BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Motor Induksi
Motor induksi merupakan motor arus bolak-balik yang paling luas
digunakan. 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 oleh arus stator. Belitan stator yang dihubungkan
dengan sumber tegangan tiga fasa akan menghasilkan medan magnet yang
berputar dengan kecepatan sinkron ( ns = 120f / P ). Medan putar pada stator
tersebut akan memotong konduktor-konduktor pada rotor, sehingga terinduksi
arus sesuai hukum lentz. Rotor pun akan turut berputar mengikuti medan putar
stator. Perbedaan putaran relatif antara stator dengan rotor disebut slip.
Bertambahnya beban akan memperbesar kopel motor, yang oleh karenanya akan
memperbesar pula arus induksi pada rotor. Sehingga slip antara medan putar
stator dan putaran rotor pun akan bertambah besar. Jadi bila beban bertambah,
putaran rotor cenderung menurun.[3]
Motor induksi sangat banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari baik
itu dalam industri maupun rumah tangga.Untuk kebutuhan dalam industri
biasanya digunakan motor induksi tiga fasa dengan kapasitas besar. Untuk
penggunaan dalam rumah tangga motor induksi satu fasa merupakan motor yang
2.1.1. konstruksi motor induksi
Konstruksi motor induksi terdiri dari 2 bagian utama, yaitu:
1. Stator: Merupakan bagian yang diam dan mempunyai kumparan medan
yang berfungsi untuk menginduksikan medan elektromagnetik ke
kumparan rotornya.
2. Rotor: Merupakan bagian yang bergerak dari motor. Dalam penggunaan
motor induksi daya keluaran motor induksi akan ditransfer ke beban
melalui rotor.
Gambar 2.1 Penampang stator dan rotor motor induksi tiga fasa
Konstruksi motor induksi pada dasarnya terdiri dari bagian–bagian berikut:
1. Rumah stator (rangka stator) terbuat dari besi tuang.
2. Inti stator terbuat dari besi lunak atau baja silikon.
3. Alur, terbuat dari bahan yang sama dengan inti stator, alur ini merupakan
tempat meletakkan belitan (kumparan stator).
Rangka stator motor induksi didesain sedemikian rupa dengan tujuan yaitu:
1. Menutupi kumparan dan inti
2. Melindungi bagian mesin yang bergerak dari kontak langsung dengan
manusia dan gangguan dari udara terbuka.
3. Meyalurkan torsi ke bagian peralatan pendukung mesin, oleh karena itu
stator didesin untuk tahan terhadap gaya putaran dan goncangan.
4. Berguna sebagai sarana ventilasi sehingga pendinginan lebih efektif.
Ditinjau dari rotornya, motor induksi dibagi 2 yaitu motor induksi rotor
sangkar dan motor induksi rotor belitan. Motor induksi sangkar mempunyai
kecepatan putar dan torsi yang konstan atau sulit diatur, sedangkan motor induksi
rotor belitan mempunyai kecepatan putar dan torsi yang dapat diatur.[4]
Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa. Belitan tiga
fasa pada rotor belitan biasanya tehubung Y, dan masing-masing ujung dari tiga
kawat belitan fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip ring yang terdapat pada
poros rotor. Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan melalui sikat
(a) (b)
Gambar 2.2 (a) Tampilan slip ring rotor belitan
(b) Motor induksi tiga fasa rotor belitan
Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang
konduktor yang disusun sedemikian rupa sehingga menyerupai sangkar. Rotor
terdiri dari tumpukan lempengan besi tipis yang dilaminasi batang konduktor yang
mengitarinya. Alumunium (sebagai batang konduktor) dimasukkan ke dalam slot
dari inti rotor untuk membentuk serangkaian konduktor yang mengelilingi inti
rotor. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang konduktor yang terletak
pada alur-alur sekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya dihubung singkat
menggunakan cincin hubung singkat.
