motor listrik 3 fasa paper
TRANSCRIPT
TUGAS
TEKNIK TENAGA LISTRIK
Disusun Oleh :
1. Ahmadi Rafe’i 3331101530
2. Arif Okta A. 3331101244
3. Asep Bahrul Ulum 3331100001
4. Asep Sopyan M 3331100951
5. Ludovicus Dimas A.P. 3331100603
6. M. Ramdhan Nurgodhan 3331112405
7. Rian dwi Purnomo 3331100952
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA
CILEGON – BANTEN
2013
1. PENDAHULUAN
Motor induksi tiga fasa merupakan motor elektrik yang paling banyak digunakan
dalam dunia industri. Salah satu kelemahan motor induksi yaitu memiliki beberapa
karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang
bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan
kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban. Oleh karena itu untuk
mendapatkan kecepatan yang konstan dan peformansi sistem yang lebih baik terhadap
perubahan beban dibutuhkan suatu pengontrol
Motor induksi 3 fasa adalah alat penggerak yang paling banyak digunakan dalam
dunia industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai konstruksi yang sederhana,
kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah, sehingga motor induksi
mulai menggeser penggunaan motor DC pada industri. Motor induksi memiliki beberapa
parameter yang bersifat non-linier, terutama resistansi rotor, yang memiliki nilai bervariasi
untuk kondisi operasi yang berbeda. Hal ini yang menyebabkan pengaturan pada motor
induksi lebih rumit dibandingkan dengan motor DC.
Salah satu kelemahan dari motor induksi adalah tidak mampu mempertahankan
kecepatannya dengan konstan bila terjadi perubahan beban. Apabila terjadi perubahan beban
maka kecepatan motor induksi akan menurun. Untuk mendapatkan kecepatan konstan serta
memperbaiki kinerja motor induksi terhadap perubahan beban, maka dibutuhkan suatu
pengontrol. Penggunaan motor induksi tiga fasa di beberapa industri membutuhkan
performansi yang tinggi dari motor induksi untuk dapat mempertahankan kecepatannya
walaupun terjadi perubahan beban. Salah satu contoh aplikasi motor induksi yaitu pada
industri kertas. Pada industri kertas ini untuk menghasilkan produk dengan kualitas yang
baik, dimana ketebalan kertas yang dihasilkan dapat merata membutuhkan ketelitian dan
kecepatan yang konstan dari motor penggeraknya, sedangkan pada motor induksi yang
digunakan dapat terjadi perubahan beban yang besar.
Beberapa penelitian pengaturan kecepatan motor induksi yang telah dilakukan antara
lain oleh Brian heber, Longya Xu dan Yifan tang (1997) menggunakan kontroller logika
fuzzy untuk memperbaiki performansi kontroller PID pada pengaturan kecepatan motor
induksi. Demikian juga penelitian yang dilakukan oleh Mohammed dkk(2000)
mengembangkan kontroller fuzzy yang digunakan untuk menala parameter PI. Kontroller
fuzzy juga dikembangkan pada penelitian yang dilakukan Chekkouri MR dkk (2002) dan
Lakhdar M & Katia K (2004) dengan melengkapi mekanisme adaptasi pada kontroller fuzzy
pada pengaturan motor induksi.
2. DASAR TEORI
A. Prinsip kerja motor 3 Fasa
Motor induksi terdiri atas dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Ada dua jenis rotor
yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots
untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang
tertentu. Stator merupakan bagian yang diam dari motor induksi tiga fasa, pada bagian stator
terdapat beberapa slot yang merupakan tempat kawat (konduktor) dari tiga kumparan tiga
fasa yang disebut kumparan stator, yang masing-masing kumparan mendapatkan suplai arus
tiga fasa, maka pada kumparan tersebut segera timbul medan putar. Dengan adanya medan
magnet putar pada kumparan stator akan mengakibatkan rotor berputar, hal ini terjadi karena
adanya induksi magnet dengan kecepatan putar rotor sinkron dan kecepatan putar stator.
Konstruksi stator terdiri dari :
1. Rumah stator yang terdiri dari besi tuang
2. Inti stator yang terbuat dari besi lunak atau baja silikon
3. Terdapat slot untuk menempatkan kawat belitan
4. Belian stator yang terbuat dari tembaga
Gambar 2.1 Konstruksi stator
Gambar 2.2 Bentuk belitan stator
Ada dua macam jenis Rotor pada motor induksi yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Rotor
sangkar (squirrel cage rotor); kawat rotor terdiri dari batang-batang tembaga yang berat,
aluminium atau alloy yang dimasukkan ke dalam inti rotor. Masing-masing ujung kawat
dihubungkan singkat dengan ‘end-ring’. Motor induksi dengan rotor belitan mempunyai rotor
dengan belitan kumparan tiga fasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor
juga mempunyai jumlah kutub yang sama. Penambahan tahanan luar sampai harga tertentu,
dapat membuat kopel mula mencapai harga kopel maksimmnya. Kopel mula yang besar
memang diperlukan pada saat start. Motor induksi jenis ini memungkinkan penambahan
(pengaturan) tahanan luar. Tahanan luar yang dapat diatur ini dihubungkan ke rotor melalui
cincin. Selain untuk menghasilkan kopel mula yang besar, tahanan luar dapat diperlukan
untuk membatasi arus mula yang besar pada saat start. Disamping itu dengan mengubah –
ubah tahanan luar, kecepatan motor dapat diatur.
