BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang paling
luas digunakan dan dapat dijumpai dalam setiap aplikasi industri maupun
rumah tangga. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor
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 arus
stator [7].
Motor ini memiliki konstruksi yang kuat, sederhana, handal, serta
berbiaya murah. Di samping itu motor ini juga memiliki effisiensi yang
tinggi saat berbeban penuh dan tidak membutuhkan perawatan yang
banyak. Akan tetapi jika dibandingkan dengan motor DC, motor induksi
masih memiliki kelemahan dalam hal pengaturan kecepatan. Dimana pada
motor induksi pengaturan kecepatan sangat sukar untuk dilakukan,
sementara pada motor DC hal yang sama tidak dijumpai.
2.2 Konstruksi Motor Induksi
Motor induksi pada dasarnya memiliki konstruksi stator yang sama
dengan motor sinkron, dan hanya terdapat perbedaan pada konstuksi
rotor. Stator dibentuk dari laminasi - laminasi tipis yang terbuat dari
untuk membentuk inti stator dengan slot seperti yang ditunjukkan gambar
dua satu. Kumparan ( coil) dari konduktor - konduktor yang terisolasi ini
kemudian disisipkan ke dalam slot – slot tersebut.
Motor induksi pada dasarnya mempunyai 3 bagian penting seperti yang
diperlihatkan pada gambar 2.1 sebagai berikut:
1. Stator : Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan yang
dapat menginduksikan medan elektromagnetik kepada kumparan
rotornya
2. Celah : Merupakan celah udara: Tempat berpindahnya energi dari
startor ke rotor
3. Rotor : Merupakan bagian yang bergerak akibat adanya induksi
magnet dari kumparan stator yang diinduksikan kepada kumparan
rotor.
(a) (b)
Konstruksi stator motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian-bagian
sebagai berikut:
• Rumah stator (rangka stator) dari besi tuang.
• Inti stator dari besi lunak atau baja silikon.
• Alur, bahannya sama dengan inti, dimana alur ini merupakan tempat
meletakkan belitan (kumparan stator).
• Belitan (kumparan) stator dari tembaga.
Rangka stator motor induksi ini didesain dengan baik dengan empat tujuan
yaitu:
1. Menutupi inti dan kumparannya
2. Melindungi bagian-bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung
dengan manusia dan dari goresan yang disebabkan oleh gangguan
objek atau gangguan udara terbuka (cuaca luar)
3. Menyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin dan oleh
karena itu stator didesain untuk tahan terhadap gaya putar dan
goncangan
4. Berguna sebagai sarana rumahan ventilasi udara sehingga pendinginan
lebih efektif
Berdasarkan bentuk konstruksi rotornya, maka motor induksi dapat dibagi
menjadi dua jenis seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.1, yaitu:
1. Motor induksi dengan rotor sangkar (squirrel cage)
Konstruksi rotor motor induksi terdiri dari bagian-bagian sebagai berikut:
(a) Inti rotor, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti
stator
(b) Alur, bahannya dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti. Alur
merupakan tempat meletakkan belitan (kumparan) rotor
(c) Belitan rotor, bahannya dari tembaga
(d) Poros atau as
Gambar 2.2 Gambaran Sederhana Bentuk Alur/ Slot Motor Induksi
Diantara stator dan rotor terdapat celah udara yang merupakan
ruangan antara stator dan rotor. Pada celah udara ini lewat fluks induksi
stator yang memotong kumparan rotor sehingga meyebabkan rotor
berputar. Celah udara yang terdapat antara stator dan rotor diatur
sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil kerja motor yang optimum.
Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu besar akan mengakibatkan
efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak antara celah terlalu
kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin. Bentuk
pada gambar 2.2 dan gambaran sederhana penempatan stator dan rotor
pada motor induksi diperlihatkan pada gambar 2.3.
