Contoh Soal Motor Induksi Satu Phasa. [PDF]

Citation preview

TUGAS TEKNIK TENAGA LISTRIK MOTOR AC INDUKSI 3 FASA



DISUSUN OLEH: 1. DHEO FEBRI VALENTINO LUMBAN GAOL / 03021381621089 2. MUHAMMAD IRFAN SYAHREFI / 03021381621081 3. SANDY WIDODO / 03021381621095 KELAS : A KAMPUS : PALEMBANG



JURUSAN TEKNIK PERTAMBANGAN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2017 MOTOR AC INDUKSI 3 FASA 1. Pengenalan Motor Induksi 3 Fasa



Motor induksi merupakan motor listrik arus bolak balik (AC) yang paling luas digunakan. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa motor ini bekerja berdasarkan induksi medan magnet stator ke statornya, dimana 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. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC. Motor listrik 3 fasa adalah motor yang bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa pada sumber untuk menimbulkan gaya putar pada bagian rotornya. Perbedaan fasa pada motor 3 phase didapat langsung dari sumber. Hal tersebut yang menjadi pembeda antara motor 1 fasa dengan motor 3 fasa. Secara umum, motor 3 fasa memiliki dua bagian pokok, yakni stator dan rotor. Bagian tersebut dipisahkan oleh celah udara yang sempit atau yang biasa disebut dengan air gap. Jarak antara stator dan rotor yang terpisah oleh air gap sekitar 0,4 milimeter sampai 4 milimeter. . Motor induksi 3-fase dioperasikan pada sistem tenaga 3-fase dan banyak digunakan di dalam berbagai bidang industri dengan kapasitas yang besar.



Gambar motor induksi 3-fasa 2. Konstruksi Motor Induksi 3 Fasa



Sama seperti mesin-mesin listrik pada umumnya, motor 3 fasa memiliki 2 komponen penting, yaitu: 1. Stator, merupakan komponen yang tidak berputar pada mesin. Pada komponen ini dipasang stator winding berupa kumparan. Stator ini dihubungkan dengan suplai 3 fasa untuk memutar rotor. Stator sendiri memiliki 3 bagian penting: 



Frame Frame merupakan bagian terluar dari stator. Berfungsi sebagai tempat untuk memasang inti stator (stator core) dan juga melindungi keseluruhan komponen dari gangguan benda benda dari luar (seperti batu yang dilemparkan ke motor atau semacamnya). Umumnya frame dibuat dari besi agar frame menjadi kuat.



 Inti Inti stator merupakan tempat dimana stator winding dipasang. Inti stator bertugas untuk menghasilkan fluks. Fluks ini dihasilkan oleh kumparan pada stator winding dan dialiri oleh arus 3 fasa dari suplai 3 fasa. Untuk mencegah arus eddy yang besar pada stator winding umumnya inti stator dilapisi oleh lamina. Lamina sendiri terbuat oleh campuran besi silikon untuk mencegah rugi-rugi histerisis. Pada inti stator juga dipasang kutub



kutub magnet untuk menghasilkan fluks. Winding Stator winding merupakan kumparan yang masing-masing kumparannya dihubungkan menjadi rangkaian star atau delta, tergantung dari bagaimana metode untuk memutar mesin yang digunakan dan jenis rotor yang digunakan. Untuk rotor jenis sarang tupai umumnya menggunakan rangkaian delta sedangkan rotor jenis slip ring bisa menggunakan salah satu dari keduanya. Stator winding dipasang pada sela-sela inti stator dan berfungsi untuk menghasilkan fluks. Stator winding juga dikenal sebagai kumparan medan.



2. Rotor, merupakan bagian yang dapat berputar dari motor. Rotor dihubungkan dengan beban yang akan diputar dengan sebuah shaft yang terpasang pada pusat rotor. Berdasarkan konstruksinya, rotor dibagi menjadi 2 macam:







Sarang Tupai atau Squirrel Cage Rotor tipe ini memiliki bentuk seperti roda gear, berbentuk tabung dan diberi beberapa slot dipermukaannya. Slot ini tidak dibuat lurus namun sedikit miring untuk memperhalus kerja motor dan membuat “konduktor” pada rotor. Dikedua ujung rotor dipasang cincin alumunium. Umumnya rotor jenis ini terbuat dari alumunium atau tembaga. Rotor jenis ini sangat sering digunakan karena mudah dibuat dan dapat digunakan berapapun







kutub pada stator. Slip Ring Rotor tipe ini memiliki rangkaian kumparan pada ujungnya dan memiliki sejumlah slip ring di belakangnya. Tiap kumparan terhubung dengan salah satu slip ring dimana masing-masing slip ring juga terhubung dengan rangkaian yang sama dengan rangkaian kumparannya. Semisal rangkaian kumparannya berbentuk star maka rangkaian slip ring juga berbentuk star. Umumnya ditiap slip ring dipasang rheostat sehingga kecepatan putaran motor dapat diatur dengan mudah. Umumnya rotor jenis ini digunakan untuk beban-beban besar seperti untuk menggerakkan elevator atau lift.



3. Celah Udara, merupakan Tempat berpindahnya energi dari stator ke rotor. 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 meyebabkan rotor berputar. Celah udara yang terdapat antara stator dan rotor diatur sedemikian rupa sehingga didapatkan hasil kerja motor yang optimum. Bila celah udara antara stator dan rotor terlalu besar akan mengakibatkan efisiensi motor induksi rendah, sebaliknya bila jarak antara celah terlalu kecil/sempit akan menimbulkan kesukaran mekanis pada mesin.



3. Kelebihan dan Kerugian Motor Induksi 3 Fasa Berikut adalah kelebihan dan kekurangan dari motor listrik 3 fasa: Kelebihan







Konstruksi motor terbilang sangat kuat dan sederhana







Harga motor relatif murah dengan ketahanan tinggi







Effesiensi relatif tinggi pada saat keadaan normal







Biaya pemeliharaan relatif rendah



Kekurangan 



Kecepatan sulit dikontrol







Arus start besar, yakni 5 sampai 7 kali dari arus nominal







Power faktor yang rendah pada beban ringan



4. Prinsip Kerja Motor Induksi 3 Fasa Motor induksi bekerja berdasarkan induksi elektromagnetik dari kumparan stator kepada kumparan rotornya. Bila kumparan stator motor induksi 3-fasa yang dihubungkan dengan suatu sumber tegangan 3-fasa, maka kumparan stator akan menghasilkan medan magnet yang berputar. Garis-garis gaya fluks yang diinduksikan dari kumparan stator akan memotong kumparan rotornya sehingga timbul emf (ggl) atau tegangan induksi. Karena penghantar (kumparan) rotor merupakan rangkaian yang tertutup, maka akan mengalir arus pada kumparan rotor. Penghantar (kumparan) rotor yang dialiri arus ini berada dalam garis gaya fluks yang berasal dari kumparan stator sehingga kumparan rotor akan mengalami gaya Lorentz yang menimbulkan torsi yang cenderung menggerakkan rotor sesuai dengan arah pergerakan medan induksi stator. Bila kumparan 3 fasa stator diberi tegangan 3 fasa maka akan timbul fluks yang besarnya konstan. Fluks yang timbul akan memotong permukaan rotor yang semula diam sehingga timbul tegangan induksi pada kumparan rotor (ggl) dalam rangkaian tertutup sehingga arus mengalir dan timbul gaya.



5. Persamaan Persamaan pada Motor Induksi 3 Fasa A. Slip Pada Motor Induksi 3 Fasa



Apabila rotor dari motor induksi berputar dengan kecepatan Nr, dan medan magnet stator berputar dengan kecepatan Ns, maka bila ditinjau perbedaan kecepatan relatif antara kecepatan medan magnet putar stator terhadap kecepatan rotor, ini disebut kecepatan slip yang besarnya sebagai berikut. Kec.slip



=



(1)



Kemudian slip (s) adalah : S=



(2)



Frekuensi yang dibangkitkan pada belitan rotor adalah f2 dimana f2 =



(3)



dengan: p = jumlah kutup magnet stator. Sedangkan frekuensi medan putar stator adalah fl, di mana f1 =



(4)



Dari persamaan–persamaan di atas akan diperoleh (5) Apabila, slip = 0 (karena Ns=Nr) maka f2 = 0. Apabila rotor ditahan slip = 1 (karena Nr= 0) maka f2 = f1. Dari persamaan f2 = sf1, diketahui bahwa frekuensi rotor dipengaruhi oleh slip. Oleh karena GGL induksi dan reaktansi pada rotor merupakan fungsi frekuensi maka besarnya juga turut dipengaruhi oleh slip. Besarnya GGL induksi efektif pada kumparan stator adalah : E1



