Mesin Arus Bolak balik pdf

(1)

TE091403

Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Mesin Arus Bolak balik

(2)

ke- Dasar Materi Pokok Indikator keberhasilan materi

13-16 Memahami Motor Induksi

1. Fitur mesin induksi tiga fasa

2. Sistem kemagnitan dalam m.i. tiga fasa

3. medan putar

4. tegangan induksi pada kumparan stator dan rotor 5. rangkaian ekivalen

6. penentuan parameter 7. aliran daya dalam m.i. 8. pembentukan torka 9. dinamika sistem 10. m.i. tipe sangkar

11. pengaturan arus dan torka mula dalam motor

sangkar 12. torka parasit

1. Menjelaskan prinsip kerja motor induksi. 2. Menjelaskan

rangkaian ekivalen motor induksi. 3. Menjelaskan daya

dan torsi.

4. Menjelaskan macam-macam motor

induksi.

5. Menjelaskan prinsip kerja genera-tor induksi

6. Menjelaskan

pengaturan putaran.

(3)

Fakta umum mengenai motor Induksi

• Motor induksi dapat digunakan sebagai

motor dan generator. Namun umumnya

digunakan sebagai motor. Mesin ini

adalah salah satu pilar utama di industri

• Umumnya yang digunakan di industri

adalah tipe rotor sangkar.

• Baik mesin yang tiga phasa ataupun satu

phasa sangat umum digunakan.

• Generator induksi sangat jarang

digunakan. Umumnya diaplikasikan pada

pembangkit listrik tenaga angin.

(4)

• Kontruksi stator

– Inti besi berlaminasi dengan slot

– Koil ditempatkan pada slot yang ada untuk membentuk kumparan satu atau tiga phasa.

• Kontruksi rotor sangkar bajing.

– Inti besi berlaminasi dengan slot.

– Batang konduktor disambungkan terpasang dalam slot

– Dua cincin menghubung singkatkan batang konduktor

(5)

Kontruksi

• Stator mempunyai inti besi berlaminasi berbentuk cincin dengan slot

• Kumparan tiga atau satu phasa ditempatkan pada slot

• Rotor mempunyai inti besi berlaminasi yang berbentuk

cincin, dengan slot digabungkan dengan poros/shaft.

• Rotor sangkar bajing: Batang

konduktor ditempatkan dalam slot dan dihubungsingkatkan pada kedua sisi (paling banyak

digunakan).

Konsep motor sangkar bajing

A

-Stator with

laminated

iron-core

Slots with

winding

Squirrel cage

Rotor

Bars

(6)

Kontruksi

Rotor-belit:

• Belitan tiga phasa ditempatkan pada slot.

• Kumparan dikoneksikan wye atau delta.

• Ujung tiap phasa dihubungkan

dengan cincin geser atau slip ring. • Tiga sikat/brushes terhubung

dengan tiga cincin geser/slip-rings. • Belitan rotor mungkin di bebani

dengan resistor variable atau

disuplay dengan sumber tegangan terpisah.

Konsep motor rotor belit

A

-Stator with

laminated

iron-core

Slots with

winding

Slip

rings

Three phase

winding

Laminated core

with slots

(7)

Kontruksi stator

• Gambar disamping menunjukkan bentuk umum inti stator

• Inti besi betuk cincin yang berlaminasi disatukan/bolted dengan frame motor.

• Koil ditempatkan dalam slot. The slots are closed by a wedge.

• Ujung koil dibentuk kompak melekat pada inti besi dan diikat bersama dengan pengikat.

• Koil motor tegangan tinggi diisolasi dengan metode “dried and impregnated”.

(8)

Kontruksi stator

• Gambar disamping menunjukan

bentuk

umum

kontruksi

koil

stator.

• Koil

digulung

dan

dibentuk

menggunakan

konduktor

tembaga yang berisolasi.

• Koil juga diisolasi menggunakan

insulating tape.

• Koil

yang

sudah

di

isolasi

ditempatkan pada slot stator.

• Dua sisi koil mempunyai beda

sudut listrik sekitar 180

o

_.

Kontriksi belitan stator

Tape-wound coil insulation

Tape-wound

coil insulation

coil end

coil sides

(9)

Rotor sangkat bajing

• Gambar disamping menunjukkan bentuk rotor untuk motor kecil dan besar.

• Kedua rotor mempunyai inti berlaminasi dengan slot, yang digabungkan dengan shaft.

