λArah getar
INDUKSI ELEKTROMAGNETIK 2
8.3 Bahan Superkonduktor
9.1.6 Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik
a. Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
Komponen utama motor sinkron :
• Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya.
• Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron,yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
150
Ns = 120 f / P
Dimana : f = frekwensi dari pasokan frekwensi P= jumlah kutub
Gambar 9.11. Motor Sinkron.
b. Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC. Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama :
• Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
- Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
- Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.
• Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .
Klasifikasi motor induksi
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003): • Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
• Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
151 Gambar 9.12 Motor Induksi.
Kecepatan motor induksi.
Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor”.
Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran: % Slip = (Ns – Nb)/Ns x 100
Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
152
Gambar 9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor:
• Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang rendah (“pull-up torque”).
• Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun.
• Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke nol 9.1.7 APLIKASI MOTOR
Penggunaan Motor DC amat luas, namun penggunaan tersebut tergantung pada jenis motor DC yang digunakan. Tiap jenis motor DC mempunyai aplikasi tersendiri yang tentunya tidak seefektif jika menggunakan motor jenis lain untuk keperluan yang sama. Terdapat tiga jenis motor DC, penggolongan ini pada dasarnya berdasarkan topologi rangkaian, yaitu bagaimana motor tersebut disusun dengan komponen lain yang mendukung kinerjanya.
1. Motor DC shunt
Motor ini dinamakan motor DC shunt karena cara pengkabelan motor ini yang parallel (shunt) dengan kumparan armature. Motor jenis ini memiliki kecepatan yang stabil sehingga motor ini digunakan ketika membutuhkan kecepatan yang hampir sama sekali constant dari saat terdapat beban maupun terdapat beban. Selain itu, motor ini juga tepat jika kita rangkaian harus memiliki beban yang telah ditentukan.
Motor DC shunt berbeda dengan motor yang sejenis terutama pada gulungan kawat yang terkoneksi parallel dengan medan armature. Kita harus ingat bahawa teori elektronika dasar bahwa sebuah sirkuit yang parallel juga disebut sebagai shunt. Karena gulungan kawat diparalel dengan armature, maka disebut sebagai shunt winding dan motornya disebut shunt motor. Motor DC shunt memiliki skema berikut:
Gambar.9.14 Skema Motor DC Shunt.
Motor DC shunt memiliki karakteristik pengoperasian yang agak berbeda dengan motor listrik yang sejenis. Karena medan kumparan parallel terbuat dari kabel yang kecil. Motor ini tidak dapat memproduksi arus yang besar ketika mulai melakukan putaran seperti pada medan kumparan seri. Hal ini berarti motor parallel mempunyai torsi awal yang lemah.
Ketika voltase diaplikasikan ke motor listrik, resistansi yang tinggi pada kumparan parallel menjaga arus mengalir lambat. Kumparan armature untuk motor shunt pada dasarnya sama dengan motor seri dan menggunakan arus untuk memproduksi medan magnetik yang cukup kuat untuk membuat kumparan armature memulai putaran. Seperti halnya motor seri, ketika armature mulai berputar, kumparan tersebut akan memproduksi EMF. EMF balik akan menyebabkan arus pada kumparan armature mulai terkurangi sampai pada level yang sangat rendah.
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
153
Banyaknya arus pada kumparan armature yang dibutuhkan akan secara langsung berhubungan dengan banyaknya beban ketika motor mencapai kecepatan maksimal. Ketika bebannya sedikit, kumparan armature ini akan membutuhkan arus yang sedikut pula. Namun, ketika motor mencapai rpm yang penuh, kecepatannya akan tetap konstan.
Dalam industry, motor shunt digunakan pada Mesin bubut, Drills, Boring Mills, pembentuk, dan Spinning. Berikut adalah contoh boring mills yang sering digunakan pada industry.
