Analisis Perbandingan Temperatur Motor Induksi Tiga Phasa Pada Kondisi Beban Berubah-Ubah Menggunakan Thermometer Infrared

Teks penuh

(1)

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

2.1 Umum

Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (ac) yang paling

luas digunakan.Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja

berdasarkan induksi medan magnet stator ke rotornya,dimana arus motor ini

bukan diperoleh dari sumber tertentu,tetapi merupakan arus yang terinduksi

sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar

(rotating magnetic field) yang dihasilkan oleh arus stator.

Motor ini memiliki konstruksi yang kuat,sederhana,handal serta bebiaya

murah. Disamping itu motor ini juga memeilki efisiensi yang tinggi saat bebeban

penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang banyak.

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 digunakan di perindustrian karena banyak

memiliki keuntungan,tetapi ada juga kelemahannya.

Keuntungan motor induksi tiga phasa:

• Motor induksi tiga phasa sangat sederhana dan kuat

• Biaya murah dan dapat diandalkan

• Memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal

• perawatannya mudah

Kelemahannya :

(2)

• Kecepatannya tergantung beban

• Pada torsi start memiliki kekurangan

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa

Secara umum motor induksi terdiri dari rotor dan stator.Rotor merupakan

bagian yang bergerak,sedangkan stator bagian yang diam.Diantara stator dan rotor

ada celah udara yang jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat dilihat

pada Gambar 2.1.

Gambar 2.1 konstruksi sederhana motor induksi

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 bebentuk

silindris. Alur pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas.Tiap elemen

laminasi inti dibentuk dari lembaran besi.Tiap lembaran besi tersebut memiliki

alur dan beberapa lubang untuk menyatukan inti.

• Slot

Slot merupakan tempat untuk meletakkan kumparan stator yang dibentuk

(3)

• Kumparan stator

Kumparan stator merupakan tempat terbentuknya tegangan induksi pada

generator dan didesain untuk menghasilkan kutub-kutub elektromagnetik stator

yang sinkron dengan kutub magnet rotor.

Sedangkan pada bagian rotor terdapat tiga bagian utama, yaitu:

Collector ring atau slip ring

Collector ring merupakan cincin logam yang melingkari poros rotor, tetapi

dipisahkan oleh isolasi tertentu.Bagian ini merupakan bagian yang terhubung

dengan sumber arus searah yang untuk selanjutnya dialirkan menuju kumparan

rotor.

• Kumparan rotor

Kumparan rotor merupakan bagian yang dialiri arus searah sebagai sumber

medan magnet melalui sistem eksitasi tertentu.

• Poros

Poros merupakan tempat untuk meletakkan kumparan rotor dan

merupakan bagian yang terkopel dengan dan diputar oleh prime mover.

2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa

Ketika medan magnetik memotong konduktor rotor, di dalam konduktor

tersebut akan diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam

lilitan sekunder transformator oleh fluksi primer. Rangkaian rotor merupakan

rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung maupun tahanan luar. Ggl induksi

menyebabkan arus mengalir di dalam konduktor rotor.. Sehingga dengan adanya

aliran arus pada konduktor rotor di dalam medan magnet yang dihasilkan stator,

(4)

Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga phasa, maka dapat

dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:

1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang terhubung dengansumber

tegangan tiga phasa yang setimbang akan menghasilkan arus pada

tiapbelitanphasa arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik

yang berubah -ubah.

2. amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan

arahnyategak lurus terhadap belitanphasa

3. akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya :

�1 =−� ��

��(����) (2.1) �1 = 4.44��1� (����) (2.2)

4. Resultan dari ketiga fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan

medanputar yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya

ditentukanoleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang dirumuskan:

�� = 120�(���) (2.3)

5. fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor padarotor.

Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar

E2yangbesarnya

�2 = 4.44��2��(����) (2.4)

Dimana:

E2 = tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam(volt)

N2 = jumlahlilitanrotor

(5)

6. karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl

tersebutakan menghasilkan arusI2

7. adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F

padarotor

8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untukmemikul

kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putarstator.

9. perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekatikecepatan

sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan

kecepatanrotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:

�= ��− ��

�� � 100% (2.5)

10.padasaatrotordalamkeadaanberputar,besarnyateganganyangterinduksi pada

kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip.Tegangan induksi

ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya:

�2� = 4.44���2��(����) (2.6)

dimana:

E2s = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt)

f2 = sf = frekuensi rotor ( frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam

keadaan berputar )

11.bilans = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan

mengalirpada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.

