Pengaruh Tegangan Tidak Setimbang Terhadap Torsi Dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa

(1)

Henry A. Siregar : Pengaruh Tegangan Tidak Setimbang Terhadap Torsi Dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa, 2008.

TUGAS AKHIR

PENGARUH TEGANGAN TIDAK SETIMBANG TERHADAP TORSI DAN EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

O L E H

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

HENRY A.SIREGAR NIM : 03 0402 035

(2)

PENGARUH TEGANGAN TIDAK SETIMBANG TERHADAP TORSI DAN EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Oleh :

HENRY A.SIREGAR NIM : 030402035

Disetujui oleh :

Pembimbing,

IR. SATRIA GINTING

Diketahui oleh :

Ketua Departemen Teknik Elektro FT USU,

2008

IR. NASRUL ABDI, MT NIP : 131 459 555

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

(3)

ABSTRAK

Tegangan tiga phasa yang menyuplai motor induksi dapat ditemukan dalam

keadaan tidak setimbang. Penyebab dari ketidaksetimbangan tegangan tiga phasa ini

dapat disebabkan oleh adanya gangguan – gangguan asimetri pada sistem tenaga,

distribusi beban – beban satu phasa yang tidak merata pada sistem tenaga yang sama,

kegagalan operasi dari peralatan pengoreksi faktor daya, impedansi tidak setimbang

dari transformator penyuplai, dan lain sebagainya.

Hal di atas dapat mempengaruhi performansi dari motor induksi tiga phasa

tersebut, yang mana dalam hal ini lebih difokuskan akan mempengaruhi torsi dan

effisiensinya. Oleh karena itu dalam tugas akhir ini akan dijelaskan pengaruh

(4)

KATA PENGANTAR

Pertama - tama, penulis ingin sekali berterima kasih kepada Tuhan Yesus, yang oleh

karena kasihNya , penulis masih dimampukan menyelesaikan tugas akhir ini.

Adapun tugas akhir ini berjudul “ Pengaruh Tegangan Tidak Setimbang Terhadap

Torsi dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa”, yang disusun dan diajukan sebagai

salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana teknik elektro.

Sebagai manusia, penyusun menyadari bahwa penulisan tugas akhir ini masih jauh

dari sempurna. Oleh karena itu, penyusun berharap kekurangan – kekurangan

tersebut dapat dimaklumi.

Dalam penulisan tugas akhir ini, penulis tidak terlepas dari bantuan banyak pihak.

Maka dalam kesempatan ini, penyusun juga ingin berterima kasih kepada :

1. Kedua orang tua saya (R. Siregar dan D. br Simorangkir), nenekku

(N. br Harahap), dan adik – adikku (Evelyn, David, dan Bella), yang selalu

memperhatikanku dan yang terbanyak memberiku motivasi, sehingga Tugas

Akhir ini masih dapat diselesaikan.

2. Bapak Ir. Satria Ginting selaku dosen pembimbing tugas akhir yang telah

banyak memberikan sumbangan ilmu dan waktunya.

3. Bapak Ir. Nasrul Abdi, MT dan Bapak Rachmat Fauzi ST, MT selaku Ketua

dan Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

(5)

5. Bapak Ir. Mustafrin Lubis, selaku Kepala Laboratorium Mesin – Mesin

Listrik

6. Seluruh staff pengajar / dosen departemen Teknik Elektro FT. USU

7. Seluruh staff tata usaha departemen Teknik Elektro FT. USU

8. Saudara Eko (asisten laboratorium mesin – mesin listrik) yang telah banyak

meluangkan waktunya saat penyusun melakukan riset

9. Teman – teman nongkrong bareng : Eone , Teta, Riko, Teddy , Hans, Paniel ,

yang paling solid selama ini.

10.Teman – teman pengurus IMTE ; Ery, Marlen , dan Chandra

11.Teman – teman KP di Indonesia Power Suralaya : Buhari , Elrijohn, Pipin,

Weldy, dan Benny, dan Dody, Jefanya Ginting

12.Teman – teman ’03 yang nama – namanya tak dapat disebutkan satu persatu

13.Teman – teman ’04, ’05, ’06, yang namanya tak dapat disebutkan satu persatu

yang telah banyak memberi dorongan semangat pada penulis selama

pengerjaan tugas akhir ini.

Penulis menyadari bahwa penyusunan karya ilmiah ini masih belum sempurna. Oleh

karena penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari pembaca yang bisa

membangun tugas akhir ini menjadi lebih baik lagi. Akhirnya penulis berharap

bahwa karya ilmiah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak.

(6)

Henry A. Siregar

ABSTRAK

KATA PENGANTAR DAFTAR ISI

I. PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang 1

1.2 Tujuan Penulisan 2

1.3 Manfaat Penulisan 2

1.4 Batasan Masalah 3

1.5 Metode Penulisan 3

1.6 Sistematika Penulisan 4

II. MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

2.1 Umum 6

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa 6

2.3 Medan Putar 8

2.4 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa 12

2.5 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa 14

2.6 Aliran Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa 20

2.7 Torsi Motor Induksi Tiga Phasa 22

2.8 Torsi Maksimum Motor Induksi Tiga Phasa 28

(7)

2.10 Disain motor induksi 30

2.11 Penentuan parameter motor induksi 31

III. KARAKTERISTIK PERFORMANSI DAN TEGANGAN TIDAK SETIMBANG PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

3.1 Karakteristik Performansi Motor Induksi Tiga Phasa 37

3.2 Tegangan Tidak Setimbang Pada Motor Induksi Tiga Phasa 40

3.3 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Dalam Keadaan 46

Tegangan Tidak Setimbang

3.4 Torsi Dan Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa Pada 46

Keadaan Tegangan Tidak Setimbang

IV. ANALISA PENGARUH TEGANGAN TIDAK SETIMBANG PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

4.1 Umum 48

4.2 Peralatan Yang Digunakan 48

4.3 `Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Phasa Dengan

Tegangan Setimbang 49

4.4 Percobaan Berbeban Motor Induksi Tiga Phasa Dengan

Tegangan Tidak Setimbang 51

4.5 Analisa Pengaruh Tegangan Tidak Setimbang Terhadap Torsi

Dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa 53

(8)

5.1 Kesimpulan 56

5. 2 Saran 56

BAB I PENDAHULUAN 1.1 LATAR BELAKANG

Motor induksi merupakan motor arus bolak – balik yang paling luas

diaplikasikan dalam dunia industri. Hal ini dikarenakan motor ini memiliki

konstruksi yang kuat, sederhana serta membutuhkan perawatan yang tidak banyak.