= 4,44 f1 N1 φm



Selanjutnya, besarnya GGL induksi efektif pada E2S = 4,44 f2 N2 φm



(6) kumparan rotor adalah : (7)



=



4,44 s f1 N2 φm



=



s.E2



dimana : E2



= GGL pada saat rotor diam (Nr = Ns)



E2S = GGL pada saat rotor berputar N1



= Jumlah lilitan primer (lilitan stator)



N2



= Jumlah lilitan sekunder (lilitan rotor)



B. Rangkaian Ekuivalen Pada Motor Induksi 3 Fasa Untuk menentukan rangkaian ekivalen dari motor induksi tiga phasa, pertama-tama perhatikan keadaan stator.



Gambar Rangkaian ekivalen stator Besarnya tegangan terminal stator berbeda dengan ggl lawan sebesar jatuh tegangan pada impedansi bocor stator, sehingga dinyatakan dengan persamaan V  E1 I1 (R1  jX 1 )



(8)



Dimana : V = Tegangan terminal stator (Volt) E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluksi celah udara resultan (Volt) I1= arus stator (Ampere) R1= resistansi efektif stator (Ohm) X1 = reaktansi bocor stator (Ohm)



Kedua perhatikan rangkaian ekivalen pada rotor sebagai berikut:



Gambar Rangkaian ekivalen rotor Dari penjelasan mengenai rangkaian ekivalen pada stator dan rotor di atas, maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa:



Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa Dimana : X’2 = X2 R’2 = R2 V1/ fasa = tegangan masuk motor / fasa R1 = tahanan stator X1 = reaktansi stator R2 = tahanan rotor X2 = reaktansi rotor



Rc = tahanan rangkaian magnetasi motor Xm = reaktansi rangkaian magnetisasi motor



C. Daya dan Rugi-rugi Daya pada Motor Induksi 3 Fasa Motor induksi memiliki rugi-rugi daya karena di dalam motor induksi terdapat komponen tahanan tembaga dari belitan stator dan rotor, dan komponen induktor belitan stator dan rotor. Rugi-rugi pada motor induksi ini adalalah rugirugi tembaga, rugi inti, dan rugi karena gesekan dan hambatan angin. Gambaran ilustrasi penjabaran rugi-rugi daya yang terjadi pada motor induksi diperlihatkan pada gambar berikut



Dengan memperhatikan gambar maka dapat dibuatkan besarnya daya aktif makanik yang ditransfer dari stator melalui celah udar ke rotor (Pg) adalah sebesar.



=



=



=



)



(9)



)



(10)



dan rugi-rugi daya aktif pada kumparan rotor (Pr2) sebesar: (11) Selanjutnya, daya aktif mekanik yang bermanfaat untuk menggerakkan rotor (Pm) sebesar:



=



(12)



Bila dibuatkan perbandingan antara ketiga daya tersebut, dengan asumsi rugirugi putar diabaikan, maka dapat dibuatkan perbandingan sebagai berikut. Pm : Pr2 = (1-s) : s



(13)



Pg : Pm : Pr2 = 1: (1 - s) : s



(14)



Kemudian rugi-rugi daya aktif pada kumparan stator motor induksi 3-fasa perfasa (P1) dapat dibuatkan sebagai berikut. P1 = I12. r1



(15)



Daya masukan motor induksi 3-fasa perfasa menjadi: Pin = P1 + Pg Selanjutnya, daya 3-fasa dari motor induksi 3-fasa ini dapat dibuatkan sebagai berikut: Pin (3phasa) =



.



Pin (3phasa) =



(16)



(17)



Dengan : Cos φ = Faktor daya V



= tegangan antar fasa sistem 3-fasa (V)



I



= arus yang melelwati penghantar pada motor induksi 3-fasa (A)



6. Efisiensi pada Motor Induksi 3 Fasa Motor mengubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk melayani beban tertentu. Pada proses ini, kehilangan energi ditunjukkan dalam Gambar



Gambar kehilangan energi



 Rugi tembaga di stator: Pts = 3.I12 .R1  Rugi inti:



(18)



Pi =



(19)



Pcu  3.I22 .