(6)

2.4 Medan Putar

Perputaran motor pada 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 phasa tiga.

�� =�� sin�� (2.4.1�)

�� = ��sin (�� −1200) (2.4.1�)

�� =��sin(�� −2400) (2.4.1�)

Gambar 2.2 Gambar 2.3

Arus Tiga Phasa Setimbang Diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang

(7)

iii iv

Gambar 2.4 Medan putar pada motor induksi tiga phasa

2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa

Operasi dari motor induksi tergantung pada induksi arus dan tegangan di dalam

rangkaian rotor yang berasal dari rangkaian stator karena adanya aksi transformator. Karena

induksi arus dan tegangan pada motor induksi pada dasarnya sama dengan operasi

transformator, maka rangkaian ekivalen motor induksi akan sangat menyerupai rangkaian

ekivalen dari transformator. Motor induksi disebut juga sebagai singly excited machine,

sebab daya hanya disuplai dari rangkaian stator.

Karena motor induksi tidak memiliki rangkaian medan, maka pada modelnya tidak

akan terdapat sumber tegangan internal EA sebagaimana dijumpaipada mesin sinkron.

Rangkaian ekivalen per phasa dari transformator dapat menggantikan operasi dari

motor induksi. Sebagaimana halnya pada transformator, maka akan terdapat tahanan (R1) dan

induktansi sendiri (X1) pada belitan stator yang direpresentasikan dalam rangkaian ekivalen

(8)

Gambar 2.5 Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator

Tegangan stator E1 dikopel terhadap sisi sekunder ER sebagaimana halnya

transformator ideal dengan rasio belitan effektif aeff. Rasio belitan ini dengan mudah dapat

ditentukan pada motor induksi rotor belitan, yang mana pada dasarnya rasio ini merupakan

banyaknya konduktor per phasa pada stator terhadap jumlah konduktor per phasa pada rotor.

Akan tetapi tidak demikian halnya pada motor induksi sangkar tupai, karena tidak

terdapatnya belitan pada rotor motor tersebut.

Tegangan ER pada rotor akan menghasilkan arus, karena rangkaian rotornya

terhubung singkat.

Impedansi rangkaian primer dan arus magnitisasi dari motor induksi sama halnya

dengan komponen - komponen yang dijumpai pada transformator. Hal yang membedakan

rangkaian ekivalen tersebut pada motor induksi dikarenakan terdapatnya variasi frekuensi

pada tegangan rotor (ER), impedansi rotor RR dan jXR.

Ketika tegangan diberikan pada belitan stator, maka tegangan

akandiinduksikan pada belitan rotornya. Pada umumnya, gerak relatif yang lebih besar di

antara rotor dan medan putar stator, akan menghasilkan tegangan dan frekuensi rotor yang

(9)

disebut juga dalam keadaan blocked rotor. Sebaliknya, frekuensi dan tegangan terendah

timbul saat rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan kecepatan sinkron, sehingga

tidak terdapat pergerakan relatif. Magnitud dan frekuensi tegangan induksi rotor pada saat

berputar sebanding dengan slip dari rotornya. Sehingga, besarnya tegangan induksi rotor

dalam kondisi rotor terkunci disebut ERO, sedangkan untuk slip pada suatu putaran tertentu

dirumuskan dengan :

��� = ���� (2.7)

Dan frekuensi induksi pada slip tertentu :

�� =��� (2.8)

Tahanan dari rotor RR bernilai konstan/ tidak tergantung pada slip, sementara itu pada

reaktansi rotor besarnya akan dipengaruhi oleh slip.

Reaktansi dari rotor tergangtung pada induktansi rotor, frekuensi tegangan rotor dan

arus pada rotor. Bila induktansi rotor LR, maka reaktansi rotor adalah :

XR= ωr LR= 2 π fr LR : fr = sfe

Sehingga

XR = 2 π sfe LR

= s(2 π sfe LR)

=���� (2.9) LR= induktansi rotor

(10)

Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen rotor motor induksi

Dari gambar 2.6 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai :

�� = ��

�+��� (2.10)

�� = ��

�+���� (2.11)

�� = �� �� � +����

(2.12)

Dimana :

IR = arus rotor ( A )

ER = tegangan induksi pada rotor ( V )

RR = tahanan rotor ( Ώ )

XR = reaktansi rotor ( Ώ )

Dalam teori transformator, analisa rangkaian ekivalen sering disederhanakan dengan

mengabaikan seluruh cabang magnetisasi atau dengan memindahkan langsung ke terminal

primer. Pendekatan demikian tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam

keadaan normal, karena adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus magnetisasi

yang sangat besar (30% sampai 40% dari arus beban penuh). Untuk itu dalam rangkaian

(11)

Gambar 2.7 Rangkaian ekivalen motor induksi jika rugi-rugi inti diabaikan 2.6 Penentuan Parameter Motor Induksi

Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor induksi dapat

diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan, dan pengukuran tahanan

dc lilitan stator.

