TUGAS

TEKNIK TENAGA LISTRIK

Disusun Oleh :

1. Ahmadi Rafe’i 3331101530

2. Arif Okta A. 3331101244

3. Asep Bahrul Ulum 3331100001

4. Asep Sopyan M 3331100951

5. Ludovicus Dimas A.P. 3331100603

6. M. Ramdhan Nurgodhan 3331112405

7. Rian dwi Purnomo 3331100952

JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA

CILEGON – BANTEN

2013

1. PENDAHULUAN

Motor induksi tiga fasa merupakan motor elektrik yang paling banyak digunakan

dalam dunia industri. Salah satu kelemahan motor induksi yaitu memiliki beberapa

karakteristik parameter yang tidak linier, terutama resistansi rotor yang memiliki nilai yang

bervariasi untuk kondisi operasi yang berbeda, sehingga tidak dapat mempertahankan

kecepatannya secara konstan bila terjadi perubahan beban. Oleh karena itu untuk

mendapatkan kecepatan yang konstan dan peformansi sistem yang lebih baik terhadap

perubahan beban dibutuhkan suatu pengontrol

Motor induksi 3 fasa adalah alat penggerak yang paling banyak digunakan dalam

dunia industri. Hal ini dikarenakan motor induksi mempunyai konstruksi yang sederhana,

kokoh, harganya relatif murah, serta perawatannya yang mudah, sehingga motor induksi

mulai menggeser penggunaan motor DC pada industri. Motor induksi memiliki beberapa

parameter yang bersifat non-linier, terutama resistansi rotor, yang memiliki nilai bervariasi

untuk kondisi operasi yang berbeda. Hal ini yang menyebabkan pengaturan pada motor

induksi lebih rumit dibandingkan dengan motor DC.

Salah satu kelemahan dari motor induksi adalah tidak mampu mempertahankan

kecepatannya dengan konstan bila terjadi perubahan beban. Apabila terjadi perubahan beban

maka kecepatan motor induksi akan menurun. Untuk mendapatkan kecepatan konstan serta

memperbaiki kinerja motor induksi terhadap perubahan beban, maka dibutuhkan suatu

pengontrol. Penggunaan motor induksi tiga fasa di beberapa industri membutuhkan

performansi yang tinggi dari motor induksi untuk dapat mempertahankan kecepatannya

walaupun terjadi perubahan beban. Salah satu contoh aplikasi motor induksi yaitu pada

industri kertas. Pada industri kertas ini untuk menghasilkan produk dengan kualitas yang

baik, dimana ketebalan kertas yang dihasilkan dapat merata membutuhkan ketelitian dan

kecepatan yang konstan dari motor penggeraknya, sedangkan pada motor induksi yang

digunakan dapat terjadi perubahan beban yang besar.

Beberapa penelitian pengaturan kecepatan motor induksi yang telah dilakukan antara

lain oleh Brian heber, Longya Xu dan Yifan tang (1997) menggunakan kontroller logika

fuzzy untuk memperbaiki performansi kontroller PID pada pengaturan kecepatan motor

induksi. Demikian juga penelitian yang dilakukan oleh Mohammed dkk(2000)

mengembangkan kontroller fuzzy yang digunakan untuk menala parameter PI. Kontroller

fuzzy juga dikembangkan pada penelitian yang dilakukan Chekkouri MR dkk (2002) dan

Lakhdar M & Katia K (2004) dengan melengkapi mekanisme adaptasi pada kontroller fuzzy

pada pengaturan motor induksi.

2. DASAR TEORI

A. Prinsip kerja motor 3 Fasa

Motor induksi terdiri atas dua bagian utama yaitu rotor dan stator. Ada dua jenis rotor

yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots

untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang

tertentu. Stator merupakan bagian yang diam dari motor induksi tiga fasa, pada bagian stator

terdapat beberapa slot yang merupakan tempat kawat (konduktor) dari tiga kumparan tiga

fasa yang disebut kumparan stator, yang masing-masing kumparan mendapatkan suplai arus

tiga fasa, maka pada kumparan tersebut segera timbul medan putar. Dengan adanya medan

magnet putar pada kumparan stator akan mengakibatkan rotor berputar, hal ini terjadi karena

adanya induksi magnet dengan kecepatan putar rotor sinkron dan kecepatan putar stator.