Selain itu motor ini juga menyediakan effisiensi yang baik dan putaran yang konstan

untuk tiap perubahan beban.

Permasalahan tegangan tidak seimbang yang menyuplai motor induksi tiga

phasa adalah hal yang mungkin saja bisa terjadi dalam keadaan praktis dari

pengoperasian motor induksi tersebut. Berbagai macam gangguan asimetri pada

sistem tenaga, distribusi beban – beban satu phasa tidak merata pada sistem tenaga

yang sama, ataupun kegagalan operasi dari peralatan pengoreksi faktor daya, akan

menimbulkan tegangan tidak setimbang pada saluran penyuplai terminal motor

induksi tiga phasa tersebut.

Adanya ketidakseimbangan tegangan ini akan mempengaruhi operasi dari

motor induksi, yang mana dalam hal ini lebih ditekankan pada permasalahan torsi

dan effisiensi motor induksi tersebut. Hal ini dikarenakan tegangan merupakan salah

satu parameter terpenting dari torsi yang akan dibangkitkan motor induksi, dimana

torsi akan sebanding dengan kuadrat dari tegangan motor.Dengan demikian hal ini

akan menentukan daya output dari motor dan selanjutnya akan menentukan effisiensi

(9)

Oleh karena itu perlu dilakukan suatu kajian baik berupa analisis maupun

penelitian di laboratorium untuk melihat bagaimana ketidaksetimbangan tegangan

memberikan suatu kontribusi yang akan mempengaruhi torsi dan effisiensi dari

motor induksi, dan bagaimana relevansinya terhadap operasi motor induksi tersebut

dalam keadaan tegangan yang setimbang.

1.2 TUJUAN PENULISAN MASALAH

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Mengetahui pengaruh tegangan tidak setimbang terhadap karakteristik

mekanis ( torsi – kecepatan ) motor induksi tiga phasa.

2. Mengetahui pengaruh tegangan tidak setimbang terhadap karakteristik

pembebanan Effisiensi ( POUT ) pada motor induksi tiga phasa.

1.3 MANFAAT PENULISAN

1. Laporan tugas akhir ini diharapkan bermanfaat untuk memberikan

informasi kepada penulis dan pembaca yang lain mengenai pengaruh

tegangan tidak setimbang terhadap torsi dan effisiensi motor induksi tiga

phasa.

(10)

1.4 BATASAN MASALAH

Untuk menghindari pembahasan yang meluas maka penulis akan

membatasi pembahasan tugas akhir ini dengan hal-hal sebagai berikut:

1. Tidak menganalisa gangguan dan harmonisa tegangan yang terjadi pada

sistem tenaga

2. Tidak membahas ketidaksetimbangan tegangan yang disebabkan

ketidaksetimbangan sudut phasa dan tidak melibatkan teori komponen –

komponen simetris dalam analisis tegangan tidak setimbang

3. Tidak membahas pengaruh tegangan tidak setimbang terhadap torsi start dan

torsi maksimum motor induks i

4. Defenisi tegangan tidak setimbang yang digunakan dalam tulisan ini adalah

defenisi yang digunakan oleh NEMA standard MG1. 1993

5. Analisa data berdasarkan peralatan yang tersedia di Laboratorium Konversi

Energi Listrik

1.5 METODE PENULISAN

Metode penulisan yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah:

1. Studi literatur, berupa studi kepustakaan dan kajian dari buku-buku teks

pendukung.

2. Studi diskusi, berupa tanya jawab dengan dosen pembimbing mengenai

(11)

3. Studi laboratorium, melakukan percobaan untuk mendapatkan data-data yang

diperlukan.

1.6 SISTEMATIKA PENULISAN

Untuk memudahkan pemahaman terhadap tugas akhir ini maka penulis

menyusun sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab ini memuat latar belakang masalah, tujuan penulisan, manfaat

penulisan, batasan masalah, metode penulisan, dan sistematika

penulisan.

BAB II : MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas konstruksi motor induksi tiga phasa, medan

putar, prinsip kerja motor induksi tiga phasa, rangkaian ekivalen

motor induksi tiga phasa, aliran daya pada motor induksi tiga phasa,

torsi motor induksi tiga phasa, dan effisiensi motor induksi tiga

phasa

BAB III : TEGANGAN TIDAK SETIMBANG PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini membahas mengenai karakteristik performansi motor

induksi jika beroperasi dalam keadaan normal, defenisi tegangan

(12)

tegangan tidak setimbang, torsi dan daya pada motor induksi pada

keadaan tegangan tidak setimbang

BAB IV : ANALISA PENGARUH TEGANGAN TIDAK SETIMBANG TERHADAP TORSI DAN EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Bab ini berisi percobaan – percobaan yang akan dilakukan untuk

melihat pengaruh tegangan tidak setimbang terhadap torsi dan

effisiensi motor induksi tiga phasa. Sehingga dari percobaan

ataupun analisa ini akan diperoleh suatu gambaran yang

menunjukkan karakteristik pembebanan antara effisiensi sebagai

fungsi Pout dan karakteristik torsi kecepatan dari motor induksi.

BAB V : PENUTUP

Bab ini berisi tentang kesimpulan dan saran dari hasil penelitian

(13)

BAB II

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

2.1 UMUM

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.

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 TIGA PHASA

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 aluminium ataupun besi tuang, dan

(14)

yang ditunjukkan gambar dua satu. Kumparan ( coil ) dari konduktor – konduktor

yang terisolasi ini kemudian disisipkan ke dalam slot – slot tersebut. Sehingga grup

dari kumparan ini beserta dengan inti yang mengelilinginya membentuk rangkaian

elektromagnetik. Banyaknya jumlah kutub dari motor induksi tergantung pada

hubungan internal dari belitan stator, yang mana bila belitan ini disuplai dengan

sumber tegangan tiga phasa maka akan membangkitkan medan putar.

a) penampang inti stator b) Stator motor induksi

Gambar 2.1

Rotor motor induksi tiga phasa dapat dibedakan menjadi dua jenis yaitu rotor

sangkar (squirrel cage rotor) dan rotor belitan (wound rotor). Rotor sangkar terdiri

dari susunan batang konduktor yang dibentangkan ke dalam slot – slot yang terdapat

pada permukaan rotor dan tiap – tiap ujungnya dihubung singkat dengan

menggunakan shorting rings.