• Bar aluminium sedikit dimiringkan/dipilin pada rotor kecil. Hal ini mengurangi kebisingan dan meningkatkan kinerja. • Sirip ditempatkan pada cincin untuk

menghubung singkatkan batang rotor. Sirip bekerja sebagai kipas dan untuk meningkatkan pendinginan.

• Rotor besar juga memiliki sirip dan bar. Tapi bar tidak miring.

(10)

Rotor-Gulung

(Wound-rotor)

• Gambar disamping

menunjukkan sebuah

rotor dari

Rotor-Gulung

yang berkapasitas besar

• Ujung-ujung dari setiap

phasa terhubung ke slip

ring.

• Tiga sikat (brushes)

terhubung dengan tiga

slip-ring dan tiga

resistan dengan koneksi

wye.

(11)

Prinsip operasi

• Stator disuplai oleh tegangan tiga fase yang mensuplai arus tiga

fase seimbang yang mengalir melalui gulungan.

• Arus tiga-fase menghasilkan medan magnet berputar.

• Medan ini berputar pada kecepatan sinkron. Kecepatan sinkron

ditentukan oleh frekuensi dari tegangan suplai dan jumlah kutub:

ns = f/p/2 = 2f/p. Unit ini dalam rpm.

• Medan berputar menginduksi tegangan di konduktor rotor yang

dihubung-singkatkan.

(12)

Prinsip operasi

• Interaksi antara arus rotor dan medan stator menghasilkan gaya yang

menggerakkan motor: Gaya = BIL sin f.

• Besarnya tegangan induksi tergantung pada perbedaan kecepatan antara

medan putar stator dan rotor.

• Perbedaan kecepatan maksimum terjadi pada saat starting ketika motor

menarik arus yang besar. Frekuensi arus rotor adalah 60 Hz ketika rotor

stasioner.

• Pada saat motor mulai berputar perbedaan kecepatan berkurang, yang

menghasilkan:

9 reduksi frekuensi pada tegangan induksi di rotor.

(13)

Terbangkitkannya Gaya.

• Medan putar

menginduksi arus di

Bar.

• Arus dan medan

berinteraksi

menghasilkan gaya

gerak

Gaya = B

_rotating

L I

_r

• Gaya menggerakkan

motor.

• L adalah panjang rotor

Force

B

_rotating

(14)

Prinsip Operasi

• Jika kecepatan rotor sama dengan kecepatan sudut medan stator,

tegangan induksi, arus dan torsi menjadi nol. Oleh karena itu

kecepatan motor harus kurang dari kecepatan sinkron.

• Operasi motor membutuhkan perbedaan kecepatan antara medan

putar yang dihasilkan stator dan kecepatan rotor yang sebenarnya.

Perbedaan kecepatan disebut slip (s) dan didefinisikan sebagai:

s = (n

_s

- n

_r

) / n

_s

dimana n

_s

= 2 f / p

• Frequency arus rotor adalah: f

_r

= s f

(15)

Motor Induksi tiga phasa, 20 hp, 208 V, 60 Hz, 6 kutub, dikoneksikan

wye.

Motor megeluarkan daya 15 kW pada slip 5%.

Hitunglah:

a) Kecepatan sinkron.

b) Kecepatan rotor.

c) Frekuensi dari arus rotor.

Jawaban

- Kecepetan sinkron:

n

_s

= 2 f / p = (120) / 6 = 20 rev/sec = 1200 rpm

- Kecepetan rotor:

n

_r

= (1-s) n

_s

= (1- 0.05) (1200) = 1140 rpm

(16)

Penurunan rangkaian ekivalen.

• Motor induksi terdiri dari dua sistem magnet yang terhubung : Stator dan

Rotor

• Tegangan sumber (V

₁

) pada phase A sama dengan penjumlahan dari

– tegangan induksi (E

₁

).

– Tegangan drop pada resistansi stator (I

₁

R

₁

).

(17)

Penurunan rangkaian ekivalen.

• Semakin besar kecepatan relative (perbedaan) antara medan magnet rotor

danstator, maka makin besar tegangan rotor yang dihasilkan E

₂

.

• Tegangan paling besar E

₂

terjadi pada saat rotor di blok atau ditahan

(mengapa?) yang disebut dengan E

_2O

. Pada slip tertentu :

(18)

Penurunan rangkaian ekivalen.

