Motor Induksi Tiga Fasa PDF

Preview

Summary

Chapter5 Three Phase Motor Induction 5.1 Gambaran Umum Ada berbagai macam jenis motor yang digunakan pada dunia industri. Secara umum diklasifikasikan menjadi dua yaitu motor searah dan motor bolak- balik. Pada era sekarang umum dijumpai motor bolak – balik karena mudah dalam mencari sumber tenagany...

Description

Chapter5 Three Phase Motor Induction

5.1

Gambaran Umum

Ada berbagai macam jenis motor yang digunakan pada dunia industri. Secara umum diklasifikasikan menjadi dua yaitu motor searah dan motor bolak- balik. Pada era sekarang umum dijumpai motor bolak – balik karena mudah dalam mencari sumber tenaganya. Untuk motor bolak – balik dapat kita fungsikan dengan menyambungkan langsung ke jala – jala pembangkit listrik Negara. Sedangkan motor searah industri adalah tidak mudah untuk mencari sumber tenaganya, yang biasanya membutuhkan sumber continue sumber listrik searah. Baterai tidak dapat secara langsung digunakan pada motor searah yang membutuhkan tenaga secara berkelanjutan karena nilai kapasitas tegangan yang semakin menurun.

Gb. Klasisfikasi Umum Motor AC

Motor Bolak – balik atau motor AC (alternating current) dapat dibagi menjadi beberapa klasifikasi yaitu motor ac single phase, motor ac polyphase (banyak fase), dan motor universal. Motor single phase banyak digunakan di kebutuhan rumah tangga dengan beragam fungsinya seperti motor pada mesin cuci, motor pada pompa, motor pada fan dan lain – lain. Kesamaannya adalah bisa langsung mendapat sumber dari colokan listrik rumah yang bertegangan 220VAC. Sedangkan motor berkapasitas besar seperti pada industry sering digunakan untuk motor AC polyphase. Motor induksi tiga phase adalah motor yang sering dijumpai di industri. Untuk motor sinkron tidak akan dibahas pada chapter ini karena motor ini dapat kita sebut sebagai generator.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

5.2

Struktur Motor AC

Tiga komponen utama yang langsung dapat kita jumpai di motor ac adalah stator (bagian yang diam), rotor (bagian yang bergerak), dan penutup (enclosure).

Gb. Struktur Umum Motor AC: Siemens

Stator Bagian yang diam di dalam motor. Stator merupakan inti besi terlaminasi yang dijadikan satu dan membentuk lingkaran yang berlubang. Gulungan kawat yang terlapisi (email) dimasukan kedalam slot inti stator.Gulungan – gulungan ini akan dihubungkan dengan sumber aliran listrik.

Gb. Stuktur Stator

Rotor Adalah bagian yang bergerak di dalam motor. Jenis yang umum untuk rotor adalah bentuk kandang tupai (Squirell cage). Terdiri dari besi yang tersusun terlaminasi dan batang konduktor disekelilingnya. Laminasi disusun menjadi satu menjadi inti rotor. Arus akan mengalir ke batang konduktor dalam bentuk electromagnet. Inti rotor dipasang sebuah steel shaft untuk dihubungkan menjadi penggerak luar.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Gb. Stuktur Rotor

Enclosure Enclosure terdiri dari frame dan dua rumah bearing. Stator dimasukan kedalam frame dan rotor di dalam stator dengan celah udara (air gap) diantaranya yang memisahkan dua bagian tersebut.Tidak ada kontak langsung antara rotor dan stator. Selain menjadikan komponen – komponen itu menjadi satu enclosure berfungsi sebagi pelindung bagian elektris dan mekanis di dalam motor dari kondisi lingkungan yang berbahaya ketika beroperasi. Bearing juga diletakan pada poros untuk menyangga rotor dan supaya rotor juga bisa berputar.Sebuah kipas juga diletakan pada poros sebagai pendingin.