(20)



Daya celah udara:



 Daya msukkan (daya input): Pin = Pcu + Pts + Pi



(21)



 Rugi tembaga di rotor: Ptr = 3.I22 .R2



(22)







Daya mekanik (daya yang dikonversikan dari elektris ke mekanis): Pmek = Pcu – Ptr Pmek = 3. I .







- 3.I2 .R2



(24)



Daya keluaran (daya output): Pout = Pmek - Pag - Pb







(23)



Adapun efisiensi motor induksi



(25)



η=



Pout pin



= Pts + Pi + Ptr + Pag + Pb



(26)



x 100%



(27)



Dengan : η = efisiensi motor (%)



Contoh Soal : 1. motor induksi tiga fasa dengan daya output 10 kW, tegangan 400 V dan arus 20 A dan cos φ 0,75 lagging. Jika motor induksi tersebut bekerja pada freuensi 50 Hz dan mempunyai 4 pasang kutub. Tentukan: a. hitung daya input b. putaran motor dan slip yang terjadi c. efisiensi motor pembahasan : diketahui : Pout = 10 kW



cos φ = 0,75



v = 400 V



f = 50 Hz



n = 1460 rpm I = 20 A



P = 4 pasang kutub Ditanya : a. menghitung daya input Pin =



V I cos φ



= 1,73. 400 x 20 x 0,75 = 10380 W = 10,38 kW b. menghitung putaran motor dan slip yang terjadi Ns = 120 f/ P = (120 x 50) / 4 = 1500 rpm c. menghitung efisiensi motor η = (Pout / Pin ) x 100 %



= (10 / 10,38) x 100 % =96,33 %



2. Sebuah Motor induksi 3 fasa, mempunyai 4 kutub, dan dicatu dari sistem 50 Hz. Jika motor tersebut memiliki daya output 15 kW, factor daya 0,88 dengan tegangan 600 V serta arus 18 A, Hitunglah : a).kecepatan rotor bila slip 4%, dan b). frekuensi rotor bila rotor berputar 600 rpm. c). Daya input Motor tersebut d). Efisiensi Motor tersebut Pembahasan : diketahui P = 2 pasang (4 kutub) F = 50 Hz S = 4% = 0,04



Pin = 15 kW V = 450 V I= 18 A



Ditanya : a. kecepatan rotor bila slip 4%, (Nr) Ns = f. 60 / p = 50 x 60 / 2 = 1500 rpm S = (Ns – Nr) / Ns 0,04 = (1500 – Nr) / 1500 Nr = 1440 rpm b. frekuensi rotor bila rotor berputar 600 rpm. S = (Ns – Nr) / Ns = (1500 – 600) / 1500 = 0,6 F2 = S. F1 = 0,6 x 30 = 50 Hz c. daya input motor tersebut



Pin =



φ



= 1,73 x 450 x 18 x 0,88 =16441,92 W =16.44192 kW d. menghitung efisiensi motor η = (Pout / Pin ) x 100 % = (15 / 16,44192) x 100 % =91,23 % TUGAS KHUSUS



1. Jelaskan prinsip kerja motor induksi 3 fasa ! 2. Jelaskan metoda starting motor induksi 3 fasa !



Jawab 1.



Prinsip kerja motor induksi 3 fasa adalah: a) Jika kumparan stator dihubungkan ke sumber tegangan 3 fasa maka pada kumparan akan timbul medan magnet putar ( rotating magneting field) yang sebanding dengan putaran sinkron. b) Medan magnet putar akan memotong motong batang konduktor pada rotor c) sebagai akibatnya pada kumparan jangkar timbul tegangan asinkron (GGl) sebesar E d) Karena kumparan jangkar merupakan rangkaian tertutup maka ggl (E) akan menghasilkan arus I e) Adanya arus I di dalam medan magnet menimbulkan adanya gaya F pada rotor f) Jika kopel mula yang dihasilkan oleh gaya f pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.



g) kecepatan putar rotor tidak akan mencapai pada putaran sinkronnya, disebabkan jika rotor berputar sama dengan kecepatan sinkronnya maka batang batang konduktor pada rotor tidak akan terpotong potong medan magnet sehingga tidak terjadi induksi pada rotor.



2.



