Pertemuan
Ke – 12
Contoh Aplikasi
STUDI PENGEREMAN MOTOR INDUKSI TIGA PHASA SEBAGAI
PENGGERAK ELEVATOR DI MENARA PEMBUTIR UREA PT. PUSRI PALEMBANG
Sistem pengereman merupakan hal penting pada suatu motor, pada elevator di menara pembutir urea PT. PUSRI sistem pengereman yang dipergunakan masih menggunakan sistem mekanik. Dengan sistem pengereman yang menggunakan reangkaian elektronika diharapkan akan tercapai pengereman yang lebih soft dengan pemberian arus DC sebesar 23,2 Ampere yang akan menghasilkan torka sebesar 8,2087 Nm.
1. PENDAHULUAN
Penggunaan motor-motor listrik dalam dunia industri banyak pengaruhnya dalam proses produksi. Dari berbagai jenis motor listrik yang ada, motor induksi adalah yang paling banyak digunakan. Hal ini dikarenakan motor jenis ini banyak memiliki keuntungan seperti :
• Konstruksi yang sederhana dan kokoh sehingga hampir tidak dapat dirusak [1].
• Harganya rendah dan dapat diandalkan serta memiliki effisiensi yang cukup tinggi [1].
• Perawatannya mudah.
Salah satu penggunaan motor induksi pada industri adalah sebagai penggerak elevator. Inilah yang merupakan latar belakang mengapa PT. PUSRI Palembang menggunakan motor induksi sebagai penggerak elevator yang ada pada menara pembutir urea. Akan tetapi sistem pengereman yang digunakan masih termasuk yang konvensional, padahal sistem pengereman merupakan salah satu hal penting yang harus dipenuhi pada suatu elevator .Karena hal ini merupakan faktor keamanan dan kenyamanan dari elevator tersebut.
2. Motor Induksi Tiga Phasa
Motor induksi tiga phasa merupakan salah satu dari beberapa jenis motor induksi yang bekerja berdasarkan prinsip elektromagnetik. Sesuai dengan konstruksi kebanyakan motor pada umumnya, maka motor ini juga terdiri dari dua bagian yaitu :
a. Stator (bagian yang diam) b. Rotor (bagian yang berputar) [4]
Sesuai dengan namanya, arus ataupun tegangan pada bagian yang berputar bukan dihasilkan dari sumber tertentu tetapi merupakan arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar yang dihasilkan oleh stator.
Bagian yang diam dihubungkan dengan suatu sumber tegangan tiga phasa dan akan menghasilkan medan magnet yang berputar dengan kecepatan sinkron. Medan putar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor yang
mengakibatkan timbulnya tegangan induksi, karena merupakan rangkaian tertutup maka di dalam konduktor akan mengalir arus listrik. Adanya arus listrik di dalam medan magnet mengakibatkan rotor menerima gaya Lorentz [4]. Bila kopel mula yang dihasilkan pada rotor cukup besar untuk memikul beban, rotor akan berputar.
Berdasarkan jenis konsruksinya , motor induksi dibedakan menjadi dua jenis yaitu :
1. Motor induksi rotor belitan
Tipe ini rotornya mempunyai belitan rotor yang sama seperti kumparan statornya, sedangkan konstruksi stator pada umumnya sama dengan konstruksi stator motor induksi rotor sangkar.
2. Motor induksi rotor sangkar
Tipe ini bentuk rotor yang terdiri dari batangan-batangan konduktor yang disusun menyerupai sangkar tupai.