Gb. Enclosure

Support Bagian yang berfungsi untuk membantu fungsi motor secara tidak langsung. Yaitu box conduit dan eye bolt. Box conduit adalah tempat untuk mengubungkan sumber daya listrik ke lilitan stator. Biasanya motor dikonfigurasi menjadi rangkaian star atau delta dapat disetting di box conduit. Eye bolt adalah bolt yang digunakan sebagai pembantu jika motor akan diangkat dengan crane. Hal ini untuk mencegah kerusakan pada motor.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

5.3

Prinsip Operasi Motor Induksi

Prinsip Elektromagnet Pada motor digunakan untuk mengubah aliran listrik menjadi magnet. Sebuah lilitan yang dialiri aliran listik maka akan dihasilkan flux magnet disekitar lilitan. Flux ini akan semakin kuat bila ditambahkan inti besi lunak kedalam lilitan. Arah flux dapat kita ketahui dengan aturan tangan kiri. Semakin banyak lilitan maka flux magnet yang ditimbulkan juga semakin besar. Polaritas dari inti besi yang dililit kumparan ini dap at kita ubah dengan cara mengubah arah arus.

Gb. Arah kutub pada kumparan inti besi lunak yang dialiri arus listrik

Medan Listrik yang Berputar Sumber listrik yang dipakai motor induksi berkerja adalah sumber listrik ac. Sehingga pada motor induksi akan terjadi pembalikan arah kutub secara otomatis. Pada kasus ini akan dibahas cara kerja motor tiga phase. Bada ilustrasi dibawah diketahui hubungan antar koil. Contoh 6 koil yang digunakan dua koil masing – masing terhubung pada salah satu fasa. Koil yang dimaksud adalh lilitan pada stator. Masing – masing lilitan menjadi electromagnet yang terpisah. Pada koil digulung sedemikian rupa sehingga satu koil menjadi satu kutub dan koil satunya menjadi kutub kebalikannya. Contoh A2 menjadi kutub utara sedang A2 menjadi kutub selatan. Masing – masing lilitan : A,B,C terhubung dengan masing – masing fasa : R,S,T.

Gb. Susunan Koil Stator

Setiap liltian terpisah 1200. Jumlah pole ditentukan dari berapa banyak lilitan fasa muncul. Pada contoh di atas satu fase muncul dua kali (A1 dan A2) . Ini merupakan dua pole stator. Jika masing – masing gulungan muncul empat kali maka disebut empat pole stator.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction Start

Gb. Pada Saat 00

Terlihat pada gambar bahwa A tidak arus yang mengalir, B dialiri arus berarah negative dan C dialiri arah arus positive. B1 dan C2 menjadi kutub selatan dan B2 dan C1 menjadi kutub utara. Garis magnetic flux meninggalkan B2 kutub utara menuju kutub selatan terdekat yaitu C2. Flux magnet juga meninggalkan C1 kutub utara menuju kutub selatan terdekat yaitu B1. Maka resultan dari medan magnetic ditunjukan oleh arah panah diatas. Time 1 (600)

Gb. Pada Saat 600

Jika arus dilanjutkan sejauh 600 dari titik referensi awal, maka dapat terlihat medan juga berputar 600. Pada time 1 C tidak ada arus yang mengalir, phase A mengalir aliran arus arah positvi dan B mengalir aliran arus arah negative. Mengikuti logika yang sama dengan di awal maka lilitan A1 dan B2 adalah kutub utara sedangkan A2 dan B1 adalah kutub selatan.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction Time 2 (1200) Pada time 2 medan magnet akan berputar lagi sebesar 600. Fasa B tidak ada arus yang mengalir. Walaupun arus berkurang di fasa A akan tetapi arus masih mengalir ke arah positif. Fasa C sekarang mengalir kea rah negative yang awalnya mengalir ke arah positive. Arah arus berubah di C menyebabkan juga polaritas menjadi terbalik.

Gb. Pada Saat 1200

Time 3 (1800) – Time 6 Pada saat 6 kali interval waktu medan magnet akan selesai berputar satu kali. Proses ini akan berulang 60 kali setiap detik pada tegangan dengan frekuensi 60Hz.

Gb. Medan magnet berputar satu kali putaran penuh



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Kecepatan Sinkron (Syncronous Speed) Adalah kecepatan dari medan magnet yang berputar (Ns). Dapat didefiniskan sebagai 120 kali frequency (F) dibagi dengan jumlah pole. 𝑁𝑠 =

120𝐹 𝑃

Dari persamaan ini terlihat bahwa semakin banyak pole maka kecepatan sinkronnya semakin rendah. Dengan kata lain jika dihubungkan dengan cara gerak motor induksi ac 2 pole : 6 gulungan dengan satu pasang gulungan berselisih 1200 membutuhkan 6 kali periode, maka 4 pole 12 gulungan dengan satu pasang gulungan berselisih 600 membutuhkan 12 kali periode.