(15)

a) Rotor Sangkar b) Motor induksi rotor sangkar

Sementara itu pada rotor belitan, rotornya dibentuk dari satu set belitan tiga

phasa yang merupakan bayangan dari belitan statornya. Biasanya belitan tiga phasa

dari rotor ini terhubung Y dan kemudian tiap - tiap ujung dari tiga kawat rotor

tersebut diikatkan pada slip ring yang berada pada poros rotor. Pada motor induksi

rotor belitan, rangkaian rotornya dirancang untuk dapat disisipkan dengan tahanan

eksternal, yang mana hal ini akan memberikan keuntungan dalam memodifikasi

karakteristik torsi – kecepatan dari motor.

Gambar 2.3

a) Rotor belitan b) motor induksi rotor belitan

2.3 MEDAN PUTAR

Ketika belitan tiga phasa dari motor induksi diberi suplai maka medan

magnet yang berputar akan dihasilkan. Medan magnet ini dibentuk oleh kutub –

kutubnya yang berada pada posisi yang tidak tetap pada stator tetapi berubah – ubah

mengelilingi stator. Adapun magnitud dari medan putar ini selalu tetap yaitu sebesar

(16)

Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat diambil

contoh pada motor induksi tiga phasa dengan jumlah kutub dua. Dimana ke-tiga

phasanya R,S,T disuplai dengan sumber tegangan tiga phasa, dan arus pada phasa ini

ditunjukkan sebagai IR, IS, dan IT, maka fluks yang dihasilkan oleh arus – arus ini

adalah :

R = m sin t ...( 2.1a )

S = m sin ( t – 120o)...( 2.1b )

T = m sin ( t – 240o)...( 2.1c )

Gambar 2.5 Gambar 2.4

Arus tiga phasa setimbang diagram phasor fluksi tiga phasa setimbang

(17)

iii iv

Gambar 2.6

Medan putar pada motor induksi tiga phasa

( i ) Pada keadaan 1 ( gambar2.6 ), t = 0 ; arus dalam phasa R bernilai nol

sedangkan besarnya arus pada phasa S dan phasa T memiliki nilai yang sama dan

arahnya berlawanan. Dalam keadaan seperti ini arus sedang mengalir ke luar dari

konduktor sebelah atas dan memasuki konduktor sebelah bawah. Sementara resultan

fluks yang dihasilkan memiliki besar yang konstan yaitu sebesar 1,5 m dan

dibuktikan sebagai berikut :

R = 0 ; S = m sin ( -120o ) =

( ii ) Pada keadaan 2, arus bernilai maksimum negatif pada phasa S, sedangkan

pada R dan phasa T bernilai 0,5 maksimum pada phasa R dan phasa T, dan pada saat

ini t = 30o

, oleh karena itu fluks yang diberikan oleh masing – masing phasa :

R = m sin ( -120o) = 0,5 m

S= m sin ( -90o ) = - m

T= m sin (-210o) = 0,5 m

(18)

Sehingga resultan fluks r= 0,5 m+ m = 1,5 m.

Dari gambar diagram phasor tersebut dapat dilihat bahwa resultan fluks berpindah

sejauh 30o dari posisi pertama.

( iii ) Pada keadaan ini t = 60o, arus pada phasa R dan phasa T memiliki besar

yang sama dan arahnya berlawanan ( 0,866 m ), oleh karena itu fluks yang

diberikan oleh masing – masing phasa :

R = m sin ( 60o ) =

2 3

m

S= m sin ( -60o ) =

2 3

− m

T= m sin ( -180o ) = 0

Maka magnitud dari fluks resultan : r = 2 x

2 3

m cos 30o = 1,5 m

( iv ) Pada keadaan ini t = 90o, arus pada phasa R maksimum ( positif), dan arus

p ad a p hasa S d an phasa T = 0 ,5 m , oleh karena itu fluks yang diberikan oleh

masing – masing phasa

R = m sin ( 90o) = m

S= m sin ( -30o ) = - 0,5 m

T= m sin (-150o) = - 0,5 m

(19)

Sehingga resultan fluks r= 0,5 m+ m = 1,5 m.

2.4 PRINSIP KERJA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Pada motor induksi tidak terdapat hubungan listrik antara stator dengan

rotor, karena arus pada rotor merupakan arus induksi. Jika belitan stator diberi

tegangan tiga phasa, maka pada stator akan dihasilkan arus tiga phasa, arus ini

kemudian akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan

sinkron.

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 tiga phasa, maka dapat

dijabarkan dalam beberapa langkah berikut:

1. Pada keadaan beban nol ketiga phasa stator yang terhubung dengan sumber

tegangan tiga phasa yang setimbang akan menghasilkan arus pada tiap belitan

phasa arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak – balik yang berubah –

(20)

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 :

)

5. resultan dari ketiga 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 dirumuskan :

)

6. fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.

Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi sebesar E2 yang

besarnya E2 = 4,44 fN2 m (volt)...( 2.5 )

Dimana:

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

N2 = jumlah lilitan rotor

m = fluksi maksimum (Wb)

7. karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan

menghasilkan arus I2

8. adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor

9. bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul

(21)

10.perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan

sinkron. Perbedaan kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan rotor

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

11.pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi

pada kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan

induksi ini dinyatakan dengan E2s yang besarnya :

E2s = 4,44 sfN2 m (volt)...( 2.7 )

dimana :

E2s = tegangan induksi rotor dalam keadaan berputar (volt)

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

dalam keadaan berputar )

12.bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada

kumparan rotor, sehingga tidak akan dihasilkan kopel. Kopel akan dihasilkan

jika nr< ns.

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

(22)

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 dijumpai

pada 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 mesin.

Gambar 2.7 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

(23)

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 akan

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

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

yang lebih besar juga. Gerak relatif yang terbesar terjadi saat rotor dalam keadaaan

diam atau 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:

ER = sERO...(2.8)

Dan frekuensi tegangan induksi pada slip tertentu :

fr = sfe...(2.9)

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 :

(24)

Rangkaian ekivalen rotor dapat dilihat pada gambar 2.9 :

Gambar 2.8 model rangkaian rotor motor induksi

Dari gambar 2.9 arus pada rotor dapat ditentukan sebagai :

(25)

XR = reaktansi rotor ( )

Untuk mempermudah penganalisaan, maka rangkaian ekivalen motor induksi pada

gambar 2.8 dapat dilihat dari sisi stator, seperti gambar 2.9 :

Gambar 2.9 Rangkaian ekivalen per phasa motor induksi

Seperti halnya pada transformator, tegangan, arus, dan impedansi sisi

sekunder dapat digantikan ke sisi primer sesuai dengan rasio belitannya, sehingga hal

yang sama juga berlaku untuk untuk motor induksi.