Gambar 2.3 Gambaran Sederhana Motor Induksi dengan 1 Kumparan
Stator dan 1 Kumparan Rotor
Tanda silang (x) pada kumparan stator atau rotor pada gambar 2.3
menunjukkan arah arus yang melewati kumparan masuk ke dalam
kertas (tulisan ini) sedangkan tanda titik (.) menunjukkan bahwa arah
arus keluar dari kertas
Pada motor jenis rotor sangkar, konstruksi pada motor tiga phasa
dan lima phasa adalah hampir sama terutama pada rotornya. Hal paling
utama yang membedakan kedua motor ini adalah belitan konduktor
pada statornya, dimana belitan stator pada motor induksi lima phasa
2.3 Prinsip Kerja Motor Induksi
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, maka akan dibangkitkan
gaya ( F ) yang bekerja pada motor.
Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi lima phasa, maka
dapat dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:
1. Pada keadaan beban nol kelima phasa stator yang terhubung dengan
sumber tegangan lima phasa yang setimbang akan menghasilkan arus
pada tiap belitan phasa. arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi
bolak – balik yang berubah -ubah.
2. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan
arahnya tegak lurus terhadap belitan phasa.
3. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang
besarnya :
a. � = −���
�� (2.1)
4. Resultan dari kelima fluksi bolak – balik tersebut menghasilkan medan
putar yang bergerak dengan kecepatan sinkron ns yang besarnya
ditentukan oleh jumlah kutub p dan frekuensi stator f yang
�� =120�
5. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada
rotor. Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar
E2.
6. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl
tersebut akan menghasilkan arus I2.
7. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya
Lorentz (F) pada rotor. Gaya Lorentz yaitu bila suatu konduktor yang
dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka
konduktor tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya
lorentz) sebesar:
� =��� sin� (2.3)
Dimana:
F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton) B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)
i = besar arus pada konduktor (A) l = panjang konduktor (m)
8. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk
memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar
stator.
9. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan
sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan
kecepatanrotor (nr) disebut slip (s) dan dinyatakan dengan:
� =���−��
� � 100% (2.4)
10.Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang
terinduksi pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya
slip.
11.Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan
mengalir pada kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel.
2.4 Motor Induksi Lima Phasa
Pada umumnya sumber tegangan yang digunakan untuk menyuplai
motor listrik baik di Indonesia maupun negara lain merupakan sumber
tegangan tiga phasa. Namun, motor induksi lima phasa membutuhkan
suplai yang berbeda, yakni sumber tegangan lima phasa. Akan tetapi,
sumber tegangan lima phasa belum banyak dijumpai hingga saat ini.
Motor induksi lima phasa memiliki desain dengan rumus formula.
Motor di suplai dari transformator yang mengubah suplai tiga phasa
menjadi lima phasa, seperti yang di tunjukkan pada gambar 2.4
Gambar 2.4 One line diagram suplai motor induksi lima phasa
Trafo terdiri dari 3 besi dalam menghubungkan belitan - belitan
primer ( 3 phasa) dengan belitan – belitan sekunder ( 5 phasa ). Setiap inti
menghubungkan 1 belitan primer dengan 3 belitan sekunder, kecuali 1 inti
Gambar 2.5 Susunan belitan wye – wye transformasi 5 phasa
Motor induksi lima phasa memiliki 30 slot, 4 pole dengan belitan
yang asimetris agar dapat bekerja dengan stabil, dapat dilihat belitan motor
Berikut ini adalah gambar dari fasor diagram tegangan phasa ke
phasa sistem lima phasa:
Gambar 2.7 Fasor diagram tegangan phasa ke phasa sistem lima phasa
Tegangan netral (VN) adalah pengukuran tegangan dari titik netral
menuju titik ujung tiap phasa, sedangkan tegangan phasa ke phasa (VLINE)
adalah pengukuran tegangan dari titik ujung phasa ke titik ujung phasa
yang lain. Untuk mencari VLINE , kita dapat menghitungnya dengan
menyederhanakan gambar 2.7 ke gambar dibawah ini :
Dari gambar 2.8 dapat diketahui besar nilai tegangan phasa ke
phasa dengan menggunakan rumus phytagoras (c2 = a2 + b2), sehingga
dapat kita cari:
VLINE = (Vnetral x cosθ)
VLINE = Vnetral x cos54o
Karena memiliki dua bangun segitiga siku-siku maka:
VLINE = (Vnetral x cos54o) x 2
VLINE = Vnetral x 0,587 x 2
VLINE = 1,175.Vnetral
Bila tegangan Vnetral sebesar 220 Volt, maka diperoleh
VLINE = 258,62 Volt
Maka dapat disimpulkan bahwa:
��−� =√1,38��−� (2.5)
atau
��−� = 1,175 ��−� (2.6)
2.5 Aliran Daya Pada Motor Induksi Lima Phasa
Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya
mekanik pada poros motor. Berbagai rugi-rugi yang timbul selama proses
1. Rugi-rugi tetap (fixed losses), terdiri dari:
a. Rugi-rugi inti stator
b. Rugi-rugi gesek dan angin
2. Rugi-rugi variabel, terdiri dari:
a. Rugi-rugi tembaga stator (PSCL)
PSCL= 5I12R1 (2.7)
b. Rugi-rugi tembaga rotor (PRCL)
Apabila rugi–rugi tembaga dan rugi–rugi inti dikurangi dengan
daya input motor, maka akan diperoleh besarnya nilai daya celah udara
(PAG). Daya celah udara ini dapat juga disebut sebagai daya output stator
(POS) atau daya input rotor.