Gb. Motor Tiga fasa 2 pole dan motor tiga fasa 8 pole

No pole 2 4 6 8 12

of Syncronous speed 50Hz 3000 1500 1000 750 500

Syncronous speed 50Hz 3600 1800 1200 900 600

Tabel 5.1 Tabel kecepatan Sinkron pada frekuensi 50 dan 60 Hz

Tegangan Induksi Elektromagnet Rotor kandang tupai sebenarnya berperan sama sebagai magnet. Ketika daya diaplikasikan pada stator, arus mengalir melalui lilitan, menyebabkan medan electromagnet memotong batang – batang dari rotor yang biasanya terbuat dari batang kondukstif almununium. Ketika pada konduktor, seperti batang pada rotor, dilalui tegangan medan magnet (magnetic field of voltage,emf) diinduksi melaluinya, maka ada arus yang batang rotor dan mengelilingi cincin luar. Arus yang mengalir pada batang konduktor menghasilkan medan magnet mengelilingi setiap batang rotor. Sebut saja Arus pada AC secara terus menerus berubah arah dan amplitudenya.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Resultan dari medan magnet yang ditimbulkan rotor dan stator secara terus menerus berubah. Rotor kandang tupai menjadi electromagnet menjadi kutub utara dan selatan.

Gb. Medan magnet stator menginduksi rotor

Gb. Induksi pada rotor menghasilkan medan magnet

Pada ilustrasi dibawah menunjukan arus yang mengalir pada lilitan A1 menghasilkan kutub utara. Medan magnet berpotongan dengan batang rotor yang dibuat agak diagonal menimbulkan induksi tegangan. Resultan dari medan magnet pada rotor menjadi kutub selatan. Ketika ada dua flux yang berinteraksi yaitu pada stator dan rotor (tarik menarik) maka timbul torsi yang menyebabkan rotor berputar. Sehinggan sebagaimana medan magnet stator berputar begitu pula rotor mengikuti.

Gb. Reaksi medan magnet pada stator dan rotor yang menimbulkan polaritas yang tarik menarik

Gb. Torsi yang terbangkit pada rotor



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Slip Motor AC yang kita ketahui juga bisa disebut motor asinkron. Disebut asinkron karena field rotor tidak secara tepat bergerak secara bersamaan dengan gerakan sinkron.Di motor AC torsi dan kecepatan dibangkitkan dari interaksi antara rotor dan medan stator yang berputar. Medan magnet yang terbangkit pada rotor akan berusaha mensejajarkan dengan medan stator yang berputar. Pada operasi sebenarnya kecepatan dari rotor akan bergerak lebih lambat daripada kecepan sinkron/ kecepatan putar medan stator. Hal ini menyebabkan medan magnet dari rotor memotong medan magnet stator dan menghasilkan torsi. Perbedaan antara kecepatan medan stator dan rotor adalah slip yang diukur dengan %. Slip adalah kunci utama untuk menghasilkan torsi. Semakin besar beban maka torsi dibutuhkan semakin besar maka semakin besar pulalah slip. %𝑠𝑙𝑖𝑝 =

𝑁𝑆 − 𝑁𝑅 × 100 𝑁𝑆

Dimana : NS : Kecepatan Sinkron (RPM) NR : Kecepatan rotor beban penuh (RPM)

5.4

Tenaga dan Torsi Motor

Torsi adalah gaya dibutuhkan untuk memutar suatu mekanik. 𝜏 = 𝐹. 𝑟

 : torsi (Nm atau lbf) F : Gaya (N atau lb) R : diameter yang tegak lurus dengan gaya (m atau feet) Dari formula ini dapat dilihat, torsi yang dihasilkan semakin besar bila lengan gaya (r ) semakin besar. Misal diketahui gaya yang diberi adalah 10N dan jarak tuas (gaya yang diberi – titik pivot) adalah 1m. Maka torsi yang timbul dari gaya tersebut adalah 10Nm. Jika kita menambah panjang tuas 2x menjadi 2m maka torsi yang dihasilkan adalah 20Nm. Analogi : untuk memutar baut pada ban mobil lebih mudah menggunakan kunci t yang panjang daripada yang pendek. Dalam hal motor maka torsi adalah suatu nilai yang sudah ada pada katalog motor. Maka untuk menentukan berapa KW atau besar motor yang dipakai maka harus dihitung torsi yang diperlukan untuk menggerakan sistem. Usaha adalah perkalian antara gaya dan jarak. Untuk pergerakan linear, daya adalah usaha per satuan waktu. Untuk motor dapat didefiniskan sebagai : 𝑃𝑜𝑤𝑒𝑟 =