Konstruksi stator terdiri dari :

1. Rumah stator yang terdiri dari besi tuang

2. Inti stator yang terbuat dari besi lunak atau baja silikon

3. Terdapat slot untuk menempatkan kawat belitan

4. Belian stator yang terbuat dari tembaga

Gambar 2.1  Konstruksi stator

Gambar 2.2  Bentuk belitan stator

Ada dua macam jenis Rotor pada motor induksi yaitu rotor sangkar dan rotor belitan. Rotor

sangkar (squirrel cage rotor); kawat rotor terdiri dari batang-batang tembaga yang berat,

aluminium atau alloy yang dimasukkan ke dalam inti rotor. Masing-masing ujung kawat

dihubungkan singkat dengan ‘end-ring’. Motor induksi dengan rotor belitan mempunyai rotor

dengan belitan kumparan tiga fasa sama seperti kumparan stator. Kumparan stator dan rotor

juga mempunyai jumlah kutub yang sama. Penambahan tahanan luar sampai harga tertentu,

dapat membuat kopel mula mencapai harga kopel maksimmnya. Kopel mula yang besar

memang diperlukan pada saat start. Motor induksi jenis ini memungkinkan penambahan

(pengaturan) tahanan luar. Tahanan luar yang dapat diatur ini dihubungkan ke rotor melalui

cincin. Selain untuk menghasilkan kopel mula yang besar, tahanan luar dapat diperlukan

untuk membatasi arus mula yang besar pada saat start. Disamping itu dengan mengubah –

ubah tahanan luar, kecepatan motor dapat diatur.

Gambar 2.3 Rotor belitan

Gambar 2.4 Rotor sangkar bajing

Perputaran motor pada mesin arus bolak – balik ditimbulkan oleh adanya medan putar (fluks

yang berputar) yang dihasilkan dalam kumparan statornya. Medan putar ini terjadi apabila

kumparan stator dihubungkan dalam fasa banyak umumnya fasa 3. hubungan dapat berupa

hubungan bintang atau delta. Ada beberapa prinsip kerja motor induksi:

Apabila sumber tegangan 3 fasa dipasang pada kumparan medan (stator), timbullah

medan putar dengan kecepatan ................rpm dengan fs = frekuensi stator (Stator line

frequency) atau frekuensi jala-jala dan p = jumlah kutub pada motor.

Medan stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.

Akibatnya pda kumparan jangkar (rotor) timbul tegangan induksi (ggl).

Karena kumparan jangkar merupakan kumparan tertutup, ggl (E) akan menghasilkan

arus (I).

Adanya arus (I) didalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor.

Bila kopel mula yng dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor besar akan memikul kopel

beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.

Seperti telah dijelaskan sebelumnya bahwa tegangan induksi timbul karena

terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan

terinduksi diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan stator dengan

kecepatan berputar rotor (nr).

Perbedaan kecepatan antara dan disebut slip (S) dinyatakan dengan:

Bila = , tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak mengalir pada kumparan

jangkar rotor, dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Kopel motor akan ditimbulkan

apabila lebih kecil dari .

Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak

atau asinkron.

B. Prinsip Medan Putar

Pada saat kita menghubungkan sumber tiga fasa ke terminal tiga fasa motor induksi,

maka arus bolak-balik sinusoidal IR, IS, IT akan mengalir pada belitan stator. Arus-arus ini

akan menghasilkan ggm (gaya gerak magnet), yang mana pada kumparan akan menghasilkan

fluks magnetik yang berputar sehingga disebut juga dengan medan putar. Medan magnet

yang demikian kutub-kutubnya tidak diam pada posisi tertentu, tetapi meneruskan pergeseran

posisinya disekitar stator. Untuk melihat bagaimana medan putar dibangkitkan, maka dapat

diambil contoh pada motor induksi tiga fasa dengan jumlah kutub dua. Fluks yang dihasilkan

oleh arus-arus bolak-balik pada belitan stator adalah :