2.6.1 Pengujian Tanpa Beban ( No Load Test )

Pengujian tanpa beban pada motor induksi akan memberikan keterangan berupa

besarnya arus magnetisasi dan rugi – rugi tanpa beban. Biasanya pengujian tersebut

dilakukan pada frekuensi yang diizinkan dan dengan tegangan tiga phasa dalam keadaan

setimbang yang diberikan pada terminal stator. Pembacaan diambil pada tegangan yang

diizinkan setelah motor bekerja cukup lama, agar bagian – bagian yang bergerak mengalami

pelumasan sebagaimana mestinya. Rugi – rugi rotasional keseluruhan pada frekuensi dan

tegangan yang diizinkan pada waktu dibebani biasanya dianggap konstan dan sama dengan

rugi – rugi tanpa beban.

Pada keadaan tanpa beban, besarnya arus rotor sangat kecil dan hanya diperlukan

untuk menghasilkan torsi yang cukup untuk mengatasi gesekan. Karenanya rugi – rugi I2R

tanpa beban cukup kecil dan dapat diabaikan. Padatransformator rugi – rugi I2R

(12)

induksi besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya rugi – rugi

rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :

���� =��� −3�2���1 (2.13)

Dimana :

Pnl = daya input tiga phasa

Inl = arus tanpa beban tiap phasa ( A )

R1 = tahanan stator tiap phasa ( ohm )

Karena slip pada keadaaan tanpa beban sangat kecil, maka akan mengakibatkan

tahanan rotor R2/s sangat besar. Sehingga cabang paralel rotor dan cabang magnetisasi

menjadi jXM di shunt dengan suatu tahanan yang sangat besar,dan besarnya reaktansi cabang

paralel karenanya sangat mendekati XM. Sehingga besar reaktansi yang tampak Xnl yang

diukur pada terminal stator pada keadaantanpa beban sangat mendekati X1 + XM, yang

merupakan reaktansi sendiri dari stator, sehingga :

Xnl = X1+ XM (2.14)

Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari pambacaan alat ukur pada

keadaan tanpa beban. Untuk mesin tiga phasa yang terhubung Y besarnya impedansi tanpa

beban Znl/ phasa :

Znl =

Vnl

�3Inl (2.15)

Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.

Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnladalah :

Rnl =

Pnl

(13)

Pnl merupakan suplai daya tiga phasa pada keadaan tanpa beban, maka besar reaktansi

tanpa beban

Xnl =�Z nl2 −R2 nl (2.17)

sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar

2.8 berikut :

Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol

2.6.2 Pengujian Tahanan Stator ( DC Test )

Untuk menentukan besarnya tahanan stator R1 dilakukan dengan test DC. Pada

dasarnya tegangan DC diberikan pada belitan stator motor induksi.Karena arus yang disuplai

adalah arus DC, maka tidak terdapat tegangan yang diinduksikan pada rangkaian rotor

sehingga tidak ada arus yang mengalir pada rotor. Dalam keadaan demikian, reaktansi dari

motor juga bernilai nol, oleh karena itu, yang membatasi arus pada motor hanya tahanan

stator.

Untuk melakukan pengujian ini, arus pada belitan stator diatur pada nilai rated, yang

mana hal ini bertujuan untuk memanaskan belitan stator pada temperatur yang sama selama

operasi normal. Apabila tahanan stator dihubung Y, maka besar tahanan stator/ phasa adalah :

�1 = ���

(14)

�1 =

3���

2��� (2.19) Dengan diketahuinya nilai dari R1, rugi – rugi tembaga stator pada beban nol dapat

ditentukan, dan rugi – rugi rotasional dapat ditentukan sebagai selisih dari daya input pada

beban nol dan rugi – rugi tembaga stator. Gambar 2.9 menunjukkan salah satu bentuk

pengujian DC pada stator motor induksi yang terhubung Y.

Gambar 2.9 Rangkaian pengukuran untuk DC test

2.6.3 Pengujian Rotor Tertahan ( Block Rotor Test )

Pengujian ini bertujuan untuk menentukan parameter – parameter motor induksi, dan

biasa juga disebut dengan locked rotor test. Pada pengujian ini rotor dikunci/ ditahan

sehingga tidak berputar.