• Jika semua paramenter mengacu pada

sisi stator, dimana :

a = rasio jumlah belitan (efektif) antara stator dan rotor

R’

₂

= Resistansi rotor dengan mengacu pada stator

X’

₂₀

= Reaktansi rotor (pada blocked rotor) mengacu pada stator

(19)

Penurunan rangkaian ekivalen.

• R

₂

dan X

₂₀

sangat sulit (atau tidakmungkin) di hitung langsung dari rotor

sangkar, begitu juga “a”. Tetapi kira bisa mendapatkan-nya dari

(20)

Motor tiga phasa. Penurunan rangkaian ekivalen.

• Rangkaian ekivalen motor induksi dapat disederhanakan dengan

memindahkan cabang magnetisasi ke sisi tegangan suplai, dan membagi

resistansi rotor menjadi dua bagian :R’

₂

/ s = R’

₂

+ R’

₂

(1-s) / s.

• Resistansi yang pertama merepresentasikan rugi tembaga dalam rotor.

Bagian yang kedua merepresentasikan daya yang dibangkitkan motor

(electric developed motor power).

Electric Developed

Power

Rotor

(21)

Perhitungan parameter dari hasil test

Parameter motor dihitung dari tiga macam test, yaitu :

1. Test tanpa beban (No-load test)

. Menghasilkan reaktansi magnetisasi dan

reistansi inti ( R

_c

dan X

_m

).

2. Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test)

atau (Short circuit test).

menghasilkan (R

₁

+R’

₂

) dan (X

₁

+X’

₂

).

(22)

Perhitungan parameter dari hasil test

Pengukuran resistansi DC stator

–

Motor disupplay dengan tegangan DC di dua terminalnya (digambar

pada titik A dan B)

–

Tegangan dan arus DC diukur

–

Resistansinya adalah

(23)

Perhitungan parameter dari hasil test • Test tanpa beban

– Motor di suplai dengan tegangan rating (V_ml) , kemudian arus I_nl dan daya tanpa beban diukur P_nl .

– Daya tanpa beban meliputi rugi magnetisasi dan rugi putaran.

– Dengan menggunakan hasil pengukuran, admitansi dan resistansi dihitung. Jika impedansi bocor diabaikan, maka :

P

_in

= V

₁

.I

₁

.cos

j

Y = I / V

(24)

Perhitungan parameter dari hasil test

• Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test)

–

Motor disuplai dengan tegangan yang direduksi V

₁

dan frekuensi yang

lebih rendah. Frekuensi yg direduksi digunakan agar frekuensi arus

rotor menjadi kecil pada kondisi operasi normal.

–

Tegangan V

_br

, arus I

_br

, daya input P

_{b r}

diukur dan dicatat.

(25)

Perhitungan parameter dari hasil test

• Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test)

(26)

Perhitungan parameter dari hasil test

• Test rotor ditahan (Blocked-Rotor Test)

–

Reaktansi rotor pada frekuensi penge-test-an f

_test

adalah:

–

Reaktansi pada saat rotor ditahan dengan dasar frekuensi rating adalah:

X

_br

= X

_{br, test}

(f

_rated

/ f

_test

)

–

Parameter rangkaian ekivalen dihitung dari:

R

_br

= R

₁

+ R’

₂

and

X

_br

= X

₁

+ X’

₂

–

R

₁

dihitung dengan mengukur resistansi stator.

2 br 2

br test

br

Z

R

(27)

Perhitungan parameter dari penge-test-an

Mesin induksi tiga-phasa, 30 hp, 208 V, 4 kutub, 60 Hz, dikoneksikan wye

telah ditest dan menghasilkan data test sebagai berikut:

- Tanpa beban pada 60 Hz: V

_nl

= 208 V ; I

_nl

=22 A ; P

_nl

= 1600 W

- Rotor ditahan pada 15 Hz: V

_br

= 21 V ;I

_br

=71 A ; P

_br

= 2100 W

- DC test :

V

_dc

= 12 V ; I

_dc

=75 A

a) Hitunglah:

–

parameter rangkaian ekivalen

–

Rugi putar (rotational losses)

(28)

• Kinerja/performance motor induksi dapat di evaluasi menggunakan rangkaian ekivalennya.