Vp = Vs = a Vs ...(2.14)

Ip = I’s = Is/a...(2.15)

Z’s = a2Zs...(2.16)

Secara eksak urutan transformasi yang sama dapat dilakukan untuk rangkaian rotor

motor induksi. Jika rasio belitan effektif dari motor induksi adalah aeff, kemudian

tegangan rotor ditransformasikan menjadi:

E1 = E’R = aeff ERO...(2.18)

Arus rotor menjadi: I2 = IR/ aeff...(2.19)

Dan impedansi rotor menjadi

(26)

Atau dapat juga didefenisikan dengan :

R2 = a2eff RR... (2.21)

X2 = a2eff XRO... (2.22)

Apabila rugi – rugi tembaga dipisahkan dengan besarnya daya yang

dikonversikan menjadi daya mekanik, maka rangkaian ekivalennya adalah seperti

pada gambar 2.10

Gambar 2.10 Rangkaian ekivalen motor induksi dengan adanya pemisahan rugi – rugi rotor

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 ekivalen RC dapat diabaikan.

Rangkaian ekivalennya adalah seperti pada gambar 2.11 :

(27)

2.6 ALIRAN DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Daya listrik disuplai ke stator motor induksi diubah menjadi daya mekanik

pada poros motor. Berbagai rugi – rugi yang timbul selama proses konversi energi

listrik antara lain :

1. rugi – rugi tetap ( fixed losses ), terdiri dari :

 rugi – rugi inti stator (PCORE)

PCORE = 3 E12GC...(2.23)

 rugi – rugi gesek dan angin

2. rugi – rugi variabel, terdiri dari :

 rugi – rugi tembaga stator (PSCL)

PSCL = 3 I12 R1...(2.24)

 rugi – rugi tembaga rotor ( PRCL)

PRCL = 3 I22 R2...(2.25)

Daya pada celah udara (PAG)dapat dirumuskan dengan :

PAG = Pin – PSCL - PCORE...(2.26)

Jika dilihat pada rangkaian rotor, satu – satunya elemen pada rangkaian ekivalen

yang mengkonsumsi daya pada celah udara adalah resistor R2/s. Oleh karena itu daya

pada celah udara dapat juga ditulis dengan :

s R I 3

P 2 2

2

AG = ...(2.27)

Apabila rugi – rugi tembaga dan rugi – rugi inti dikurangi dengan daya input motor,

(28)



Besarnya daya mekanik yang dibangkitkan motor adalah:

...(2.28)

Dari persamaan 2.25 dan 2.27 dapat dinyatakan hubungan rugi – rugi tembaga

dengan daya pada celah udara :

PRCL = s PAG ...(2.29)

Karena daya mekanik yang dibangkitkan pada motor merupakan selisih dari daya

pada celah udara dikurangi dengan rugi – rugi tembaga rotor, maka daya mekanik

dapat juga ditulis dengan :

Pconv = (1 – s ) PAG...(2.30)

Daya output akan diperoleh apabila daya yang dikonversikan dalam bentuk daya

mekanik dikurangi dengan rugi – rugi gesek dan angin. Gambar 2.12 menunjukkan

aliran daya pada motor induksi tiga phasa :

Gambar 2.12

(29)

2.7 TORSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Dari rangkaian ekivalen dan diagram aliran daya motor induksi tiga phasa

yang telah diperoleh sebelumnya dapat diturunkan suatu rumusan unum untuk torsi

induksi sebagai fungsi dari kecepatan. Torsi motor induksi diberikan oleh persamaan:

ind =

m conv

P

ω ...(2.31)

ind =

sync AG

P

ω ...(2.32)

Persamaan yang terakhir di atas sangat berguna, karena kecepatan sinkron

selalu bernilai konstan untuk tiap – tiap frekuensi dan jumlah kutub yang diberikan

motor. Karena kecepatan sinkron selalu tetap, maka daya pada celah udara akan

menentukan besar torsi induksi pada motor.

Meskipun terdapat berbagai cara menyelesaikan rangkaian seperti gambar

2.11, untuk menentukan besarnya arus I2, kemungkinan penyelesaian yang paling

mudah dapat dilakukan dengan menentukan rangkaian ekivalen Thevenin dari

gambar tersebut.

Agar dapat menghitung ekivalen Thevenin dari sisi input rangkaian

ekivalen motor induksi, pertama – tama terminal X’s dihubung buka (open - circuit ),

kemudian tegangan open circuit di terminal tersebut ditentukan. Untuk menentukan

impedansi Thevenin, maka tegangan phasa dihubung singkat ( short – circuit ) dan

(30)

(

)

2

Gambar 2.13 Tegangan ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input

Dari gambar 2.13 ditunjukkan bahwa terminal di open – circuit untuk

mendapatkan tegangan ekivalen Thevenin. Oleh karena itu dengan aturan pembagi

tegangan diperoleh :

Magnitud dari tegangan Thevenin VTH adalah :

VTH = V ...(2.33)

Karena reaktansi magnetisasi XM >> X1 dan XM >> R1, harga pendekatan dari

magnitud tegangan ekivalen Thevenin :

VTH≈ V . ...(2.34)

Gambar 2.14 menunjukkan tegangan input dihubung singkat. Impedansi

(31)

Gambar 2.14 impedansi ekivalen Thevenin pada sisi rangkaian input

Impedansi Thevenin ZTH diberikan oleh :

ZTH =

pendekatan diberikan oleh :

RTH≈ R1

XTH≈X1

Gambar di bawah menunjukkan rangkaian ekivalen Thevenin :

(32)

Dari gambar di atas arus I2 diberikan oleh :

Magnitud dari arus

I2 =

Daya pada celah udara diberikan oleh :

PAG = 3 I22

Sedangkan torsi induksi pada rotor

ind =

Gambar kurva torsi kecepatan (slip) pada motor induksi ditunjukkan pada

gambar 2.16

Gambar 2.16

(33)

Sedangkan kurva torsi - kecepatan motor induksi yang menunjukkan

kecepatan di luar daerah operasi normal ditunjukkan pada gambar 2.17

Gambar 2.17

Karakteristik torsi – putaran pada motor induksi

pada berbagai daerah operasi

Dari kedua kurva karakteristik torsi motor induksi di atas dapat diambil beberapa

kesimpulan sebagai berikut :

1. Torsi motor induksi akan bernilai nol pada saat kecepatan sinkron

2. kurva torsi – kecepatan mendekati linear di antara beban nol dan beban

penuh. Dalam daerah ini, tahanan rotor jauh lebih besar dari reaktansi rotor,

oleh karena itu arus rotor, medan magnet rotor, dan torsi induksi meningkat

secara linear dengan peningkatan slip.