2.1. Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Phasa
Jika sumber tegangan tiga phasa dipasang pada kumparan stator maka akan timbul medan putar yang memotong batang konduktor pada rotor sehinggga mengakibatkan timbulnya tegangan induksi pada kumparan rotor. Karena kumparan rotor adalah merupakan rangkaian tertutup maka akan timbul gaya gerak listrik yang menghasilkan arus dan akan menimbulkan gaya pada rotor. Besarnya tegangan yang diinduksikan dalam kumparan dengan N lilitan : E = ω.N ωmaks . Cos ωt ………… (1) = Emaks . Cos ω t ………… (2) dimana : Emaks. = ω . N ω maks ω = 2 . π . f maka : E = 2 . π . f . ω maks ………… (3)
Dalam perhitungan untuk arus bolak-balik stasioner yang digunakan adalah harga akar rata-rata kuadrat (rms) dari harga maksimum tegangan dan arus yang besarnya adalah 1/ 2 harga maksimum. Sehingga harga rata-rata akar
kuadrat tegangan yang terinduksi adalah : Erms = ( 2π / 2 ) . f . N . ωmaks
= 4,44 . f . N . ω maks ………… (4)
Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban maka rotor akan berputar searah daengan medan putar stator. Agar terinduksi diperlukan adanya perbedan relatif antara kecepatan putar medan stator dengan medan putar rotor. Bila kecepatan medan putar stator sama dengan sama dengan kecepatan medan putar rotor maka tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidakakan mengalir pada kumoaran jangkar sehingga dengan demikian tidak dihasilkan kopel.
2.2. Slip
Slip merupakan perbedaan relatif kecepatan antara kecepatan putar rotor (nr)
dengan kecepatan putar stator (ns). Sehingga dirumuskan sebagai berikut :
100 x n n n s s r s− = % ………… (5)
Perubahan kecepatan motor induksi mengakibatkan berubahnya harga slip dari 100 % pada saat mula (start) sampai 0 % pada saat diam (ns = nr).
Hubungan frekuensi dengan slip dapat dillihat sebagai berikut : P f ns =120 . 1 atau 120 . 1 s n P f = …………(6)
Sedangkan pada rotor berlaku hubungab sebagai berikut P: 120 ) ( 2 r s n n P f = − ………… (7)
s r s s n n n x n P f ( ) 120 . 2 − = ………… (8) dan karena x100 n n n s s r s− = %
terlihat bahwa pada saat start dan rotor belum berputar, frekuensi pada stator dan rotor sama. Dalam keadaan rotor berputar, frekuensi arus rotor dipengaruhi oleh slip. Karena tegangan induksi dan kumparan rotor merupakan fungsi frekuensi, maka harganya dipengaruhi oleh slip juga. Dengan demikian dapat dilihat hubungan sebagai berikut [4]:
E2 = 4,44 . f . N . ω maks (tegangan induksi pada saat diam) ………… (9)
E2s = 4,44 . sf . N . ω maks (tegangan induksi pada saat berputar) ….. (10)
E2s = s . E2 ………… (11)
2.3. Torka
Torka yang terjadi pada motor induksi sebanding dengan hasil kali dari fluks per kutub dengan arus pada stator. Akan tetapi perlu juga diperhatikan faktor daya dari rotor. Sehingga persamaannya adalah [4] :
T ∝φ I2 cos φ 2 atau
T = k φ I2 cos φ 2 ………… (12)
Dimana :
I2 = arus rotor pada kondisi diam
φ 2 = sudut antara tegangan induksi rotor dengan arus rotor
k = suatu konstanta
Dari persamaan diatas pada kondisi diam ditunjukkan oleh E2 ∝ φ . Maka
persamaan diatas menjadi : T ∝ E2 I2 cos φ 2 atau
T = k1 E2 I2 cos φ 2 ………… (13)
Dari pernyataan diatas jelas bahwa φ 2 meningkat (cos φ menurun) maka torka
pun akan menurun begitu pula sebaliknya bila φ 2 menurun maka torka akan
tegangan pada rotor, slip yang ada pada motor, tahanan dan reaktansi rotor serta ) 14 ( ... ... sX R R sE N 2 3 T 2 2 2 2 2 2 2 2 S S 2 + π =
kecepatan motor. Maka persamaan torka pada kondisi berjalan adalah :[1] 2.4. Pengereman Motor
Pengereman yang ada pada motor dapat digolongkan menjadi dua yaitu :[5] 1. Pengereman mekanik
2. Pengereman elektris
Untuk lebih jelasnya akan dibahas satu persatu yaitu : 1. Pengereman mekanik
Pengereman mekanik sering disebut juga dengan pengereman elektromagnetik yaitu pada saat terhubungnya motor dengan jala-jala atau motor diputus dari tegangan jala-jala, kumparan solenoid akan kehilangan sifat magnetnya yang mengakibatkan terjadinya pengereman karena adanya massa pemberat yang dipasang pada ujung tangkai rem yang bekerja menarik ban rem. Penggerak rem ini bermacam-macam salah satunya adalah secara hidrolik yang menggunakan tekanan minyak yang dipompa. Cara ini merupakan prinsip kerja dari rem yang sering dipakai oleh pesawat pengangkut dan alat-alat berat.