Gambar 2.3 Rotor belitan
Gambar 2.4 Rotor sangkar bajing
Perputaran motor pada mesin arus bolak – balik ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluks
yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila
kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak umumnya fasa 3. hubungan dapat berupa
hubungan bintang atau delta. Ada beberapa prinsip kerja motor induksi:
Apabila sumber tegangan 3 fasa dipasang pada kumparan medan (stator), timbullah
medan putar dengan kecepatan ................rpm dengan fs = frekuensi stator (Stator line
frequency) atau frekuensi jala-jala dan p = jumlah kutub pada motor.
Medan stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.
Akibatnya pda kumparan jangkar (rotor) timbul tegangan induksi (ggl).
Karena kumparan jangkar merupakan kumparan tertutup, ggl (E) akan menghasilkan
arus (I).
Adanya arus (I) didalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor.
Bila kopel mula yng dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor besar akan memikul kopel
beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa tegangan induksi timbul karena
terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan
terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan stator dengan
kecepatan berputar rotor (nr).
Perbedaan kecepatan antara dan disebut slip (S) dinyatakan dengan:
Bila = , tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan
jangkar rotor, dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Kopel motor akan ditimbulkan
apabila lebih kecil dari .
Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak
atau asinkron.
B. Prinsip Medan Putar
Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa motor induksi,
maka arus bolak-balik sinusoidal IR, IS, IT akan mengalir pada belitan stator. Arus-arus ini
akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang mana pada kumparan akan menghasilkan
fluks magnetik yang berputar sehingga disebut juga dengan medan putar. Medan magnet
yang demikian kutub-kutubnya tidak diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran
posisinya disekitar stator. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat
diambil contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang dihasilkan
oleh arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah :
Gambar 2.5 Arus tiga fasa setimbang Gambar 2.6 diagram fasor fluksi tiga
fasa setimbang
Gambar 2.7 Medan Putar pada motor induksi 3 fasa
C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa
Telah disebutkan sebelumnya bahwa motor induksi identik dengan sebuah
transformator, tentu saja dengan demikian rangkaian ekivalen motor induksi sama dengan
rangkaian ekivalen transformator. Perbedaan yang ada hanyalah, karena pada kenyataannya
bahwa kumparan rotor (kumparan sekunder pada transformator) dari motor induksi berputar,
yang mana berfungsi untukmenghasilkan daya mekanik. Awal dari rangkaian ekivalen motor
induksi dihasilkan dengan cara yang sama sebagaimana halnya pada transformator. Semua
parameter-parameter rangkaian ekivalen yang akan dijelaskan berikut mempunyai nilai-nilai
perfasa.
1. Rangkaian Ekivalen Stator
Gelombang fluks pada celah udara yang berputar dengan kecepatan sinkron
membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang seimbang di dalam fasa-fasa stator. Besarnya
tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi
bocor stator , sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan :
Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Stator per-Fasa Motor Induksi
2. Rangkaian Ekivalen Rotor
Pada saat rotor dalam kondisi diam yaitu kondisi sesaat rotor sebelum bergerak atau
pada saat rotor terkunci (locked-rotor), slip s = 1 dimana kecepatan rotor nr = 0, karena
seluruh belitan rotor dihubung-singkat, maka akan mengalir arus akibat ggl induksi pada
rotor. Sehingga dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut :
dan rangkaian ekivalen rotor perfasa dalam keadaan diam (s = 1) digambarkan seperti gambar
2.12. di bawah ini.
Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Rotor Motor Induksi Keadaan Diam
Bagian pertama R2 merupakan tahanan rotor/fasa dan mewakilkan rugi (cu loss)tembaga (Cu
loss). Bagian kedua merupakan sebuah beban tahanan-?s ?variabel. Daya yang dikirim ke
beban ini mewakilkan daya mekanik keseluruhan yang dibangun di rotor. Untuk itu beban
mekanik pada motor dapat digantikan ?1 ?dengan sebuah beban tahanan-variabel dengan
nilai R2? -1?. Ini diketahui ?s ?sebagai tahanan beban RL.
Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Rotor per-Fasa
Keadaan Berputar pada Slip = s dimana (i) menyatakan persamaan 2.16, (ii)
menyatakan persamaan 2.17, (iii) menyatakan persamaan 2.19
2.6.3 Rangkaian Ekivalen Lengkap
Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka
dapat dibuat rangkaian ekivalen perfasa motor induksi dengan model transformator, dengan
rasio perbandingan ‘a’ antara stator dan rotor. Perhatikan gambar 2.14.