(a) (b)
Gambar 2.3 (a) Motor induksi tiga fasa rotor sangkar
Konstruksi rotor motor induksi terdiri dari bagian–bagian sebagai berikut:
1. Inti rotor, terbuat besi lunak atau baja silikon.
2. Alur, terbuat dari besi lunak atau baja silikon sama dengan inti. Alur
merupakan tempat meletakkan belitan kumparan rotor.
3. Belitan rotor, terbuat dari tembaga.
4. Poros atau as, sebagai penghubung rotor dengan beban.
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 menyebabkan rotor berputar. Celah udara
yang terdapat diantara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga
didapatkan hasil kerja motor yang optimum. Celah udara yang terlalu besar akan
mengakibatkan efisiensi motor menjadi rendah, sebaliknya jika celah udara terlalu
kecil akan menimbulkan kesukaran mekanis dan besar kemungkinan akan terjadi
gesekan antara rotor dan stator.
2.1.2. Prinsip kerja motor induksi
Motor induksi merupakan motor yang bekerja berdasarkan induksi
elektromagnetik. Apabila sumber tegangan 3-fasa dipasang pada kumparan stator
maka akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120 f / p. Medan putar
tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor sehingga dihasilkan
tegangan induksi pada kumparan rotor. Karena kumparan rotor merupakan
rangkaian tertutup, maka tegangan induksi (E) akan menghasilkan arus (I).
Adanya arus (I) di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada
menggerakan rotor, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
Tegangan induksi timbul akibat terpotongnya batang konduktor pada rotor oleh
medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedaan
relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor
(nr). Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (S) dinyatakan dengan
S=(ns – nr)/ ns x 100 %.
2.1.3. Slip
Berubah–ubahnya kecepatan motor induksi (nr) mengakibatkan
berubahnya harga slip dari 100 % pada saat start sampai 0 % pada saat motor
diam (nr = ns ). Hubungan frekuensi dengan slip dapat dilihat sebagai berikut:
Bila f1 = frekuensi jala – jala,
�
�=
120 ��1atau�
1=
��� 120pada rotor berlaku hubungan :
Pada saat start: S = 100 %; f2 = f1
2.1.4. Rangkaian ekivalen motor induksi
Motor induksi 3 fasa mempunyai kumparan stator dan kumparan rotor.
Pada saat rotor berputar tegangan induksi rotor (E2) dan reaktansi motor (X2) turut
dipengaruhi oleh slip. Maka arus pada rotor menjadi:
�
2=
�Dengan demikian rangkaian motor dapat digambarkan seperti pada gambar 2.4
R2
Gambar 2.4Rangkaian ekivalen rotor Per-fasa, (i) Menyatakan persamaan 2.5;
(ii) Menyatakan persamaan 2.6;
Dari rangkaian rotor pada gambar 2.4, perhatikan bahwa:
�22�2= daya yang hilang berupa panas
�22�2� 1−�
� �= daya keluar motor yang diubah menjadi daya mekanik
Kerja motor induksi hampir sama dengan prinsip kerja transformator yaitu
berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Oleh karena itu sebuah motor
induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan rangkaian sekunder yang
berputar. Secara utuh rangkaian ekivalen motor induksi dapat digambarkan seperti
pada gambar 2.5.
Gambar 2.5Rangkaian ekivalen per-fasa motor induksi dengan bagian rangkaian rotor dinyatakan terhadap sisi stator
2.1.5. Daya dan rugi-rugi motor induksi
Motor induksi memiliki rugi-rugi daya karena didalam motor induksi
terdapat komponen resistor dan induktor. Komponen ini terdapat pada belitan
stator dan belitan rotor. Rugi-rugi pada motor induksi ini adalah rugi-rugi
tembaga, rugi inti, dan rugi akibat gesekan dan hambatan angin. Dengan
�1 = 3 �1 �1��� ∅ ... 2.8
Daya yang masuk ke rotor (terdapat celah udara)
�2 = 3 �1 �2′ ��� ∅
Daya keluar rotor (daya mekanik pada rotor termasuk rugi geser dan angin)
�� = 3(�2′)2�2�2� 1−�
� � ... 2.10
Rugi tembaga rotor:��� = 3 (�2′)2�2�
2 ... 2.11
Bila dibuat perbandingan antara ketiga daya tersebut, dengan asumsi
rugi-rugi putar diabaikan, maka dapat dapat dibuat perbandingan sebagai berikut:
�2 ∶ �� ∶ ��� = 1 ∶(1− �)∶ � ... 2.12
Dengan demikian diperoleh cara menghitung yang lebih cepat. Daya keluar motor
dapat juga diperoleh dari daya masuk rotor dikurangi rugi tembaga rotor.