𝑇𝑜𝑟𝑞𝑢𝑒 . 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡

PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Atau dapat didefinisikan sebagai : 𝑃=

𝜏. 𝑛 9550

𝑃=

𝜏. 𝑛 5250

Dimana : P : Daya motor (KW)  : Torsi motor (Nm) N : Kecepatan putar motor (RPM) Atau dalam satuan British

Dimana : P : Daya motor (Hp)  : Torsi motor (lb-ft) N : Kecepatan putar motor (RPM) Analogi untuk torsi, dengan yang sama ketika akan membuat lobang dengan diameter yang kecil maka dibutuhkan kecepatan putar yang tinggi sedang torsi kecil. Dengan daya yang sama untuk membuat lobang dengan diameter besar maka dibutuhkan torsi yang besar sehingga kecepatan diset rendah. Torsi yang terbangkit pada motor dipengaruhi beberapa hal yaitu arus rotor dan besar medan magnet pada stator. Sedang gaya dari medan magnet juga dipengaruhi desain dan material dari stator itu sendiri. Meskipun frekuensi dan tegangan secara tidak langsung mempengaruhi torsi. Hubungan antara tegangan dan torsi adalah fungsi kuadrat. Misal ketika tegangan drop 2% (dalam batas toleransi rating voltage) maka torsi akan turun 4%.

Gb. Grafik torsi dengan tegangan



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Ketika sebuah motor menggerakan pompa atau menggerakan konveyor, besar daya adalah bukan variable yang tepat untuk memilih sebuah motor. Ketika pompa menyedot atau sebuah konveyor berjalan maka sistem dibutuhkan torsi. Torsi inilah yang digunakan sebagai referensi untuk memilih motor yang tepat.

Gb. Kurva torsi – kecepatan motor induksi

Starting Torque / Locked Rotor Torque Torsi dibangkitkan ketika daya diaplikasikan pada motor. Ketika motor hidup pada tegangan dan frekuensi rating dan shaft terkunci pada posisinya. (dari diam). Torsi ini yang digunakan untuk memulai mempercepat beban yang dikopling pada motor. Torsi yang ditimbulkan 150% sampai 200% dari torsi beban penuh (full load torque) tergantung tipe motor. Accelerating Torque dan Breakdown Torque Gaya tarik menarik yang ditimbulkan medan magnet dari stator yang berputar menyebabkan rotor akan berakselerasi. Sebagimana motor mempercepat lajunya maka torsi akan sedikit menurun sampai titik terendah sebelum mencapai breakdown torque. Pada saat kondisi ini maka disebut breakdown torque atau pull out torque. Saat kecepatan meningkat maka torsi akan naik hingga 200-300% tergantung rating dan class motor. Jika motor dibebani diaitas kapasitas torsi ini, motor akan diam (stall) atau akan berjalan pelan pada titik ini. Pada titik ini disebut breakdown torque atau bisa disebut pull out torque. Beberapa katalog menyebutkan untuk pull up torque disebutkan sama dengan locked rotor torque seperti pada motor Danfoss. Full Load Torque Setelah kondisi pull out tercapai maka torsi akan menurun secara drastis sebagaimana kecepatan naik, sampai titik dimana torsi mencapai full load torque pada kecepatan kurang dari 100% kecepatan sinkron (slip). FLT adalah torsi yang dibangkitkan motor saat beroperasi pada rated voltage, frekuensi, dan beban nominal.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Arus awalan dan Arus beban penuh Arus awalan (starting current) dapat disebut juga locked rotor current, dan diukur terminal inputan motor pada saat motor berhenti dan akan berjalan. Arus beban penuh (full load current) adalah arus yang diukur dari terminal inputan motor saat tegangan, frekuensi, beban, dan kecepatan nominal. Starting current biasanya 300% - 650% dari arus beban penuh.