Gambar 2.5 Arus tiga fasa setimbang Gambar 2.6 diagram fasor fluksi tiga

fasa setimbang

Gambar 2.7 Medan Putar pada motor induksi 3 fasa

C. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa

Telah disebutkan sebelumnya bahwa motor induksi identik dengan sebuah

transformator, tentu saja dengan demikian rangkaian ekivalen motor induksi sama dengan

rangkaian ekivalen transformator. Perbedaan yang ada hanyalah, karena pada kenyataannya

bahwa kumparan rotor (kumparan sekunder pada transformator) dari motor induksi berputar,

yang mana berfungsi untukmenghasilkan daya mekanik. Awal dari rangkaian ekivalen motor

induksi dihasilkan dengan cara yang sama sebagaimana halnya pada transformator. Semua

parameter-parameter rangkaian ekivalen yang akan dijelaskan berikut mempunyai nilai-nilai

perfasa.

1. Rangkaian Ekivalen Stator

Gelombang fluks pada celah udara yang berputar dengan kecepatan sinkron

membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang seimbang di dalam fasa-fasa stator. Besarnya

tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi

bocor stator , sehingga dapat dinyatakan dengan persamaan :

Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Stator per-Fasa Motor Induksi

2. Rangkaian Ekivalen Rotor

Pada saat rotor dalam kondisi diam yaitu kondisi sesaat rotor sebelum bergerak atau

pada saat rotor terkunci (locked-rotor), slip s = 1 dimana kecepatan rotor nr = 0, karena

seluruh belitan rotor dihubung-singkat, maka akan mengalir arus akibat ggl induksi pada

rotor. Sehingga dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut :

dan rangkaian ekivalen rotor perfasa dalam keadaan diam (s = 1) digambarkan seperti gambar

2.12. di bawah ini.

Gambar 2.12. Rangkaian Ekivalen per-Fasa Rotor Motor Induksi Keadaan Diam

Bagian pertama R2 merupakan tahanan rotor/fasa dan mewakilkan rugi (cu loss)tembaga (Cu

loss). Bagian kedua merupakan sebuah beban tahanan-?s ?variabel. Daya yang dikirim ke

beban ini mewakilkan daya mekanik keseluruhan yang dibangun di rotor. Untuk itu beban

mekanik pada motor dapat digantikan ?1 ?dengan sebuah beban tahanan-variabel dengan

nilai R2? -1?. Ini diketahui ?s ?sebagai tahanan beban RL.

Gambar 2.13. Rangkaian Ekivalen Rotor per-Fasa

Keadaan Berputar pada Slip = s dimana (i) menyatakan persamaan 2.16, (ii)

menyatakan persamaan 2.17, (iii) menyatakan persamaan 2.19

2.6.3 Rangkaian Ekivalen Lengkap

Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka

dapat dibuat rangkaian ekivalen perfasa motor induksi dengan model transformator, dengan

rasio perbandingan ‘a’ antara stator dan rotor. Perhatikan gambar 2.14.

Gambar 2.14. Rangkaian Ekivalen Per-Fasa Motor Induksi Model Transformator

Untuk menghasilkan rangkaian ekivalen per-fasa akhir dari motor induksi, penting

untuk menyatakan bagian rotor dari model rangkaian ekivalen gambar 2.14 di atas terhadap

sisi stator. Pada transformator yang umum, tegangan, arus, dan impedansi pada sisi sekunder,

dapat dinyatakan terhadap sisi primer dengan menggunakan rasio perbandingan belitan dari

transformator tersebut. Dengan mengasumsikan jenis rotor yang digunakan adalah jenis

rotor belitan dan terhubung bintang ( Y ), yang mana motor dengan rotor jenis ini sangat

mirip dengan transformator, maka kita dapat juga menyatakan sisi rotor terhadap sisi stator

seperti halnya pada transformator.