2. Pengereman elektris
Pengereman elektris ini ada beberapa macam yaitu : a. Pengereman regenerative
Motor dikatakan regenerative bila motor tersebut berubah kerja sebagai gererative dan mengembalikan tenaganya pada jala-jala. Keadaan ini dapat terjadi bila :
• Tegangan jala-jala menjadi turun • Motor mengalami eksitasi lebih
• Putaran motor lebih tinggi dari kecepatan kondisi tanpa beban
Dalam ketiga kondisi diatas arus phasa kumparan jangkar akan terbalik hingga menghasilkan momen pengereman motor dimana sampai tercapai suatu harga yang sama dari ggl lawannya dan tegangan jala-jala. Pengereman regeneratif tidak akan menghentikan putaran motor dan hanya efektif untuk menahan putaran motor akibat beban.
b. Pengereman dengan pembalikan phasa
Dengan membalik dua terminal phasa motor dan menukar satu sama lain dan diperoleh pembalikan momen putar motor yang akan memperlambat putaran motor. Akan tetapi harus diperhatikan bahwa untuk maksud pengereman, maka pada saat arah putaran medan magnetik motor mendadak terbalik, motor diputus dari jala-jala sebelum motor dapat mulai bekerja pada arah yang lain.
c. Pengereman dinamis
Pengereman ini dilakukan dengan cara memutuskan dua buah terminal phasa motor dari jala-jala dan lalu dihubungkan dengan sumber DC tegangan rendah. Biasanya sumber DC diperoleh dari suatu semi konduktor rectifier yang terhubung dengan jala-jala melalui suatu transformator. Arus DC yang dihubungkan pada kumparan stator akan menghasilkan suatu medan statis. Maka dalam rotor akan diinduksikan suatu gaya gerak listrik E, arus induksi I yang berbanding lurus dengan putaran n. Torka yang dihasilkan sebanding dengan arus I dan fluks φ . T ≈ Iφ ≈ n maka T≈ n
3. Analisa Pengereman
Sebelum memulai analisa pengereman yang ada pada penggerak elevator tersebut ada baiknya ditinjau dulu data dan perhitungan dari motor induksi yang dipergunakan.
Kecepatan : 920/175 rpm Frekuensi : 50 Hz Kutub : 6/24
Arus full load : 11,6 Ampere Tegangan : 440 volt Daya keluaran : 5,5 KW Tahanan (R2) : 0,06 ohm
Reaktansi (X2) : 0,26 ohm
3.2. Perhitungan Slip
Untuk kecepatan perlu dicari pada 6 dan 24 kutub yaitu :[1]
rpm n P f n s s 1000 6 50 . 120 . 120 = = =
Sedangkan untuk 24 kutub :
rpm n P f n s s 250 24 50 . 120 . 120 = = =
Dengan demikian dapat dicari slip motor pada 6 kutub yaitu :
08 , 0 % 100 1000 920 1000 % 100 = − = = − x s x n n n s s r s
3 , 0 % 100 250 175 250 % 100 = − = = − x s x n n n s s r s
Dari hasil perhitungan slip tersebut terlihat bahwa semakin banyak kutub yang berarti kecepatan makin rendah maka slip yang dihasilkan akan semakin besar. Torka juga dipengaruhi oleh tegangan yang masuk pada rotor (E2) sehingga
perlu dicari juga berapa tegangan tersebut :
Untuk 6 kutub yaitu : E2S = s . E2
= 0,08 . 440 = 35,2 volt
sedangkan untuk 24 kutub : E2S = s. E2
= 0,3 . 440 = 132 volt
semuanya dengan asumsi E1 = E2.