3. Akan terdapat torsi maksimum yang tak mungkin akan dapat dilampaui. Torsi

ini disebut juga dengan pull – out torque atau break down torque, yang

(34)

4. Torsi start pada motor sedikit lebih besar daripada torsi beban penuhnya, oleh

karena itu motor ini akan start dengan suatu beban tertentu yang dapat

disuplai pada daya penuh.

5. torsi pada motor akan memberikan harga slip yang bervariasi sebagai harga

kuadrat dari tegangan yang diberikan. Hal ini sangat penting dalam

membentuk pengaturan kecepatan dari motor.

6. jika rotor motor induksi digerakkan lebih cepat dari kecepatan sinkron,

kemudian arah dari torsi induksi di dalam mesin menjadi terbalik dan mesin

akan bekerja sebagai generator, yang mengkonversikan daya mekanik

menjadi daya elektrik.

7. jika motor induksi bergerak mundur relatif arah dari medan magnet, torsi

induksi mesin akan menghentikan mesin dengan sangat cepat dan akan

mencoba untuk berputar pada arah yang lain. Karena pembalikan arah medan

putar merupakan suatu aksi penyaklaran dua buah phasa stator, maka cara

seperti ini dapat digunakan sebagai suatu cara yang sangat cepat untuk

menghentikan motor induksi. Cara menghentikan motor seperti ini disebut

(35)

(

)

2

2.8 TORSI MAKSIMUM MOTOR INDUKSI

Karena torsi induksi bernilai ind = PAG/ sync, maka torsi maksimum yang

mungkin terbentuk jika daya pada celah udara maksimum. Karena daya pada celah

udara sama dengan daya yang dikonsumsi oleh resistor R2/s, torsi induksi akan

maksimum ketika daya yang dikonsumsi oleh resistor maksimum.

Transfer daya terhadap resistor R2/s akan maksimum jika magnitud dari

impedansi sama dengan magnitud dari impedansi sumber. Dari rangkaian ekivalen

Thevenin impedansi sumber dari rangkaian :

Zsource = RTH + jXTH + jX2...(2.39)

Oleh karena itu transfer daya maksimum adalah :

...(2.40)

atau slip pada saat torsi maksimum ;

smaks = ...(2.41)

Oleh karena itu slip dari rotor saat torsi maksimum secara langsung sebanding

dengan tahanan rotor. Sedangkan torsi maksimum dapat ditentukan sebagai berikut :

(36)

2.9 EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Effisiensi dari suatu motor induksi didefenisikan sebagai ukuran

keeffektifan motor induksi untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik

yang dinyatakan sebagai perbandingan / rasio daya output ( keluaran ) dengan daya

input ( masukan ), atau dapat juga dirumuskan dengan :

...(2.43)

Dari persamaan di atas dapat dilihat bahwa effisiensi motor tergantung pada

besarnya rugi – rugi. Pada dasarnya metode yang digunakan untuk menentukan

effisiensi motor induksi bergantung pada dua hal apakah motor itu dapat dibebani

secara penuh atau pembebanan simulasi yang harus digunakan.

Effisiensi dari motor induksi dapat diperoleh dengan melakukan pengujian

beban nol dan pengujian hubung singkat. Dari pengujian beban nol akan diperoleh

rugi – rugi rotasi yang terdiri dari rugi – rugi mekanik dan rugi – rugi inti. Rugi –

rugi tembaga stator tdk dapat diabaikan sekalipun motor berbeban ringan ataupun

tanpa beban. Persamaan yang dapat digunakan untuk motor tiga phasa ini adalah :

1

Dari ke dua rumus di atas dapat dinyatakan bahwa rugi – rugi daya = total

daya input – rugi tembaga stator. Situasi ini tepat karena rotor tidak dibebani sewaktu

sedang beroperasi sehingga slipnya sangat kecil oleh karena itu arus, dan rugi – rugi

tembaga rotor diabaikan.

(37)

Dari pengujian hubung singkat akan dihasilkan parameter rotor. Daya total

yang dialirkan ke motor sewaktu tegangan dikurangi selama pengujian ini,

didissipasikan dalam rugi – rugi tembaga stator dan rugi – rugi tembaga rotor.

2.10 DISAIN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Standard NEMA pada dasarnya mengkategorikan motor induksi ke dalam

empat kelas yakni disain A,B,C, dan D. Karakteristik torsi – kecepatannya dapat

dilihat pada gambar 2.18.

Gambar 2.18

Karakteristik torsi kecepatan motor induksi

Pada berbagai disain

 Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai

ratingnya) danarus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan yang

paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu menangani beban

(38)

 Kelas B : merupakan disain yang paling sering dijumpai di pasaran. Motor

ini memiliki torsi start yang normal seperti halnya disain kelas A, akan tetapi

motor ini memberikan arus start yang rendah. Torsi locked rotor cukup baik

untuk menstart berbagai beban yang dijumpai dalam aplikasi industri. Slip

motor ini < =5 %. Effisiensi dan faktor dayanya pada saat berbeban penuh

tinggi sehingga disain ini merupakan yang paling populer. Aplikasinya dapat

dijumpai pada pompa, kipas angin/ fan, dan peralatan – peralatan mesin.

 Kelas C : memiliki torsi start lebih tinggi (200 % dari nilai ratingnya) dari

dua disain yang sebelumnya. Aplikasinya dijumpai pada beban – beban

seperti konveyor, mesin penghancur (crusher ), komperessor,dll. Operasi dari

motor ini mendekati kecepatan penuh tanpa overload dalam jumlah besar.

Arus startnya rendah, slipnya < = 5 %

 Kelas D : memiliki torsi start yang paling tinggi. Arus start dan kecepatan

beban penuhnya rendah. Memiliki nilai slip yang tinggi ( 5 -13 % ), sehingga

motor ini cocok untuk aplikasi dengan perubahan beban dan perubahan

kecepatan secara mendadak pada motor. Contoh aplikasinya : elevator, crane,

dan ekstraktor.