2.1.6. Efisiensi Motor Induksi
Efisiensi motor induksi dapat didefenisikan sebagai perbandingan daya
keluaran motor terhadap daya masukan motor. Secara metematis efisiensi motor
induksi dapat dirumuskan sebagai berikut:
� =�����
Gambar 2.6 Kehilangan daya pada motor
Efesiensi motor induksi dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:[5]
• Usia. Motor baru lebih efisien
• Kapasitas. Sebagaimana pada hampir kebanyakan peralatan, efisiensi
motor meningkat dengan laju kapasitasnya.
• Kecepatan. Motor dengan kecepatan yang lebih tinggi biasanya lebih
efisien.
• Jenis motor. Sebagai contoh, motor sangkar tupai biasanya lebih efisien
daripada motor belitan (cincin geser).
• Suhu. Motor yang didinginkan oleh fan dan tertutup total lebih efisien
daripada motor tanpa pendingin.
• Penggulungan ulang motor dapat mengakibatkan penurunan efisiensi.
Kinerja motor dipengaruhi oleh kualitas daya yang masuk, yang
ditentukan oleh tegangan dan frekuensi aktual dibandingkan dengan dengan nilai
dasar. Fluktuasi dalam tegangan dan frekuensi yang lebih besar daripada nilai
yang diterima memiliki dampak yang merugi pada kinerja motor.
Ketidakseimbangan tegangan bahkan dapat lebih merugikan terhadap kinerja
ini disebabkan oleh perbedaan pasokan tegangan untuk setiap fase dari tiga fase.
Dapat juga diakibatkan dari penggunaan kabel dengan ukuran yang berbeda pada
sistem distribusinya. Contoh dari pengaruh ketidakseimbangan tegangan pada
kinerja motor ditunjukkan pada pada tabel 1.[5]
Tabel 2.1Pengaruh ketidakseimbangan tegangan dalam motor induksi (BEE India, 2004)
Persentase ketidakseimbangan tegangan 0.30 2.30 5.40
Ketidakseimbangan arus (%) 0.40 17.70 40.0
Kenaikan suhu (oC) 0 30 40
Tegangan masing-masing fase pada sistem tiga fase besarnya harus sama,
simetris, dan dipisahkan oleh sudut 120o. keseimbangan fase harus 1% untuk
menghindarkan penurunan daya pada motor dan gagalnya garansi pabrik
pembuatnya. Beberapa faktor dapat mempengaruhi kesetimbangan tegangan:
beban fasa tunggal pada setiap fase, ukuran kabel yang berbeda, atau kegagalan
sirkuit. Ketidakseimbangan sistem meningkatkan kehilangan pada sistem
distribusi dan menurunkan efisiensi motor.Faktor lain yang mempengaruhi kinerja
motor induksi yaitu perubahan besar tegangan dan frekuensi sumber. Menurut
NEMA:[6]
• Penambahan tegangan sebesar 10% dari tegangan nominal pada nameplate
motor akan mengakibatkan peningkatan tempeatur motor pada beban
nominal motor. Jika pengoperasian motor berlangsung lama akan
• Frekuensi yang lebih tinggi dari frekuensi nominal motor biasanya akan
meningkatkan power factor tetapi mengurangi torsi motor, meningkatkan
kecepatan motor, dan gesekan.