Tahanan pada 6 kutub : R2S = s . R2
= 0,08 . 0,06 = 0,0048 ohm Reaktansinya adalah :
X2S = s . X2
= 0,08 . 0,26 = 0,0208 ohm Pada kutub 24 kutub :
R2S = s . R2
Reaktansinya adalah : X2S = s . X2
= 0,3 . 0,26 = 0,078 ohm
Dari hasil perhitungan di atas maka dapat dihitung persamaan torka pada kondisi berjalan dengan persamaan 13
Torka untuk 6 kutub yaitu
Nm 487 , 0 ) 0208 , 0 ( ) 06 , 0 ( ) 06 , 0 ( ) 2 , 35 ( 1000 2 3 sX R R sE N 2 3 T 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 S S 2 = + π = + π =
Sedangkan untuk 24 kutub :
Nm 313 , 12 ) 078 , 0 ( ) 06 , 0 ( ) 06 , 0 ( ) 132 ( 250 2 3 sX R R sE N 2 3 T 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 S S 2 = + π = + π = 3.3. Analisa Pengereman
Sistem pengereman yang dipergunakan adalah sistem pengereman mekanik dengan magnetik. Sistem ini tidak soft (lembut) sehingga dirasakan guncangan oleh penumpang. Hal ini dapat dilihat dari harga torka pada saat kondisi jalan seperti perhitungan di atas.
Pengereman ini memiliki kelemahan : • Terjadi hentakan dan tidak lembut • Sepatu rem yang digunakan mudah aus • Perawatannya lebih intensif.
•
Adapun kelebihannya adalah :
• Tidak perlu menghilangkan energi panas pada motor selama waktu pengereman
Pengereman yang baik memiliki diagram sebagai berikut :
Sehingga untuk mencapai diagram pengereman di atas diperlukan suatu alat bantu yang memperbaiki dari sistem pengereman yang dipergunakan. Sistem pengereman yang disarankan adalah dengan injeksi arus searah atau DC ke stator.
Pengereman ini memiliki banyak keuntungan diantaranya adalah: • Tidak adanya gesekan
• Tidak diperlukan perawatan yang berlebihan • Dapat diatur penghentiannya
• Pengeremannya lebih lembut (soft)
Namun demikian masih ada kekurangan yang dirasakan yaitu : • Tidak dapat bekerja dalam kondisi kekurangan daya
• Terjadi penambahan panas yang harus dihilangkan pada motor • Tidak dapat berfungsi sebagai pencengkeram.
Berapa besarnya arus DC yang harus diinjeksikan adalah dua sampai tiga kali dari arus beban penuh (full load) dari motor [3]. Sedangkan torka yang terjadi yaitu : 2/3 dari torka motor.[3] Sehingga arus yang diinjeksikan yaitu :
NS T0 T1 T2 Waktu (detik) Gambar 2. Diagram pengereman [3]
IDC = 2 x IFL
= 2 x 11,6 = 23,2 Ampere
Torka yang perlu dihitung yaitu pada kondisi 24 kutub yaitu : TPengereman = 2/3 x TP24
= 2/3 x 12,313 Nm = 8,2087 Nm.
Dari hasil pembahasan tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa bentuk pengereman alternatif lain yaitu pengereman dinamis dengan injeksi arus DC yang akan membentuk torka untuk melawan torka yang ada pada motor. Untuk membantu pengereman pada motor penggerak elevator di menara pembutir urea arus yang diinjeksikan adalah sebesar 23,2 Ampere sehingga torka yang terbentuk yaitu sebesar 8,2087 Nm.