2.11 PENENTUAN PARAMETER MOTOR INDUKSI

Data yang diperlukan untuk menghitung performansi dari suatu motor

induksi dapat diperoleh dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor tertahan,

(39)

2.11.1 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 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 :

PROT = Pnl – 3 I2nl R1...(2.45)

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

(40)

nl nl R Z2 − 2

dan besarnya reaktansi cabang paralel karenanya sangat mendekati XM. Sehingga

besar reaktansi yang tampak Xnl yang diukur pada terminal stator pada keadaan

tanpa beban sangat mendekati X1 + XM, yang merupakan reaktansi sendiri dari stator,

sehingga

Xnl = X1 + XM...(2.46)

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 =

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

Besarnya tahanan pada pengujian tanpa beban Rnl adalah :

Rnl =

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

reaktansi tanpa beban

Xnl = ...(2.49)

sewaktu pengujian beban nol, maka rangkaian ekivalen motor induksi seperti gambar 2.19

(41)

2.11.2 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 :

...( 2.50 )

Bila stator dihubung delta, maka besar tahanan stator,

DC

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 3.4 menunjukkan salah

(42)

Gambar 2.20 rangkaian pengukuran untuk test DC 2.11.3. 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.

Rangkaian ekivalen untuk pengujian ini ada pada gambar 2.21

Gambar 2.21 rangkaian ekivalen motor induksi pada percobaan block rotor test

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

θ = 3V I cos

Pin T L ...( 2.52 )

(43)

IL = arus line pada saat pengujian berlangsung

ZBR = impedansi hubung singkat

ZBR = RBR + jX’BR

= ZBR cos + j ZBR sin ...( 2.54 )

Tahanan block rotor :

RBR = R1 + R2...( 2.55 )

Sedangkan reaktansi block rotor X’BR = X1’ + X2’

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

R2 = RBR – R1...( 2.56 )

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

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

2

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

Tabel 1. distibusi reaktansi X1 dan X2 pada berbagai disain motor induksi

Disain kelas motor X1 X2

A 0,5 XBR 0,5 XBR

B 0,4 XBR 0,6 XBR

C 0,3 XBR 0,7 XBR

(44)

BAB III

KARAKTERISTIK PERFORMANSI DAN TEGANGAN TIDAK SETIMBANG PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

3.1 KARAKTERISTIK PERFORMANSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Karakteristik pengoperasian motor induksi dalam keadaan steady state secara grafis

menujukkan variasi kecepatan, faktor daya, arus stator, dan effisiensi sebagai fungsi

dari daya output, yang bervariasi dari beban nol hingga ke beban penuh.

Karakteristik pengoperasian motor induksi tersebut ditunjukkan pada gambar 3.1

(45)

Gambar 3.1

Karakteristik operasi motor induksi

3.1.1 Kecepatan

Dalam keadaan tanpa beban, kecepatan rotor mendekati kecepatan sinkron, oleh

karena itu slip beban nol bernilai sangat kecil. Hal ini menyebabkan torsi beban nol

yang dihasilkan hanya cukup untuk mengatasi torsi yang dibutuhkan rugi – rugi

gesek dan angin. Apabila torsi beban ditingkatkan, torsi elektromagnetik akan

meningkat dengan seketika. Dalam keadaan ini kecepatan rotor harus turun karena

torsi beban ditingkatkan.

3.1.2 Faktor Daya

Dalam keadaan tanpa beban, arus stator Ioterdiri dari komponen arus magnetisasi I

dan komponen arus rugi – rugi beban nol. Arus magnetisasi I tertinggal dari

tegangan stator 90o dan komponen rugi – rugi beban nol sephasa dengan V1. Karena

arus magnetisasi I merupakan komponen yang dominan membentuk Io, maka arus

beban nol akan tertinggal dari tegangan stator dengan sudut o yang bernilai antara

80o – 85o. Sebagai akibatnya faktor daya stator pada beban nol sangat rendah, yang

mungkin saja akan bernilai 0.1 – 0.3, dan akan bernilai lebih rendah lagi, jika ukuran

motornya lebih besar lagi. Dalam keadaan berbeban, dua buah komponen di atas

akan mendapat tambahan dari arus stator untuk mengimbangi mmf yang

(46)

Karena motor dibebani maka arus rotor I2 akan terbentuk sedemikian untuk

menyuplai torsi beban. Komponen arus beban I1’ jika dijumlahkan dengan Io,

memberikan arus stator OA pada faktor daya cos 1. Dengan adanya penambahan

beban pada motor, maka arus rotor meningkat dan komponen arus beban I1’ akan

dijumlahkan dengan Io, yang akan memberikan harga arus stator OB pada faktor

daya cos 1. dari gambar diagram vektor tersebut dapat dilihat, bahwa faktor daya

stator akan meningkat apabila beban pada motor meningkat. Faktor daya stator

bernilai antara 0,85 hingga 0,88 yang diperoleh pada kondisi 80 hingga 90 persen

dari output beban penuhnya.

Gambar 3.2

Perbaikan faktor daya dengan adanya pertambahan beban

3.1.3 Effisiensi

Sama halnya dengan mesin – mesin listrik yang lain, pada motor induksi rugi – rugi

(47)

outputnya sama dengan nol, sehingga effisiensinya bernilai nol. Apabila motor

induksi berbeban ringan, maka rugi – rugi tetap akan lebih besar jika dibandingkan

terhadap outputnya, sehingga effisiensinya rendah. Jika beban meningkat, maka

effisiensinya juga akan meningkat dan akan menjadi maksimum sewaktu rugi – rugi

variabel sama dengan rugi – rugi inti. Effisiensi maksimum terjadi saat 80 hingga 95

persen dari rated output. Jika beban ditingkatkan secara terus – menerus hingga

melampaui effisiensi maksimumnya, rugi – rugi beban akan meningkat dengan

sangat cepat daripada outputnya, sehingga effisiensinya menurun.

3.1.4 Arus Stator

arus beban nol stator bernilai antara 30 – 50 persen dari arus rated. Apabila beban

bertambah maka arus akan meningkat.