Karena perubahan frekuensi dan tegangan berperan dalam meningkatkan
suhu motor pada beban normal, maka frekuensi dan tegangan juga akan
mempengaruhi umur isolasi motor, dan umur pelumas bearing pada rotor.
2.1.7. Desain Motor Induksi Tiga Fasa
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
Gambar 2.8Grafik kecepatan vs torsi
• Kelas A : disain ini memiliki torsi start normal (150 – 170%) dari nilai
ratingnya) dan arus start relatif tinggi. Torsi break down nya merupakan
yang paling tinggi dari semua disain NEMA. Motor ini mampu menangani
beban lebih dalam jumlah besar selama waktu yang singkat. Slip < = 5%
• 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
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 Universitas Sumatera Utara
• 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.
2.2. Pengaturan putaran motor induksi
Motor induksi pada umumnya berputar dengan kecepatan konstan,
mendekati kecepatan sinkronnya. Namun untuk penggunaan tertentu diperlukan
suatu pengaturan agar kecepatan motor induksi dapat diubah-ubah sesuai dengan
kebutuhan. Pengaturan motor induksi memerlukan biaya yang agak tinggi.
Biasanya pengaturan ini dapat dilakukan dengan beberapa cara yaitu dengan
mengubah jumlah kutub motor, mengubah frekuensi jala-jala, mengatur tegangan
2.2.1. Mengubah Jumlah Kutub Motor
Karena �� = 120� �⁄ , maka perubahan kutub (p) atau frekuensi (f) akan
mempengaruhi putaran rotor. Jumlah kutub dapat diubah dengan merencanakan
kumparan stator sedemikian rupa sehingga dapat menerima tegangan masuk pada
posisi kumparan yang berbeda-beda. Biasanya diperoleh dua perubahan kecepatan
sinkron dengan mengubah kutub dari 2 menjadi 4.[3]
2.2.2. Mengubah Frekuensi Jala-jala
Pengaturan putaran motor induksi dapat dilakukan dengan mengubah nilai
frekuensi tegangan. Hanya saja untuk menjaga keseimbangan kerapatan fluks,
perubahan tegangan harus dilakukan bersamaan dengan perubahan nilai frekuensi.
Pengaturan frekuensi ini dapat dilakukan dengan menggunakan inverter.
Tegangan searah yang masuk ke inverter akan diubah menjadi tegangan
bolak-balik. Dengan mempercepat atau memperlambat periode pulsa yang memacu
thyristor, frekuensi dan kecepatan motor dapat diatur.[3]
2.2.3. Mengatur Tegangan Jala-jala
Dari persamaan kopel motor induksi τ~V2 diketahui bahwa kopel
sebanding dengan pangkat dua tegangan yang diberikan. Salah satu pengaturan
tegangan adalah dengan menggunakan thyristor. Penyalaan thyristor dilakukan
dengan perbedaan sudut fasa 120. Dengan mengatur sudut penyalaan terhadap
perpotongan sumbu nol sedemikian rupa akan diperoleh pengaturan antara 0 < V
2.2.4. Pengaturan Tahanan Luar
Tahanan luar dari motor induksi rotor belitan dapat diatur, hal ini
memungkinkan dilakukan karena pada motor induksi rotor belitan terdapat
slipring. Melalui slip ring ini tahanan luar dihubungkan dengan tahan rotor.
dengan demikian dihasilkan karakteristik kopel kecepatan yang berbeda-beda.[3]
2.3.Inverter
Inverteradalah suatu rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan
masukan arus searah (DC) menjadi tegangan keluaran arus bolak-balik (AC).