Gambar 2.14. Rangkaian Ekivalen Per-Fasa Motor Induksi Model Transformator
Untuk menghasilkan rangkaian ekivalen per-fasa akhir dari motor induksi, penting
untuk menyatakan bagian rotor dari model rangkaian ekivalen gambar 2.14 di atas terhadap
sisi stator. Pada transformator yang umum, tegangan, arus, dan impedansi pada sisi sekunder,
dapat dinyatakan terhadap sisi primer dengan menggunakan rasio perbandingan belitan dari
transformator tersebut. Dengan mengasumsikan jenis rotor yang digunakan adalah jenis
rotor belitan dan terhubung bintang ( Y ), yang mana motor dengan rotor jenis ini sangat
mirip dengan transformator, maka kita dapat juga menyatakan sisi rotor terhadap sisi stator
seperti halnya pada transformator.
D. Torsi dan Daya
Seperti telah dibahas pada sub bab mengenai konstruksi dan prinsip kerja motor
induksi, tidak ada suplai listrik yang dihubungkan secara langsung ke bagian rotor motor,
daya yang dilewatkan senjang udara adalah dalam bentuk magnetik dan selanjutnya
diinduksikan ke rotor sehingga menjadi energi listrik. Rata-rata daya yang melewati senjang
udara harus sama dengan jumlah rugi daya yang terjadi pada rotor dan daya yang dikonversi
menjadi energi mekanis.
Daya yang ada pada bagian rotor menghasilkan torsi mekanik, tetapi besarnya torsi yang
terjadi pada poros motor dimana tempat diletakkannya beban, tidak sama dengan besarnya
torsi mekanik, hal ini disebabkan adanya torsi yang hilang akibat gesekan dan angin.
Torsi Asut (Starting Torque)
Torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor pada saat mulai diasut disebut Torsi Asut,
nilainya bisa lebih besar atau lebih kecil dari Torsi putar dalam keadaan normal.
Atau
Torsi saat Rotor(Motor) Berputar
Pada saat motor berputar, maka :
dimana : Er2 = Tegangan rotor / fasa saat berputar
Ir2 = Arus rotor/fasa saat berputar
k = konstanta, nilainya =
32. π . Ns
Torsi Maksimum saat Motor Berputar
Kondisi Torsi Maksimum pada saat motor berputar bisa diperoleh dengan
mendeferentialkan persamaan Torsi terhadap Slip S.
Torsi maksimum
dTdS
=0
Berdasarkan hasil diferensial ini akan diperoleh ;
Gambar 2.10 Karakteristik Slip vs Torsi
Torsi Beban Penuh dan Torsi Maksimum
Torsi Asut dan Torsi Maksimum
Torsi pada rotor lilit
Untuk menentukan Arus, daya, dan Torsi pada Motor Induksi rotor lilit tidak
berbeda dengan rotor sangkar, hanya pada rotor lilit kita bisa menambahkan tahanan
luar terhadap bagian rotor tersebut.
Gambar 2.11 Rangkaian Ekuifalen Motor induksi Rotor Lilit
Saat pengasutan S =1
Saat berputar
Daya motor 3 Fasa
Diagram aliran daya dari sebuah Motor Induksi Tiga Fasa seperti berikut
Daya Masuk Stator = Daya Keluar Stator + Rugi Tembaga Stator
Daya Masuk Rotor = Daya Keluar Stator
Daya Keluar Rotor Kotor = Daya Masuk Rotor - Rugi Tembaga Rotor
Gambar 2.12 Diagram Alir daya motor 3 Fasa
Keterangan :
Daya Keluar Rotor kotor = Pout rotor
Daya Masuk Rotor = Pin rotor
Rugi Tembaga Rotor = Pcu rotor
Pout rotor = Tg .2. π .Nr
Rugi Tembaga Rotor untuk Sistem Tiga Fasa, adalah :
Daya Mekanik (Pm) atau
Pout rotor =(1 - S) Pin rotor
E. Efisiensi
Efisiensi motor induksi adalah ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah
energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan antara daya
keluaran dan daya masukan dan biasanya dinyatakan dalam persen juga sering dinyatakan
dengan perbandingan antara keluaran dengan keluaran ditambah rugi - rugi, yang dirumuskan
dalam persamaan berikut.
Pada beban-beban dengan nilai yang kecil, rugi-rugi tetap lebih besar dibandingkan
dengan keluaran, untuk itu efisiensi yang dihasilkan rendah. Sebagaimana beban bertambah,
efisiensi juga bertambah dan menjadi maksimum ketika rugi inti dan rugi variabel adalah
sama. Efisiensi maksimum terjadi sekitir 80 – 95 % dari rating output mesin, dimana nilai
yang lebih tinggi terdapat pada motor-motor yang besar. Jika beban yang diberikan melebihi