Daya pada celah udara (PAG) dapat dirumuskan dengan :
PAG= Pin - PSCL - PC (2.8)
Sementara itu, daya mekanik yang dibangkitkan pada motor
induksi merupakan selisih dari daya pada celah udara dikurangi dengan
rugi inti stator dan rugi gesek dan angin.
Rumus daya input pada motor induksi lima phasa tersebut antara lain:
P = 5 VPh IPh cosØ (2.9)
Motor Induksi Tiga Phasa Motor Induksi Lima phasa
Tabel 2.1 Perbandingan motor induksi lima phasa dengan tiga phasa
menurut besar daya
Hal ini menunjukkan bahwa daya yang mampu dihasilkan dari sistem
kelistrikan lima phasa lebih besar dari sistem kelistrikan tiga phasa. Maka
perbandingan Motor induksi lima phasa dibanding tiga phasa menurut
besar daya nya adalah : 4,255
1,73 = 2,46
Daya yang dihasilkan motor induksi lima phasa lebih besar 2,46 kali dari
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 lima 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 sebagaimanamestinya. 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. Pada transformator rugi - rugi I2R primernya tanpa beban
dapat diabaikan, akan tetapi rugi - rugi stator tanpa beban motor induksi
besarnya cukup berarti karena arus magnetisasinya lebih besar. Besarnya
rugi - rugi rotasional PR pada keadaan kerja normal adalah :
Dimana :
Pnl = daya input lima 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 (2.12)
Maka besarnya reaktansi diri stator, dapat ditentukan dari
pambacaan alat ukur pada keadaan tanpa beban. Untuk mesin lima phasa
yang terhubung Y besarnya impedansi tanpa beban Znl/ phasa :
Znl = Vnl 4.25Inl
(2.13)
Di mana Vnl merupakan tegangan line, pada pengujian tanpa beban.
Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :
Rnl = Pnl
Pnl merupakan suplai daya lima phasa pada keadaan tanpa beban,
maka besar reaktansi tanpa beban
Xnl =�Z nl2 −R2 nl (2.15)
sewaktu pengujian 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 :
�� = ���
2��� (2.16)
Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator:
�� = 3���
2��� (2.17)
Dengan diketahuinya nilai dari Rs, rugi - rugi tembaga stator pada
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.
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 motor adalah :
Dimana :
VT = tegangan line pada saat pengujian berlangsung
IL = arus line pada saat pengujian berlangsung
��� = 4.25���
� (2.19)
Dimana :
ZBR = impedansi hubung singkat
��� =���+���� =���cos�+����sin� (2.20)
Tahanan block rotor :
��� = �1+�2 (2.21)
Sedangkan reaktansi block rotor X’BR = X1’ + X2’
X1’ + X2’ adalah reaktansi stator dan rotor pada frekuensi pengujian
��� = �2+�1 (2.22)
Nilai dari R1 ditentukan dari test DC. Karena reaktansi berbanding
langsung dengan frekuensi, maka reaktansi ekivalen total ( XBR ) pada saat
frekuensi operasi normal
Dalam sistem lima phasa yang seimbang, tegangan line to netral
memiliki magnitud yang sama dan tiap - tiap sudut phasanya berbeda 72
derajat satu sama lain. Apabila terdapat tegangan lima phasa yang
sehingga tidak berbeda 72 derajat satu sama lain, maka dikatakan sistem
tersebut memiliki tegangan tidak seimbang.