Starting motor induksi 3 fasa dapat dilakukan dengan 6 cara atau metoda, yaitu : a. Direct On Line starter Direct On Line starter merupakan starting langsung. Penggunaan metoda ini sering dilakukan untuk motor-motor ac yang mempunyai kapasitas daya yang kecil. Pengertian start secara langsung ialah motor yang akan dijalankan langsung di switch on ke sumber tegangan jala-jala sesuai dengan besar tegangan nominal motor. Artinya tidak perlu mengatur atau menurunkan tegangan pada saat starting. Karaketristik dari Direct Online Starter adalah : a)



Arus start : 4 sampai 8 kali arus nominalnya (In)



b)



Torsi Start : 0.5 sampai 1.5 kali torsi nominal (Tn)



c)



Tidak ada parameter yang disetting



d)



Kriteria Peralatan :  3 Terminal motor. Daya rendah sampai medium starting berbeban.  Lonjakan arus dan torsi starting tinggi dan terjadi voltage drop  Peralatan sederhana.



b. Starting dengan Saklar Bintang Segitiga Start dengan metode start-delta ini memanfaatkan penurunan tegangan yg dicatu ke motor saat stator motor terhubung dalam rangkaian start. Pada waktu



start yakni saat stator berada pada rangkaian bintang, arus motor hanya mengambil sepertiga dari arus motor jika motor di start dengan metode DOL. Karaketristik dari Star Delta Starter adalah : a) Arus start : 2 sampai 4 kali arus nominalnya (In) b) Torsi Start : 0.3 sampai 0.75 kali torsi nominal (Tn) c) Tidak ada parameter yang disetting d) Kriteria Peralatan :  6 Terminal motor.  Starting tanpa beban atau dengan beban ringan  Torsi puncak saat perpindaan start ke delta  Daya motor rendah sampai dengan menengah  Diperlukan perawatan c. Starting dengan Soft Starter Soft starter dipergunakan untuk mengatur/ memperhalus start dari elektrik motor. Prisip kerjanya adalah dengan mengatur tegangan yang masuk ke motor. Pertama-tama motor hanya diberikan tegangan yang rendah sehingga arus dan torsipun juga rendah. Pada level ini motor hanya sekedar bergerak perlahan dan tidak menimbulkan kejutan. Selanjutnya tegangan akan dinaikan secara bertahap sampai ke nominal tegangannya dan motor akan berputar dengan dengan kondisi RPM yang nominal. Karakteristik dari Soft Starter : a) Arus start : 2 sampai 7 kali arus start (In) b) Torsi start : 0.15 sampai 1 torsi start (Tn) c) Kriteria Peralatan :  Menghasilkan



start/stop



yang



halus



(tanpa



hentakan mekanis/torsi)  Adaptasi otomatis terhadap berbagai beban sehingga kerusakan mesin dan barang dapat dihindari.



d. Starting Dengan Autotransformator Starting dengan cara ini adalah dengan menghubungkan motor pada tap tegangan sekunder autotransformator terendah. Setelah beberapa saat motor dipercepat tap autotransformator diputuskan dari rangkaian dan motor terhubung langsung pada tegangan penuh. Auto-transformator starter menggunakan autotransformator untuk mengurangi tegangan selama periode awal dan kemudian menghubungkannya ketegangan penuh untuk mendapatkan kecepatan yang cukup. e. Starting dengan Rheostat Rheostat atau tahanan luar adalah suatu perangkat yang digunakan untuk mengatur arus listrik dengan meningkatkan atau menurunkan nilai tahanan dari rangkaian dan merupakan cara yang paling umum untuk mengubah-ubah besar tahanan dalam suatu rangkaian. Karena biasa digunakan untuk menangani tegangan yang tinggi, maka rheostat dapat digunakan untuk mengontrol motor dalam mesin industry. f. Starting dengan Reaktor Starter



reaktor



utama



awalnya



diciptakan



tegangan



pembagi



dengan



menmpatkan unsur reaktif secara seri dengan rangkaian stator motor untuk menurunkan tegangan ke stator motor sampai jalankan kontak bergerak sehingga mengurangi arus motor dan torsi saat start. Salah satu keuntungan dari stator reactor utama adalah pengurangan saat ini sejalan dengan disipasi panas kurang dari resistor utama sirkuit.