Tegangan dan frekuensi dapat diatur sesuai yang diinginkan. Pengaturan tegangan
inverter yang umum digunakan adalah dengan metode Modulasi Lebar Pulsa
(Pulse Width Modulation). Inverter yang diatur dengan metode ini selanjutnya
disebut dengan inverter PWM.[7]
Inverter DC-AC sudah banyak digunakan dalam aplikasi industri seperti
Uninterruptible Power Supply (UPS), AC motor drives. Belakangan ini inverter
juga berperan penting dalam berbagai jenis energi terbarukan untuk mengubah
tegangan DCdari energi surya menjadi tegangan AC. PWM sangat berkembang
dan teknik yang sangat berguna dimana dengan teknik ini pulsa gate dari
transistor dikontrol dengan berbagai mekanisme. Inverter biasa mempunyai
tegangan output yang berubah sesuai dengan perubahan beban, dengan
menggunakan inverter PWM hal ini dapat diperbaiki dengan mengubah lebar
pulsa. Keluaran AC bergantung kepada frekuensi pensaklaran dan lebar pulsa.[8]
1. Inverter dengan frekuensi dan tegangan keluar yang konstan CVCF
(Constant Voltage Constant Frequency)
2. Inverter dengan frekuensi dan tegangan berubah-ubah. Umumnya inverter
dengan frekuensi dan tegangan keluaran yang berubah-ubah digunakan
untuk pemakaian khusus, seperti pemakaian pada pompa listrik 3 fasa
dengan menggunakan sumber DC.Inverter Variable SpeedDrive (VSD)
termasuk pada jenis inverter dengan frekuensi dan tegangan berubah.
Dipasaran baik itu inverter tegangan dan frekuensi konstan maupun
inverter tegangan dan frekuensi variabel terdiri dari inverter satu fasa dan tiga
fasa. Untuk penggunaan dalam rumah tangga yang berkapasitas kecil biasanya
menggunakan inverter satu fasa. Untuk penggunaan di industri dan untuk
keperluan interkoneksi Pusat Listrik Tenaga Surya (PLTS) dengan jaringan
digunakan inverter tiga fasa.
2.4. Pembentukan Gelombang AC Pada Inverter
R
Prinsip dasar dari inverter 3 fasa dengan menggunakan switching
transistorPengaturan on-off transistor Tr1 sampai dengan Tr6 dilakukan oleh
pulsa-pulsa trigger A1 sampai dengan A6. Munculnya pulsa-pulsa trigger ini diatur
sedemikian rupa sehingga urutannya mulai dari A1, A2, A3, A4, A5,dan terakhir A6
dengan referensi gambar diatas.
Perbedaan periode A1 ke A2, A2 ke A3, dan seterusnya adalah 60 derajat
elektris, sedangkan periode pada tiap-tiap pulsa itu sendiri (pulsa A1 yang pertama
ke pulsa A1 yang kedua) sebesar 360 derajat elektris. Selain itu waktu kontak (on)
untuk tiap transistor diatur sedemikian rupa yaitu sebesar 180 derajat elektris.
Bentuk pulsa-pulsa A1 sampai A6 dan kondisi on-off Tr1 sampai Tr6 dapat dilihat
pada gambar 2.10.
Penjelasan terjadinya gelombang di titik R, S, T adalah sebagai
berikut:Pada siklus 0 derajat sampai 60 derajat, Tr2, Tr3, dan Tr4 on dan yang
lainnya off. Pada keadaan ini tegangan di titik R = 0, di titik S = Vdc, di titik T = 0.
Demikian pula pada siklus 60 derajat sampai 120 derajat, disini Tr3, Tr4, Tr5 on
dan yang lainya off. Hal ini akan menimbulkan tegangan di titik R = 0, di titik S =
Vdc, dititik T = Vdc. Tegangan antar fasa dari keluaran inverter adalah perbedaan
tegangan antara kaki-kaki dari inverter yang dapat dirumuskan sebagai berikut:
��� = ��− ��
��� =��− ��
Bentuk Vrs, Vst, dan Vtr dapat dilihat pada Gambar 2.11. Pada gambar 2.11 terlihat
bahwa hasil output tegangan Vrs, Vts, dan Vtr, belum berbentuk sinus murni
meskipun sudah tampak merupakan tegangan AC 3 fasa.
Tr1
60o
VRS
VST
VTR
t
t
t