D. Torsi dan Daya

Seperti telah dibahas pada sub bab mengenai konstruksi dan prinsip kerja motor

induksi, tidak ada suplai listrik yang dihubungkan secara langsung ke bagian rotor motor,

daya yang dilewatkan senjang udara adalah dalam bentuk magnetik dan selanjutnya

diinduksikan ke rotor sehingga menjadi energi listrik. Rata-rata daya yang melewati senjang

udara harus sama dengan jumlah rugi daya yang terjadi pada rotor dan daya yang dikonversi

menjadi energi mekanis.

Daya yang ada pada bagian rotor menghasilkan torsi mekanik, tetapi besarnya torsi yang

terjadi pada poros motor dimana tempat diletakkannya beban, tidak sama dengan besarnya

torsi mekanik, hal ini disebabkan adanya torsi yang hilang akibat gesekan dan angin.

Torsi Asut (Starting Torque)

Torsi yang dihasilkan oleh sebuah motor pada saat mulai diasut disebut Torsi Asut,

nilainya bisa lebih besar atau lebih kecil dari Torsi putar dalam keadaan normal.

Atau

Torsi saat Rotor(Motor) Berputar

Pada saat motor berputar, maka :

dimana : Er2 = Tegangan rotor / fasa saat berputar

Ir2 = Arus rotor/fasa saat berputar

k = konstanta, nilainya =

32. π . Ns

Torsi Maksimum saat Motor Berputar

Kondisi Torsi Maksimum pada saat motor berputar bisa diperoleh dengan

mendeferentialkan persamaan Torsi terhadap Slip S.

Torsi maksimum

dTdS

=0

Berdasarkan hasil diferensial ini akan diperoleh ;

Gambar 2.10 Karakteristik Slip vs Torsi

Torsi Beban Penuh dan Torsi Maksimum

Torsi Asut dan Torsi Maksimum

Torsi pada rotor lilit

Untuk menentukan Arus, daya, dan Torsi pada Motor Induksi rotor lilit tidak

berbeda dengan rotor sangkar, hanya pada rotor lilit kita bisa menambahkan tahanan

luar terhadap bagian rotor tersebut.

Gambar 2.11 Rangkaian Ekuifalen Motor induksi Rotor Lilit

Saat pengasutan S =1

Saat berputar

Daya motor 3 Fasa

Diagram aliran daya dari sebuah Motor Induksi Tiga Fasa seperti berikut

Daya Masuk Stator = Daya Keluar Stator + Rugi Tembaga Stator

Daya Masuk Rotor = Daya Keluar Stator

Daya Keluar Rotor Kotor = Daya Masuk Rotor - Rugi Tembaga Rotor

Gambar 2.12 Diagram Alir daya motor 3 Fasa

Keterangan :

Daya Keluar Rotor kotor = Pout rotor

Daya Masuk Rotor = Pin rotor

Rugi Tembaga Rotor = Pcu rotor

Pout rotor = Tg .2. π .Nr

Rugi Tembaga Rotor untuk Sistem Tiga Fasa, adalah :

Daya Mekanik (Pm) atau

Pout rotor =(1 - S) Pin rotor

E. Efisiensi

Efisiensi motor induksi adalah ukuran keefektifan motor induksi untuk mengubah

energi listrik menjadi energi mekanik yang dinyatakan sebagai perbandingan antara daya

keluaran dan daya masukan dan biasanya dinyatakan dalam persen juga sering dinyatakan

dengan perbandingan antara keluaran dengan keluaran ditambah rugi - rugi, yang dirumuskan

dalam persamaan berikut.

Pada beban-beban dengan nilai yang kecil, rugi-rugi tetap lebih besar dibandingkan

dengan keluaran, untuk itu efisiensi yang dihasilkan rendah. Sebagaimana beban bertambah,

efisiensi juga bertambah dan menjadi maksimum ketika rugi inti dan rugi variabel adalah

sama. Efisiensi maksimum terjadi sekitir 80 – 95 % dari rating output mesin, dimana nilai

yang lebih tinggi terdapat pada motor-motor yang besar. Jika beban yang diberikan melebihi

beban yang menghasilkan efisiensi maksimum, maka rugi-rugi beban bertambah lebih cepat

daripada output, konsekuensinya efisiensi berkurang.