(29)

Krakteristik Torsi Vs Kecepatan

Torsi induksi pada motor dinyatakan sebagai berikut:

(30)

Krakteristik Torsi Vs Kecepatan

Since Xm>>X1 and Xm>>R1 then

(31)

Krakteristik Torsi Vs Kecepatan

Karena Xm>>X1 dan Xm+X1>>R1 maka :

(32)

Krakteristik Torsi Vs Kecepatan

Torsi induksi pada rotor adalah

(33)

Krakteristik Torsi Vs Kecepatan

Persamaan diatas dapat di

(34)

Torsi maksimum motor Induksi

Dari rangkaian ekivalen, daya maksimum yang ditransfer dapat

dicapai ketika R’

₂

sama dengan impedansi dibagian kiri

(

)

2

Dengan mensubstitusikan ke persamaan torsi

(35)

(36)

Motor

Klass

Description

X1

X2

A

Normal starting Torque,

normal starting current

0.5

0.5 B

Normal starting Torque,

Low starting current

0.4

0.6 C

High starting Torque,

Low starting current

0.3

0.7 D

High starting Torque,

High Slip

0.5

0.5 Rotor

(37)

Mengapa kita perlu mengatur motor induksi?

(38)

Terdapat beberapa teknik pengaturan (kecepatan) pada motor induksi:

1. Pengubahan inti

2. Pengaturan frekuensi sumber

3. Pengaturan tegangan sumber

4. Pengaturan resistansi rotor (hanya untuk rotor gulung)

(39)

(40)

(41)

Pole changing derives three control of Induction Motor : A) Constant Torque

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

Efek penggunaan rangka ganda (Double Cage)

Ketika rotor berputar pada kecepatan rendah, frekuensi arus yang mengalir

pada batang rotor menjadi tinggi. Begitu pula sebaliknya.

(47)

Efek pemilinan (pemiringan)

batang rotor

Rotor sangkar dipilin/dimiringkan

untuk mengurangi tegangan

induksi pada rotor, sehingga arus

hubung singkat (pada slip 1)

(48)

Motor satu phasa sering disebut sebagai fractional hp motor

karena rating dayanya yang kecil.

Motor satu phasa paling sering digunakan untuk lemari es,

mesin cuci, jam, kompresor, pompa, dll

(49)

• Kumparan utama disuplai oleh sumber

satu phasa yang menghasilkan medan

magnet berdenyut atau berbentu pulsa.

• Medan magnet berpulsa dibagi menjadi

dua medan, berputar dengan arah yang

berlawanan.

• Interaksi antara medan dan arus yang

terinduksi di batang rotor menghasilkan

torsi yang berlawanan.

• Dengan kondisi ini, motor belum akan

dapat berputar, seperti yang ditunjukkan

pada gambar.

Main

winding

+

_

+

ω

t

-

ω

t

(50)

Konsep kerja motor satu phasa.

• Diasumsikan, motor di star dengan torsi luar dan berputar denga kecepatan

n

dengan arah maju.

n

_s

adalah kecepatan sinkron.

• Kondisi ini menghasilkan slip positif terkait dengan medan magnet putar

yang berputar maju

s

+

_=(n

s

-n)/ n

s

Slip positif sangatlah kecil: 1-5%

• Hal ini pula dapat menghasilkan slip negatif karena diasumsikan berputar

melawan arah medan putar

s

-

_=(n

s

+ n) / n

s

Slip negatif sangatlah besar 1.95-1.99

• Kombinasi dari kedua persamaan diatas menghasilkan :

(51)

Besar torsi berbanding terbalik tergantung slip.

• Slip positif kecil (0.01-0.03) menghasilkan torsi yang lkebih

besar dari pada slip negatif yang besar (1.95-1.99).

• Perbedaan torsi, akan menggerakkan motor untuk terus

berputar dalam arah maju walaupun tanpa torsi eksternal.

(52)

“Torsi eksternal” diperlukan sebagai

penggerak awal rotor.

Sebuah “auxiliary winding” dipasang

tegak lurus dengan gulungan utama

seperti yang terlihat pada gambar.

Saklar sentrifugal akan beroperasi

(terputus/membuka) pada saat

kecepatan mencapai sekitar 75%

kecepatan sinkron.

(53)

Umumnya digunakan untuk kipas

angin, blowers, centifugal pump.

(54)

“Torsi eksternal” diperlukan

sebagai penggerak awal rotor.

Selain auxiliary winding, kapasitor

yang ditambahkan untuk

meningkatkan kinerja awal pada

saat starting.

(55)

Biasanya digunakan untuk

(56)

(57)

(58)