MOTOR INDUKSI TIGA PHASA

Ir. H. SUTEDJO ABDURRAHMAN, MT

MOTOR INDUKSI TIGA PHASA-. Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor. -. Motor induksi merupakan motor yang paling banyak kita jumpai dalam industri.

Konstruksi motor tiga phasa

Bagian Motor Induksi Tiga Phasa

Stator-. Stator adalah bagian dari mesin yang tidak berputar dan terletak pada bagian luar. Dibuat dari besi bundar berlaminasi dan mempunyai alur alur sebagai tempat meletakkan kumparan.

Rotor -. Rotor sangkar Adalah bagian dari mesin yang berputar bebas dan letaknya bagian dalam. Terbuat dari besi laminasi yang mempunayi slot dengan batang alumunium / tembaga yang dihubungkan singkat pada ujungnya.

Rotor Sangkar

Konstruksi rotor sangkar ( squarrel-cage rotor )

Rotor kumparan ( wound rotor ) Kumparan dihubungkan bintang dibagian dalam dan ujung yang lain dihubungkan dengan slipring ke tahanan luar. Kumparan dapat dikembangkan menjadi pengaturan kecepatan putaran motor. Pada kerja normal slipring hubung singkat secara otomatis, sehingga rotor bekerja seperti rotor sangkar.

Jenis Rotor Belitan

Konstruksi rotor kumparan ( wound rotor ).

Keuntungan motor tiga phasa-.Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila motor dengan rotor sangkar. -. Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi. -. Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan kecil. -. Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan motor hampir tidak diperlukan.

KERUGIAN PENGGUNAAN MOTOR INDUKSI Kecepatan tidak mudah dikontrol Power faktor rendah pada

beban ringan Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal

PRINSIP KERJA MOTOR (Gaya Lorentz)F = Gaya B = Kerapatan fluks I = Arus L = Konduktor

Arus listrik (i) yang dialirkan di dalam suatu medan magnet dengan kerapatan Fluks (B) akan menghasilkan suatu gaya Sebesar:

Nilai F Dipengaruhi Banyaknya Lilitan ( N )

Linear Motor

Prinsip kerja 3 Phasa1. Bila sumber tegangan tiga phasa dipasang pada kumpara stator, maka pada kumparan stator akan timbul medan putar 120 f dengan kecepatan n = ns = kecepatan sinkron P

120 f ns = P

s

f = frekuensi sumber p = jumlah kutup

2. Medan putar stator akan memotong konduktor yang terdapat pada sisi rotor, akibatnya pada kumparan rotor akan timbul tegangan induksi ( ggl ) sebesar

E2 s = 44,4 fNE = tegangan induksi ggl f = frekkuensi N = banyak lilitan Q = fluks

3. Karena kumparan rotor merupakan kumparan rangkaian tertutup, maka tegangan induksi akan menghasilkan arus ( I ). 4. Adanya arus dalam medan magnet akan menimbulkan gaya ( F ) pada rotor. 5. Bila torsi awal yang dihasilkan oleh gaya F pada rotor cukup besar untuk memikul torsi beban, maka rotor akan berputar searah dengan arah medan putar stator.

6. Untuk membangkitkan tegangan induksi E2s agar tetap ada, maka diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator ( ns )dengan kecepatan putar rotor ( nr ). 7.Perbedaan antara kecepatan nr dengan ns disebut dengan slip ( S ) yang dinyatakan dengan persamaan:S= n s nr 100% ns

8.Jika ns = nr tegangan akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada rotor, dengan demikian tidak ada torsi yang dapat dihasilkan. Torsi suatu motor akan timbul apabila ns > nr. 9.Dilihat dari cara kerjanya motor tiga phasa disebut juga dengan motor tak serempak atau asinkron.