Gambar 9.15. Mesin drills
2. Motor DC Seri
Motor ini dipasang secara seri dengan kumparan armature. Motor ini, kurang stabil. Pada torsi yang tinggi kecepatannya menurun dan sebaliknya. Namun, pada saat tidak terdapat beban motor ini akan cenderung menghasilkan kecepatan yang sangat tinggi. Tenaga putaran yang besar ini dibutuhkan pada elevator dan Electric Traction. Kecepatan ini juga dibutuhkan pada mesin jahit.
Motor DC seri mampu menghasilkan torsi awal yang besar dan stabil untuk memindahkan beban yang amat berat. Motor DC disusun dengan topologi berikut:
Gambar 9.16. Susunan Motor DC
Karena kumparan medan terseri dengan kumparan armature, motor DC seri membutuhkan jumlah arus yang sama dengan arus yang mengalir melalui kumparan armature. Untuk alas an ini kumparan dibuat dari kabel yang diameternya besar sehingga didapat arus yang mencukupi. Karena diameter kabelnya sangat besar, kumparan hanya bisa memiliki beberapa lilitan kabel. Pada motor DC yang lebih besar, medan kumparan terbuat dari tembaga dan bukan dari rentetan kabel yang digunakan
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
154
untuk mendistribusikan power. Bentuk kotak dari kabel tembaga membuat penempatan lebih mudah disekitar kutub medan. Kabel tembaga tersebut juga dapat dengan mudah memanas karena besarnya arus yang mengalir.
Jumlah arus yang melewati kumparan menentukan jumlah torsi dari motor yang dapat diproduksi. Karena medan yang seri fibuat dari konduktor yang besar, konduktor tersebut memungkinkan jumlah arus yang lebih besar dan torsi yang lebih besar. Motor DC seri dapat dengan aman ditangani karena motor tidak beroperasi untuk waktu yang lama. Pada kebanyakan aplikasinya motor akan beroperasi selama beberapa detik saja, yaitu ketika terdapat arus yang besar.
Pengoperasian dari motor ini sangat mudah untuk dimengerti. Kita tahu, bahwa kumparan medan terkoneksi secara seri dengan kumparan armature. Hal ini berarti bahwa power akan teraplikasi pada salah satu ujung dari kumparan medan yang seri dan ujung lain dari kumparan armature yang terkoneksi dengan brush.
Ketika voltase diberikan, arus mulai mengalir dari terminal power supply yang negative ke kumparan yang seri dan kumparan armature. Kumparan armature tidak berputar ketika tegangan pertama kali diberikan dan satu-satunya hambatan pada sirkuit berasal dari konduktor yang digunakan pada armature dan kumparan penguat medan. Kerena konduktor ini sangat besar, maka konduktor ini hanya akan memiliki hambatan yang kecil. Hal ini menyebabkan motor mengambil arus yang besar dari power supply. Ketika arus yang besar mulai mengalir ke kumparan penguat medan dan kumparan armature maka akan terbentuk medan magnetic yang cukup kuat. Karena arusnya amat besar, hal ini menyebabkan kumparan menjadi jenuh, yang akan memproduksi medan magnet yang amat kuat.
Dalam industry, motor ini digunakan sebagai electric traction, elevator, kompresor udara, penyedot debu, dan pengering rambut. Contoh yang nyata, dapat kita temui pada mesin mobil. Ketika pada saat pertama kali dihidupkan, mobil memerlukan tenaga putaran yang kuat untuk membuat mesin dalam mobil hidup. Dan berikut adalah gambar electric traction yang digunakan pada industri.
Gambar 9.17 Elektrik traction pada sebuah industri
3. Motor DC Compound
Motor compound memiliki dua bidang kumparan. Salah satu berparalel dengan kumparan armature, sementara kumparan lain berseri dengan bidang yang terkoneksi seri dengan kumparan armature. Kumparan yang parallel memberikan kecepatan yang constant. Sementara kumparan yang seri dapat menyumbangkan torsi yang besar
Bahan Ajar Fisika Teknik 2015
155
ketika motor dinyalakan meski pada saat terdapat beban berat. Dalam industri, motor ini digunakan untuk pekerjaan apa saja yang membutuhkan torsi besar dan kecepatan yang constant.
9.2. GENERATOR.