Penyebab tegangan tidak seimbang termasuk impedansi saluran
transmisi dan saluran distribusi yang tidak sama, distribusi beban - beban
satu phasa yang tidak merata dalam jumlah besar, dan lain - lain.
Menurut NEMA standard MG1. 1993 [6] dan IEEE defenisi
ketidakseimbangan itu adalah :
�������������������������������=���− ���
��� � 100 % (2.24)
Dimana :
VLL = tegangan line-line yang tertinggi
Vll = tegangan rata-rata dari tegangan line
Sesuai dengan rumusan yang telah diberikan, dapat dilihat bahwa
definisi tegangan tidak seimbang yang diberikan NEMA menghindari
pemakaian aljabar kompleks, sehingga kedua rumusan tersebut akan
memberikan hasil yang berbeda.
Tegangan tidak setimbang dalam persentase yang kecil akan
menghasilkan arus tidak seimbang dalam jumlah besar, yang mana hal ini
akan menimbulkan kenaikan temperatur pada motor. Jika tegangan yang
tidak setimbang menyuplai motor induksi, maka daya kuda nominal dari
motor harus dikalikan dengan suatu faktor seperti yang ditunjukkan
Gambar 2.10 Kurva penurunan rating motor induksi (NEMA)
Menurut kurva ini, motor induksi dirancang sedemikian rupa
sehingga mampu menangani ketidak setimbangan tegangan 1%, dan
selanjutnya akan menurun tergantung pada tingkat ketidaksetimbangan.
Operasi pada motor pada harga ketidaksetimbangan tegangan di atas 5%
tidak diizinkan.
2.8 Metode Pengukuran Temperatur
National Electrical Manufacturing Association (NEMA)
mendefinisikan temperature rise adalah kenaikan temperatur diatas
temperature ambient. Temperature ambient yaitu temperatur udara di sekeliling motor atau dapat dikatakan sebagai suhu ruangan. Penjumlahan
dari temperature rise dan temperature ambient adalah panas keseluruhan
panas pada motor. Kelas isolasi temperature pada motor induksi dijelaskan
Tabel 2.2 Kenaikan suhu untuk motor besar dengan factor servis 1.0
Faktor penyebab rusaknya isolasi winding adalah panas yang
berlebih pada motor. Panas berlebih yang berlangsung lama pada lilitan
akan menyebabkan stress pada lilitan dan isolasi kawat menjadi rapuh.
Jika dibiarkan terlalu lama akan menyebabkan isolasi pada lilitan akan
retak. Jika gejala ini disertai dengan munculnya partial discharge maka
proses penuaan isolasi akan semakin cepat. Berdasarkan penelitian NEMA
usia dari isolasi winding akan berkurang setengahnya setiap kenaikan
100C dari kondisi normal kerja motor. Akan tetapi jika motor harus
beroperasi 400C di atas temperature normal maka umur isolasinya
menjadi 1/16 dari umur normal yang diperkirakan. Oleh sebab itu motor-
motor listrik yang digunakan pada dunia industri menggunakan alat
proteksi untuk mengatasi panas lebih pada motor seperti thermal overload
relay. Sehingga apabila terjadi overheating pada motor relai akan segera bekerja sehinngga dapat meminimalkan kerusakan pada isolasi motor.
Berikut ini adalah metode dalam menentukan temperatur motor
a. Menggunakan thermometer 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 diakses .
b. Mengunakan Embedded Detector
Metode ini adalah penentuan suhu dengan thermometer
infrared 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 temperatur dengan metode ini yaitu dengan
membandingkan tahanan lilitan motor pada temperatur yang ingin
ditentukan dengan tahanan yang sudah diketahui temperaturnya.
Temperatur tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan
persamaaan :
�� =������− ��
� �(�� + �) (2.25)
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)