Untuk melakukan pengujian ini, tegangan AC disuplai ke stator dan arus yang

mengalir diatur mendekati beban penuh. Ketika arus telah menunjukkan nilai beban

penuhnya, maka tegangan, arus, dan daya yang mengalir ke motor diukur.

(15)

Saat pengujian ini berlangsung s = 1 dan tahanan rotor R2/s = R2. Karena nilai R2 dan

X2 begitu kecil, maka arus input akan seluruhnya mengalir melalui tahanan dan reaktansi

tersebut. Oleh karena itu, kondisi sirkit pada saat ini terlihat seperti kombinasi seri X1, R1, X2,

dan R2. Sesudah tegangan dan frekuensi diatur, arus yang mengalir pada motor diatur dengan

cepat, sehingga tidak timbul kenaikan temperatur pada rotor dengan cepat. Daya input yang

diberikan kepada motoradalah :

��� =√3���� (2.20)

Dimana :

VT = tegangan line pada saat pengujian berlansung

IL= arus line pada saat pengujian berlangsung

��� = ��

X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian

�2 =��� − �1 (2.24)

Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding langsung dengan

frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat frekuensi operasi normal

��� =������ ���� ����

=

(16)

Untuk memisahkan harga X1 dan X2, maka dapat digunakan tabel 1

Tabel 1. Distribusi reaktansi X1dan X2 pada berbagai desain motor induksi

Desain Kelas X1 X2

A 0.5 XBR 0.5 XBR

B 0.4 XBR 0.6 XBR

C 0.3 XBR 0.7 XBR

D 0.5 XBR 0.5 XBR

Rotor Belitan 0.5XBR 0.5 XBR

2.7 Efisiensi Motor Induksi

Efisiensi menunjukkan tingkat keefisienan kerja suatu peralatan dalam hal ini tmotor

induksi yang merupakan perbandingan rating output (keluaran) terhadap input (masukan) dan

dinyatakan dengan persamaan dibawah ini :

η

=

Pout

Pin

× 100%

2.8 Metode Pengukuran Temperatur

Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur motor induksiyaitu :

a. Menggunakan Thermomter Infrared

Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan thermometer

infrared, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian terpanas dari mesin yang dapat

(17)

b. Mengunakan Embedded Detector

Metode ini adalah penentuan suhu dengan termokopel atau resistensi detektor suhu

yang diletakkan ke dalam mesin sesuai dengan ANSI C50.10-1977 atau NEMA MG1-1978

c. Mengukur Tahanan Lilitan motor

Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan tahanan

lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan dengan tahanan yang sudah diketahui

temperaturnya. Temperature tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan

persamaaan :

�� =�����− ��

� �(�� + �) (2.26)

Dimana : Tt : Temperatur total lilitan (oC)

Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC)

Rt : Tahanan pada saat motor panas (ohm)

Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm)

K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC)

225 ( konstanta untuk bahan aluminium ) (oC)

d. Menggunakan Pendeteksi Temperatur Lokal

Dengan pendeteksi temperature lokal berbagai panas bagian mesin dapat ditentukan

dengan menggunakan detektor ini.detektor ini ditempatkan di dekat dengan bagian mana

suhu lokal akan diukur .Contoh detektor suhu local, sensor inframerah, termokopel,

termometer resistensi kecil, dan termistor.Detector ini sering dipasang sebagai bagian

Figur

Gambar 2.1  konstruksi sederhana motor induksi

Gambar 2.1

konstruksi sederhana motor induksi p.2
Gambar 2.2

Gambar 2.2

p.6
Gambar 2.5  Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator

Gambar 2.5

Rangkaian ekivalen motor induksi sebagai model transformator p.8
Gambar 2.6 Rangkaian ekivalen rotor motor induksi

Gambar 2.6

Rangkaian ekivalen rotor motor induksi p.10
Gambar 2.7  Rangkaian ekivalen motor induksi jika rugi-rugi inti diabaikan

Gambar 2.7

Rangkaian ekivalen motor induksi jika rugi-rugi inti diabaikan p.11
Gambar 2.8 Rangkaian ekivalen  motor induksi pada percobaan beban nol

Gambar 2.8

Rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan beban nol p.13
Tabel 1. Distribusi reaktansi X1dan X2 pada berbagai desain motor induksi

Tabel 1.

Distribusi reaktansi X1dan X2 pada berbagai desain motor induksi p.16

Referensi

Memperbarui...