Gb. Kurva Starting dan full load current

Karekteristik beban pada torsi Sebuah pemilihan motor dikatakan tepat apabila dioperasikan pada torsi rata – rata (rated torque) pada kecepatan rata – rata (rated speed). Maka motor akan memberikan daya dan arus sesuai rating. Karekteristik dari torsi dari mesin atau sistem yang dikendalikan dapat dilihat dari kurva karekteristik bebannya. Hal ini sangat berpengaruh pada motor yang akan dipakai. Beban atau mesin yang akan dikendalikan adalah seperangkat mekanik yang akan membentuk dimensi suatu material, seperti mesin bubut, mesin milling, mesin press, calenders, mesin sentrifugal. Akan tetapi ada juga sistem konveyor seperti crane, belt konveyor, mekanik pemindah. Lebih jauh lagi pompa dan kipas (fans) dapat dikombinasi dalam satu grup. Di dalam sistem dan permesinan yang komplek seperti rolling mills atau mesin pembuat kertas, sistem dibagi menjadi beberpa bagian dan masing – masing motor berfungsi dan diteliti secara berbeda. Detail dari mesin yang akan digerakan tersebut umumnya tidak memperhatikan motor manakah yang perlu dipakai. Biasanya dapat secara akurat dijelaskan dengan karakteristik torsi, kecepatan sebagai fungsi dari waktu, maksimum percepatan dan perlambatan yang diperbolehkan sistem dan momen inersia relative kepada poros pengendali. Karakter dari mesin tersebut umumnya berbeda saat tanpa beban dan beban penuh. Momen inersia yang diperlukan juga bisa berbeda, tergantung pada pemrosesan material apakah bebannya banyak atau sedikit. Untuk dimensi dari motor dan verifikasi dari awalan dan breaking cycles, sifat dari torsi beban yang diperlukan mesin sebagi fungsi kecepatan sangat lah diperlukan.



PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

Penggerak mesin apapun diperlukan torsi yang akan dibangkitkan dari motor yang umumnya tergantung pada kecepatan. Hal itu dapat disebut steady-state torque yang tergantung pada teknologi prosesnya. Umumnya motor akan bergerak melawan arah yang diperlukan mesin bergerak, kecuali mekanisme lifting pada saat penurunan, dimana bergerak searah dengan gerakannya. Sebagai tambahan percepatan dan perlambatan torsi ketika kecepatan berubah. Hal itu ditentukan oleh momen inersia. Karakterisitk beban torsi biasanya sejenis dan dapat dijelaskan sifat – sifat tertentunya. Torsi Konstan berbanding kecepatan Contoh beban mekanik yang membutuhkan torsi yang konstan : -

Mekanik lifting, elevator, winches Peralatan permesinan yang membutuhkan gaya potong yang konstan Sabuk konveyor, feed motors Grinders without fan action Pompa piston dan compressor dengan tekanan yang konstan Roller Mills Bagian dari sherars (pemotong) dan puches Plaers

Torsi Bertambah proporsional dengan kecepatan Contoh beban mekanik : -

Calenders, ekstruder Paper and textile glazing Edd-current brakes

Torsi Bertambah dengan proporsional kuadrat kecepatan Contoh beban mekanik : -

Blowers dan semua jenis fans Propellers Pompa sentrifugal Stirring apparatus Vehicles

Karakteristik dari Torsi ini perlu diketahui untuk menentukan waktu penyalaan motor (starting time). Starting Time adalah sebuah fungsi dari torsi beban, inersia dan torsi dari motor. Sebagaimana diketahui arus penyalaan beberapa kali lebih besar daripada arus normal. Akibat dari waktu penyalaan yang terlalu lama akan menyebabkan meningkatnya temperatur pada motor dan juga menyebabkan tekanan elektromekanik pada motor. Lamanya waktu penyalaan bisa disebabkan beban yang digerakan motor dari posisi diam hingga bergerak. Seperti yang diketahui torsi terbesar pada saat beban dari diam menjadi bergerak. Oleh sebab itu torsi motor pada saat breakdown harus lebih besar dari beban saat waktu transien (diam lalu bergerak). Selain itu waktu yang diperlukan untuk berakselarasi menuju keadaan stabil bergerak (steady state) harus lebih kecil daripada waktu penyalaan. 

PSGC Mechatronic Department | INSTRUMENTASI INDUSTRI

Chapter5 Three Phase Motor Induction

5.5

Desain Elektrik<...