan kopel untuk memutar rotor. </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 20 </p><p>2.5 Frekuensi Rotor </p><p> Frekuensi rotor tidak persis sama seperti frekensi stator. Jika rotor motor </p><p>terkunci sehingga tidak dapat bergerak nr = 0 rpm, maka rotor akan mempunyai </p><p>frekuensi yang sama seperti stator f2 = f1, dimana pada kondisi ini slip s = 1. Akan </p><p>tetapi, jika rotor berputar pada kecepatan (mendekati) sinkron nr ns, maka </p><p>frekuensi rotor akan menjadi (mendekati) nol f2 0, dimana pada kondisi ini slip </p><p>s 0. </p><p> Dari pernyataan di atas, maka dapat dibuat hubungan persamaan frekuensi </p><p>rotor f2 terhadap frekuensi stator f1 sebagai berikut, </p><p>f2 = sf1 . (2.9) </p><p>Dengan mensubstitusikan persamaan (2.5) ke dalam persamaan (2.9), maka </p><p>didapat, </p><p>f2 = f1 (2.10) </p><p>Dari persamaan (2.2) diketahui bahwa ns = 120f1/P, maka </p><p> (2.11) </p><p>2.6 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa </p><p> Telah disebutkan sebelumnya bahwa motor induksi identik dengan sebuah </p><p>transformator, tentu saja dengan demikian rangkaian ekivalen motor induksi sama </p><p>dengan rangkaian ekivalen transformator. Perbedaan yang ada hanyalah, karena </p><p>pada kenyataannya bahwa kumparan rotor (kumparan sekunder pada </p><p>transformator) dari motor induksi berputar, yang mana berfungsi untuk </p><p>Universitas Sumatera Utara</p></li><li><p> 21 </p><p>menghasilkan daya mekanik. Awal dari rangkaian ekivalen motor induksi </p><p>dihasilkan dengan cara yang sama sebagaimana halnya pada transformator. Semua </p><p>parameter-parameter rangkaian ekivalen yang akan dijelaskan berikut </p><p>mempunyai nilai-nilai perfasa. </p><p>2.6.1 Rangkaian Ekivalen Stator </p><p>Gelombang fluks pada celah udara yang berputar dengan kecepatan </p><p>sinkron membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang seimbang di dalam fasa-fasa </p><p>stator. Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar </p><p>jatuh tegangan pada impedansi bocor stator , sehingga dapat </p><p>dinyatakan dengan persamaan : </p><p> (2.12) </p><p>dimana, </p><p> = tegangan terminal stator (Volt) </p><p>= ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan (Volt) </p><p>= arus stator (Ampere) </p><p> = tahanan efektif stator (Ohm) </p><p>= reaktansi bocor stator (Ohm) </p><p>Sebagaimana halnya pada transformator, arus stator terdiri dari dua </p><p>komponen. Komponen pertama adalah komponen beban yang akan </p><p>menghasilkan fluks yang akan melawan fluks yang dihasilkan oleh arus ro...</p></li></ul>