Contoh soal

Motor enam kutub disuplai dari sumber 60 Hz fasa tiga. Kecepatan rotor pada beban penuh adalah 1140 rpm. Tentukan: a) kecepatan sinkron dari medan magnet b) slip per unit c) kecepatan rotor untuk sebuah hasil beban yang dikurangi di slip s = 0,02

PenyelesaianDiketahui : p =6 f = 60 Hz nr = 1140 rpm

Kecepatan sinkron

120 f 120 x60 ns = = p 6 7200 = = 1200 rpm 6

Slip pada beban penuh

n s nr 1200 1140 s= = ns 1200 60 = = 0,05 atau 5% 1200

Kecepatan putar rotor bila s = 0,02

ns nr nr s= = 1 ns ns

nr 0,02 = 1 1200 nr = (1 0,02) x1200 = 1176 rpm

TEGANGAN TERINDUKSI PADA ROTOR Pada

saat standstill (slip = 100%)

medan putar rotor maksimum Fluks dalam stator sama dengan dalam rotor tegangan yang dibangkitkan maksimum, tergantung pada belitan rotor Tegangan yang diinduksikan ke rotor tergantung pada ratio belitan Frekuensi rotor sama dengan frekuensi stator

Pada saat bergerak: medan putar rotor maksimum fluks dalam stator sama dengan dalam rotor tegangan yang dibangkitkan berkurang sesuai dengan slip yang terjadi Frekuensi rotor semakin berkurang sesuai dengan penurunan slip

Dapat disimpulkan bahwa: Er = s x EBREr

fR = s x f

tegangan induksi rotor EBR tegangan induksi rotor saat standstillS

fR frekuensi

rotor fS frekuensi stator

Contoh Soal

A three-phase 60 Hz four-pole 220-V wound induction motor has a stator winding Delta connected and a rotor winding Y connected. The rotor has 40% as many turns as the stator. For a rotor speed of 1710 r/min, calculate:

The slip The block rotor-induced voltage per phase EBR The rotor-induced voltage per phase ER The voltage between rotor terminals The rotor frequency

Solution

The slip

120f 120x60 ns = = = 1800r / m in p 4nr 1710 s = 1 = 1 = 0,05 ns 1800

The block rotor-induced voltage per phase EBR

E BR = 40 % of Vstator / phase

EB R = 0,4 x 220= 88 V / p h a se

The rotor-induced voltage per phase ER

E R = sE BR = 0,05 x88 = 4,4 V

The voltage between rotor terminals

VL L ( rotor ) = 3 VR

VL L ( rotor) = 3 x 4,4 = 7,62 V

The rotor frequency

f R = sf = 0,05 x60 = 3 Hz

RANGKAIAN ROTOR

Di rotor dalam tiap kondisi diperoleh kesimpulan: Arus short circuit rotor dibatasi oleh impedansi rotor Impedansi terdiri dari dua komponen yaitu: Resistansi Reaktansi

rotor RR diri sXBR (XBR Reaktansi diri rotor pada stand-

still)

Selama reaktansi diri merupakan fungsi dari frekuensi, reaktansi proportional terhadap slip

Sebagai hasil, arus rotor menjadi

IR =bila,

ER RR + X R2 2

maka,

ER = sEBR X R = sX BR

sEBR IR = 2 2 RR + ( sX BR )

jika penyebut dan pembilang dibagi dengan s, maka: Pembagian dengan s E BR merubah titik referensi IR = dari rotor ke rangkaian RR 2 2 [ ] + X BR stator s sehingga rangkaian ekuivalen rotor per fasa menjadi:

Untuk tujuan menyamakan dengan rangkaian resistansi rotor RR yang sebenarnya, maka RR/s dipisah dalam dua komponen: R RR

s

=

R

s

+ RR RR

RR 1 = RR + RR ( 1) s s

sehingga rangkaian ekuivalen rotor menjadi sebagai berikut:

RANGKAIAN EKUIVALEN ROTOR

KOMPONEN DAYA PADA ROTORROTOR POWER INPUT (RPI) ROTOR COPPER LOSS (RCL) ROTOR POWER DEVELOPED (RPD) OUT-PUT POWER

Ketiga komponen daya tersebut didapat dari persamaan:

RR 1 = RR + RR ( 1) s s

bila ruas kanan dan ruas kiri dari persamaan ini dikalikan dengan IR2, maka:

RR 1 2 2 IR = I R RR + I R RR ( 1) s s2

Dimana:

IR

2

I R RR 1 I R RR ( 1) s2

2

RR s

ROTOR

POWER INPUT (RPI)

ROTOR

COPPER LOSS (RCL)

ROTOR

POWER DEVELOPED (RPD)

RPI = RCL + RPD

HUBUNGAN RPD DENGAN RPIRPI = I R2

1 RPD = I R RR ( 1) s 2 I R RR RPD = (1 s) s2

RR s

1 s RPD = I R RR ( ) s2

RPD = RPI (1 s )

HUBUNGAN RCL DENGAN RPIRPI = I R2

RR s2

sRPI = I R RR sRPI = RCL

RCL = I R RRRCL = sRPI

2

DAYA OUT-PUT Daya

yang dibangkitkan di poros rotor dapat dinyatakan dengan persamaan: Pout = RPD - Protasional Protasional adalah daya hilang yang disebabkan oleh gaya gesekan (friksi) dan angin (kipas pendingin)

TORSI YANG DIBANGKITKAN

Torsi elektromekanik Te adalah torsi yang dibangkitkan di celah udara yang dapat dinyatakan dengan persamaan:

RPI Te = s

2ns s = 60

Torsi poros Td adalah torsi yang dibangkitkan di poros rotor yang dapat dinyatakan dengan persamaan:

Pout Td = R

2nr r = 60

Bila rugi Protasional diabaikan maka Td dapat dinyatakan dengan persamaan:

RPD Td = R

RANGKAIAN STATOR Terdiri

dari

Tahanan stator Rs Reaktasi induktif Xs Rangkaian magnetisasi (tidak boleh diabaikan seperti trafo karena rangkaian ini menyatakan celah udara) Rangkaian

stator per fasa dinyatakan pada gambar berikut:

DIAGRAM RANGKAIAN STATOR

Bila tegangan konstan

Rugi inti dianggap konstan mulai dari kondisi tanpa beban sampai beban penuh Rc dapat dihilangkan dari diagram rangkaian tetapi:

Sehingga penyederhanaan diagram rangkaian stator menjadi seperti gambar berikut:

Arus magnetisasi pada motor sekitar 30% s/d 50% dari arus nominal Reaktansi magnetisasi merupakan komponen penting pada rangkaian pengganti

rugi inti tetap ada dan diperhitungkan pada efisiensi

PENYEDERHANAAN DIAGRAM RANGKAIAN STATOR

PENGGABUNGAN DIAGRAM RANGKAIAN ROTOR DAN STATORSisi stator sebagai referensi parameter rotor Untuk menggabung rangkaian rotor dengan rangkaian stator maka dapat digunakan konsep: daya stator sama dengan daya rotor Sehingga E BR harus sama dengan ES E = a.E S BR = EBR I = I /a R R R =a2.R R R X =a2.XBR BR Konstanta a merupakan transformasi tegangan stator ke rotor

DIAGRAM LENGKAP MOTOR INDUKSI TIAP FASA

ANALISA ARUS (METODE LOOP) Dari

diagram rangkaian berikut dapat dibuat dua persamaan:

Loop

I: II:

(R S + jX S + jX M )Is - (0 + jX M )I'R = VS Loop

R 'R (0 + jX M )Is+ ( + jX 'B R + jX M )I'R = 0 sdalam bentuk matrik didapat:

Dibuat

(0 + jX M ) I RS + j ( X S + X M ) S VS = R'R + j ( X 'BR + X M ) I 'R 0 (0 + jX M ) s

Tentukan

nilai deteminant () konstanta matrik, dengan:

R'R (0 + jX M ) + j ( X 'BR + X M ) s Arus I didapat dengan persamaan: S

=

RS + j ( X S + X M )

(0 + jX M )

VS + j 0 0 IS =

R'R + j ( X ' BR + X M ) s

(0 + jX M )

Arus

IR didapat dengan persamaan:

RS + j ( X S + X M ) (VS + j 0) (0 + jX ) 0 M I 'R = Arus

magnetisasi IM diperoleh dari:

IM = IS IR Faktor

daya motor didapat dari Cos sudut arus stator IS

KOMPONEN DAYA TIGA FASA

STATOR POWER INPUT (SPI)

SPI = 3 xI SVS cos

STATOR COPPER LOSS (SCL)

SCL = 3 xI S RS

2

KOMPONEN DAYA TIGA FASA

ROTOR POWER INPUT (RPI)

RPI = 3 xI ' R

2

R'R s

ROTOR COPPER LOSS (RCL)

RCL = 3 xI 'R R'R

2

KOMPONEN DAYA TIGA FASA

ROTOR POWER DEVELOPED (RPD)

RPD = 3 xI ' R

2

1 R ' R ( 1) s

ROTASIONAL LOSS (PR) Rugi-rugi yang disebabkan oleh gesekan dan angin OUTPUT POWER (PO) PO = RPD - PR

DIAGRAM ALIR DAYA PADA MOTOR INDUKSI TIGA FASA

SPI RPI RPD POUT

SCL

RCL

P

R

ANALISA ARUS (METODE PENYEDERHANAAN) Mengacu

pada diagram lengkap motor induksi tiap fasa Untuk tujuan menyederhanakan analisa, pindahkan parameter XM mendekati sumber tegangan maka didapat diagram rangkaian seperti berikut:

PENYEDERHANAAN RANGKAIAN EKUIVALEN MOTOR INDUKSI

Dari rangkaian penyederhanaan didapat persamaan arus IR sebagai berikut:

I 'R =

VS R'BR ( RS + ) + j ( X S + X 'R ) s

Arus pemagnetan IM sebagai berikut:

VS IM = jXM

Arus stator IS sebagai berikut:

IS = I M + I'R

Bila mengikuti gambar rangkaian maka rugi tembaga stator SCL menggunakan arus IR. Tetapi untuk mengurangi error yang tinggi pada perhitungan efisiensi maka SCL dihitung menggunakan 2 persamaan berikut: Perhitungan daya dan rugi-rugi yang lain sama seperti perhitungan metode LOOP

SCL = 3xIS RS

Faktor

daya motor didapat dari Cos sudut arus stator IS

EFISIENSI ()

Menyatakan perbandingan daya output dengan daya input

Pout Pin Ploos Ploos = = = 1 Pin Pin Pin

Bila dinyatakan dalam prosen maka,

Pout = x100% Pin

Contoh SoalA three-phase 220-V 60-Hz six-pole 10-hp induction motor has following circuit parameters on a per phase basis referrred to the stator: RS = 0.344 RR = 0.147 XS = 0.498 XR = 0.224 XM = 12.6 Assuming a Y-connected stator winding. The rotational losses and core loss combined amount to 262 W and may be assumed constant. For slip of 2.8 % determine: the line current and power factor the shaft torque and output horse power the efficiency

SOLUTION (LOOP METHODE)

the phase voltage is:

220 / 3 = 127 V

the equivalent circuit is given in Figure:

Loop

I: II:

(0,344 + j13,098)Is - (0 + j12,6)I'R = 127 Loop

(0 + j12,6)Is + (5,25+ j12,824)I'R = 0 Dibuat

dalam bentuk matrik didapat:

0,344 + j13,098 (0 + j12,6) I S 127 (0 + j12,6) I ' = 0 5,25 + j12,824 R

Tentukan

nilai deteminant () konstanta matrik, dengan:

0,344 + j13,098 (0 + j12,6) = (0 + j12,6) 5,25 + j12,824 = 1,81 + j 4,41 + j 68,76 - 167,97 - (-158.76) = 7,4 + j 73,17

a. Arus IS didapat dengan persamaan:127 + j 0 0 (0 + j12,6) 5,25 + j12,824 IS = 127 + j 0 (0 + j12,6) 5,25 + j12,824 = 7,4 + j 73,17 666,75 + j1628.65 = 7,4 + j 73,17 = 23,64 - j11,25 = 23,93 28,04 0

Arus IR didapat dengan persamaan:

5,25 + j12,824 127 + j 0 (0 + j12,6) 0 I 'R = 7,4 + j 73,17 0 + j1600,2 = 7,4 + j 73,17 = 22,747 j 2,19 = 21,757 5,77 Power faktor motor (diambil dari sudut IS): PF = cos( 28,04 ) = 0,88

b. The shaft torque and output horse power Kecepatan sinkron dari motor adalah :

120 f s 120 60 ns = = = 1200 rpm P 6Kecepatan rotor adalah :

nr = (1 s )ns = (1 0,028) = 1166 rpmKecepatan sudut rotor adalah :

2nr 2 x 1166 r = = = 122 ,1 rad/detik 60 60

Rotor Power Input adalah :2

R'R RPI = 3I ' R s 2 = 3 x 21,757 x 5,25 = 7455,531 W

Rotor Power Developed adalah :

RPD = RPI (1 s ) = 7455.531(1 - 0,028) = 7246.776 W

Power Output adalah : Pout = RPD Protasional = 7246,776 262 = 6984,776 W Torsi motor adalah :

Horsepower motor adalah :

Pout 6984.776 Td = = = 57.2 N - m R 122,1Pout 6984.776 HP = = = 9.36 746 746

Power loos adalah : Protasional + Core loss RCL = 0,028 x 7455,351 SCL = 3x23,932x 0,344 Total loss c. Efisiensi motor adalah :

= 262 W = 208.75 W = 590,97 W + = 1061,72 W

Pout = x100% Pout + Ploss 6984,776 = = 86,8% 6984,776 + 1061,72

SOLUTION (Penyederhanaan)

the phase voltage is:

220 / 3 = 127 V

the equivalent circuit is given in Figure:

Arus IR didapat dengan persamaan:127 IR = 0,344 + 5,25 + j 0,722 = 22,52 7,4 = 22,33 - j 2,88 A

Arus IM didapat dengan persamaan:

127 IM = = j10,08 A j12,6

a. Arus Sumber IS didapat dari :

I S = 22,33 + j (2,88 + 10,08) = 22,33 - j12,96 = 25,82 30,1 APower faktor motor (diambil dari sudut IS):

PF = cos( 30,1) = 0,865

b. The shaft torque and output horse power Kecepatan sinkron dari motor adalah :

Kecepatan rotor adalah :

120 f s 120 60 ns = = = 1200 rpm P 6

nr = (1 s )ns = (1 0,028) = 1166 rpmKecepatan sudut rotor adalah :

2nr 2 x 1166 r = = = 122 ,1 rad/detik 60 60

Rotor Power Input adalah :2

R'R RPI = 3I ' R s 2 = 3 x 22,52 x 5,25 = 7988 W

Rotor Power Developed adalah :

RPD = RPI (1 s ) = 7988(1 - 0,028) = 7764 W

Power Output adalah : Pout = RPD Protasional = 7764 262 = 7502 W Torsi motor adalah :

Horsepower motor adalah :

Pout 7502 Td = = = 61.4 N - m R 122,1Pout 7502 HP = = = 10.1 746 746

Power loos adalah : Protasional + Core loss RCL = 0,028 x 7988 SCL = 3x25,822x 0,344 Total loss c. Efisiensi motor adalah :

= 262 = 224 = 688 = 1174

W W W+ W

Pout = x100% Pout + Ploss 7502 = = 86,5% 7502 + 1174

Perbandingan Kedua Metode

Arus sumber Metode Loop

I S = 23,64- j11,25= 23,93 28,04 A

Metode Pendekatan

I S = 22,33 - j12,96 = 25,82 30,1 A

Perbandingan Kedua Metode

Torsi Poros dan Output Horsepower

Metode Loop

Td = 57,2 N m

HP = 9,36

Metode Pendekatan

Td = 61,4 N m

HP = 10,1

Perbandingan Kedua Metode

Efisiensi Metode Loop

= 86,8% = 86 ,5%

Metode Pendekatan

KARAKTERISTIK MOTOR INDUKSI Rotor

kelas berdasarkan National ElectricalManufacturers Association (NEMA) Motor kelas A Mempunyai

sangkar bajing dibuat dalam 4

rangkaian resistansi ritor kecil Beroperasi pada slip sangat kecil (s