3.2 TEGANGAN TIDAK SETIMBANG PADA MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

3.2.1 Umum

Dalam sistem tiga phasa yang setimbang, tegangan line – netral memiliki

magnitud yang sama dan tiap – tiap sudut phasanya berbeda 120 derajat satu sama

lain. Apabila terdapat tegangan tiga phasa yang magnitudnya tidak sama dan sudut

fasanya mengalami pergeseran sehingga tidak berbeda 120 derajat satu sama lain,

(48)

Penyebab dari tegangan tidak setimbang termasuk impedansi saluran

transmisi dan saluran distribusi yang tidak sama, distribusi beban – beban satu phasa

yang tidak merata dalam jumlah besar, dan lain – lain. Ketika beban tiga phasa

setimbang dihubungkan dengan sistem suplai yang tidak setimbang, maka arus yang

dialirkan ke beban juga menjadi tidak setimbang. Oleh karena itu sangat sulit / tidak

mungkin untuk menyediakan suatu sistem suplai setimbang yang sempurna kepada

konsumen, sehingga perlu dilakukan berbagai upaya untuk meminimalisasi

ketidaksetimbangan tegangan untuk mereduksi pengaruhnya pada beban – beban

konsumen.

i ii

Gambar 3.3

Diagram vektor untuk sistem tegangan setimbang (i) ; diagram vektor untuk sistem tegangan

tidak setimbang (ii)

3.2.2 Defenisi Tegangan Tidak Setimbang

Metode yang biasa digunakan dalam menganalisa baik arus ataupun tegangan

dalam keadaan tidak setimbang adalah dengan menggunakan komponen – komponen

simetris yaitu suatu metode yang secara matematis memecahkan suatu sistem yang

(49)

urutan positif, urutan negatif dan urutan nol. Untuk sistem yang setimbang sempurna,

maka sistem urutan negatif dan urutan nol tidak ada.

i ii iii

Gambar 3.4

Diagram vektor tegangan urutan positif (i) ; diagram vektor tegangan urut negatif (ii) ;

Diagram vektor tegangan urut nol (iii)

Sistem urutan ini dapat dilukiskan secara fisika. Arah perputaran dari motor

induksi tiga phasa ketika diaplikasikan dengan tegangan urutan negatif akan

berlawanan arah dengan arah perputaran motor induksi sewaktu diaplikasikan

dengan tegangan urutan positif. Sementara itu sistem urutan nol tidak akan

menimbulkan perputaran pada motor induksi, karena tidak ada perbedaan phasa pada

ketiga tegangannya,sehingga tidak akan dibangkitkan medan putar.

Oleh karena itu ada dua defenisi ketidaksetimbangan pada komponen - komponen

simetris, yaitu ; faktor ketidaksetimbangan urutan negatif dan faktor

ketidaksetimbangan urutan nol ( V1,V2,V0 adalah sytem urutan positif, urutan

negatif, dan urutan nol ). Sistem arus urutan nol tidak dapat mengalir pada sistem

tiga phasa, misalnya motor induksi, oleh karena itu faktor ketidaksetimbangan urutan

nol itu sering diabaikan. Adapun ketidaksetimbangan tegangan urutan negatif

menunjuk pada besarnya tegangan yang mencoba untuk memutar arah motor induksi

tiga phasa pada arah yang berlawanan terhadap yang diberikan oleh tegangan urutan

(50)

LL

V

_

Adapun faktor ketidaksetimbangan urutan negatif menurut IEC 60034 – 26 adalah :

Dimana :

Dimana dan

Sedangkan menurut NEMA Standard MG1.1993 dan komunitas IEEE defenisi

ketidaksetimbangan itu adalah :

V^LL = tegangan line – line yang tertinggi

harga rata – rata dari tegangan line

Sesuai dengan rumusan yang telah diberikan, dapat dilihat bahwa defenisi tegangan

tidak setimbang yang diberikan NEMA menghindari pemakaian aljabar kompleks,

sehingga kedua rumusan tersebut akan memberikan hasil yang berbeda.

Contoh jika tegangan tidak setimbang :

:

Maka menurut persamaan 3.2 dan 3.3, maka besarnya Vab1 dan Vab2 adalah :

(51)

Maka besarnya ketidaksetimbangan menurut IEC adalah :

Sedangkan menurut NEMA adalah :

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 3.5

Gambar 3.5

Kurva penurunan rating motor induksi NEMA

Menurut kurva ini, motor induksi dirancang sedemikian rupa sehingga

mampu menangani ketidaksetimbangan tegangan 1%, dan selanjutnya akan menurun

terganntung pada tingkat ketidaksetimbangan. Operasi pada motor pada harga

(52)

3.3 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Phasa Dalam Keadaan Tegangan Tidak Setimbang.

Sewaktu motor induksi tiga phasa bekerja pada keadaan tegangan tidak

setimbang , maka besarnya slip yang dibangkitkan tegangan urutan positif adalah :

Ns = kecepatan sinkron

Nr = kecepatan rotor

Sementara itu besarnya slip yang dibangkitkan oleh tegangan urutan negatif :

Jika s2 dinyatakan dalam s1, maka besarnya s2 adalah :

Dari rumus di atas dapat dilihat bahwa dalam keadaan normal slip urutan positif s1

bernilai sangat kecil, sedangkan slip urutan negatif sangat besar. Impedansi motor

induksi sangat tergantung pada slip, di mana pada saat slip yang tertinggi (misalnya

pada saat start ataupun dalam keadaan rotor terblok) impedansinya kecil dan

sebaliknya pada slip yang rendah akan memiliki impedansi yang besar.

Oleh karena itu secara pendekatan, ratio dari impedansi urutan positif terhadap

urutan negatif diberikan oleh :

...3.5

...3.6

(53)

...3.8

Karena arus urutan positif bernilai dan arus urutan negatif

maka perbandingan I2 dan I1 dapat dinyatakan sebagai :

Jika dimisalkan motor dalam keadaan rotor terblok memberikan arus sebesar

6 kali arus nominal maka akan memberikan ketidakseimbangan pada arus saluran

motor sebesar 30 % jika ketidakseimbangan tegangan 5 %.

Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa dalam keadaan tidak setimbang :

a. untuk urutan positif

Gambar 3.6

Rangkaian ekivalen urutan positif pada motor induksi

b. untuk urutan negatif

(54)

p

Rangkaian ekivalen urutan negatif pada motor induksi

3.3 Torsi Dan Daya Pada Motor Induksi Tiga Phasa Pada Keadaan Tegangan Tidak Setimbang

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa medan putar yang dihasilkan

tegangan urutan positif dan tegangan urutan negatif berada dalam arah yang

berlawanan, maka pengaruh dari tegangan urutan negatif akan mengurangi daya

output dan torsi elektromagnetik Te.

Dari rangkaian ekivalen ,daya internal yang dibangkitkan per phasa adalah

Daya output per phasa :

(55)

BAB IV

ANALISA PENGARUH TEGANGAN TIDAK SETIMBANG

TERHADAP TORSI DAN EFFISIENSI MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

4.1 UMUM

Untuk dapat melihat pengaruh tegangan tidak setimbang terhadap torsi dan

effisiensi motor induksi tiga phasa, maka diperlukan suatu percobaan pembebanan

pada motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal dan juga dalam keadaan

abnormal, sehingga diperoleh suatu perbandingan yang dapat menyatakan perbedaan

di antara dua keadaan tersebut.

Pada percobaan ini, pengaruh ketidaksetimbangan tegangan akan dilihat pada

motor induksi tiga phasa rotor belitan, di mana defenisi yang digunakan untuk

menentukan ketidaksetimbangan tegangan adalah defenisi menurut NEMA Standard

MG1.1993.

(56)

1. Motor induksi tiga phasa

Tipe : rotor belitan

Spesifikasi : - AEG Typ C AM 112MU 4RI

- / Y 220/ 380 V ; 10,7 / 6,2 A

- 2,2 Kw, cos 0,67

- 1410 rpm, 50 Hz

- Kelas isolasi : B

2. Mesin DC

3. Ampermeter

4. Voltmeter

5. Tahanan geser

6. Power Suplai ( AC dan DC )

7. Timbangan torsi

8. Tachometer

4.3 Percobaan Pembebanan Motor Induksi Dengan Tegangan Setimbang

(57)

Gambar 4.1 Rangkaian percobaan pembebanan motor induksi dengan tegangan setimbang

2. Prosedur percobaan

a. Motor induksi dikopel dengan motor DC, kemudian rangkaian

pengukuran disusun seperti gambar 4.1

b. Seluruh switch dalam keadaan terbuka dan pengatur tegangan dalam

posisi minimum, sedangkan posisi tahanan R maksimum.

c. Switch S1 ditutup, pengatur PSAC1 dinaikkan sampai dengan

tegangan 330 Volt.

d. Switch S3 ditutup, pengatur PSDC2 dinaikkan hingga A3

menunjukkan arus penguat nominal.

e. Switch S2 ditutup. Kemudian tahanan R diturunkan secara bertahap.

Penunjukan W, T, dan N dicatat untuk setiap tahapnya.

f. Percobaan selesai

3. Data hasil pengukuran

Tabel 5 data percobaan pembebanan motor induksi dengan tegangan setimbang

(58)

4.4 Percobaan Pembebanan Motor Induksi Dengan Tegangan Tidak Setimbang

Rangkaian percobaan

Gambar 4.2 Rangkaian percobaan pembebanan motor induksi dengan tegangan tidak setimbang

1. Prosedur percobaan

a. Motor induksi dikopel dengan motor DC, kemudian rangkaian

(59)

b. Seluruh switch berada dalam keadaan terbuka. Tahanan R2 dan posisi

pengatur tegangan yang ada dalam keadaan minimum, sedangkan

tahanan R1 berada dalam posisi maksimum.

c. Switch S1 ditutup, pengatur PSAC1 dinaikkan sampai tegangan

tertentu

d. Switch S3 ditutup, pengatur PSDC2 dinaikkan hingga A5

menunjukkan arus penguat nominal

e. Tahanan R2 diatur, sehingga terdapat pembacaan tegangan yang

berbeda pada alat ukur V1, V2, dan V3.

f. Switch S2 ditutup, sehingga generator DC menyuplai tahanan R1

pada posisi maksimum. Pada saat ini penunjukan tiap – tiap voltmeter,

amperemeter dan wattmeter dicatat.

g. Tahanan R1 diturunkan secara perlahan hingga menunjukkan harga

torsi yang mendekati sama dengan torsi yang diperoleh pada

percobaan dengan tegangan setimbang. Untuk memperoleh harga torsi

yang harganya mendekati sama dengan torsi yang diperoleh pada

percobaan berbeban dengan tegangan setimbang, maka dapat

dilakukan dengan penambahan arus medan pada generator DC,

setelah penurunan tahanan R1 dilakukan. Dan tiap – tiap perubahan

R1, besarnya penunjukan voltmeter, ampermeter, dicatat.

h. Percobaan selesai

(60)

%

Tabel 6 Data percobaan pembebanan motor induksi dengan tegangan tidak setimbang

VRS = 325 V ; VST = 335 V ; VRT = 294 V

4.5 Analisa Pengaruh Tegangan Tidak Setimbang Terhadap Torsi Dan Effisiensi Motor Induksi Tiga Phasa

Dari harga VRS = 325 V ; VST = 335 V ; VRT = 294 V , maka besarnya tegangan

rata – rata

_

V adalah :

Dari persamaan 3.4, maka besar ketidaksetimbangan tegangan adalah :

Harga di atas menunjukkan suatu harga di mana motor induksi sudah tidak

diizinkan lagi beroperasi.

Contoh perhitungan untuk memperoleh T (N.m)

(61)

T = (m . g .l) /1000 ; T = ( 200 . 10 . 0,5)/1000 = 1 N.m

Contoh perhitungan untuk memperoleh n (rad/s)

n = (2 /60) . N ; n = (2 /60) . 1375 = 143,92 rad/s

Contoh perhitungan untuk Pout

Pout = T . n ; Pout = 1 . 143,92 = 143,92 Watt

Contoh perhitungan untuk (%)

= Pout / Pin = (143,92 / 550) . 100 % = 26,17 %

Kurva yang menggambarkan karakteristik torsi kecepatan motor induksi, apabila

tegangan terminal motor tersebut setimbang adalah :

Gambar 4.3

Karakteristik torsi berbeban – kecepatan dengan tegangan setimbang

Apabila terminal motor menerima tegangan tidak setimbang, maka karakteristik

(62)

Gambar 4.4

Karakteristik torsi berbeban – kecepatan dengan tegangan tidak setimbang

Kurva karakteristik yang menunjukkan effisiensi motor induksi sebagai fungsi dari

daya output Pout, jika tegangan terminalnya setimbang :

Gambar 4.5

Karakteristik Pout – effisiensi dengan tegangan setimbang

Sedangkan kurva karakteristik dari effisiensi sebagai fungsi dari daya output pada

(63)

Gambar 4.6

Karakteristik Pout – effisiensi dengan tegangan tidak setimbang

BAB V PENUTUP

5.1 KESIMPULAN

1. Tegangan tidak setimbang pada motor induksi akan menurunkan kecepatan

motor, tanpa mengurangi besar torsi berbebannya. Dari perbandingan ke dua

karakteristik torsi kecepatan tersebut dapat dilihat bahwa pada saat motor

berbeban ringan, tegangan tidak setimbang tidak akan memberikan pengaruh

yang berarti terhadap putaran motor. Apabila beban terus bertambah, maka

penurunan kecepatan putaran motor dalam keadaan tegangan tidak setimbang

akan lebih besar daripada motor yang beroperasi dengan keadaan normal.

2. Tegangan tidak setimbang pada motor induksi akan menyebabkan penurunan keseluruhan effisisensi motor, baik effisiensinya saat saat berbeban ringan