BAB IV. PENGUJIAN MOTOR INDUKSI DENGAN BESAR TAHANAN

ROTOR YANG BERBEDA

Bab ini membahas tentang pengujian pengaruh besar tahanan rotor

terhadap torsi dan efisiensi motor induksi. Hasil yang diinginkan

adalah parameter motor induksi tiga fasa untuk mendpatkan torsi

dan putarannya.

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini merupakan bagian penutup berupa kesimpulan dan saran

yang berkaitan dengan pembahasan mengenai pengaruh tahanan

rotor yang tidak seimbang terhadap torsi dan putaran motor

induksi.

BAB 2

MOTOR INDUKSI TIGA FASA

2.1 Umum

Motor induksi adalah motor listrik arus bolak-balik (ac) yang putaran rotornya

tidak sama dengan putaran medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan

putaran medan pada stator terdapat selisih putaran yang disebut slip.

Motor induksi, merupakan motor yang memiliki konstruksi yang baik,

harganya lebih murah dan mudah dalam pengaturan kecepatannya, stabil ketika

berbeban dan mempunyai efisiensi tinggi. Mesin induksi adalah mesin ac yang paling

banyak digunakan dalam industri dengan skala besar maupun kecil, dan dalam rumah

tangga. Alasannya adalah bahwa karakteristiknya hampir sesusai dengan kebutuhan

dunia industri, pada umumnya dalam kaitannya dengan harga, kesempurnaan,

pemeliharaan, dan kestabilan kecepatan. Mesin induksi (asinkron) ini pada umumnya

hanya memiliki satu suplai tenaga yang mengeksitasi belitan stator. Belitan rotornya

tidak terhubung langsung dengan sumber tenaga listrik, melainkan belitan ini

dieksitasi oleh induksi dari perubahan medan magnetik yang disebabkan oleh arus

pada belitan stator.

Hampir semua motor ac yang digunakan adalah motor induksi, terutama motor

induksi tiga fasa yang paling banyak dipakai di perindustrian. Motor induksi tiga fasa

sangat banyak dipakai sebagai penggerak di perindustrian karena banyak memiliki

keuntungan, tetapi ada juga kelemahannya.

Keuntungan motor induksi tiga fasa:

1. motor induksi tiga fasa sangat sederhana dan kuat.

2. bianya murah dan dapat diandalkan.

3. motor induksi tiga fasa memiliki efisiensi yang tinggi pada kondisi kerja normal.

4. perawatannya mudah.

Kerugiannya:

1. kecepatannya tidak bisa bervariasi tanpa merubah efisiensi.

2. kecepatannya tergantung beban.

3. pada torsi start memiliki kekurangan.

2.2 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa

Motor induksi adalah motor ac yang paling banyak dipergunakan, karena

konstruksinya yang kuat dan karakteristik kerjanya yang baik. Secara umum motor

induksi terdiri dari rotor dan stator. Rotor merupakan bagian yang bergerak,

sedangkan stator bagian yang diam. Diantara stator dengan rotor ada celah udara yang

jaraknya sangat kecil. Konstruksi motor induksi dapat diperlihatkan pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Konsturksi umum motor induksi

Komponen stator adalah bagian terluar dari motor yang merupakan bagian yang

diam dan mengalirkan arus phasa. Stator terdiri atas tumpukan laminasi inti yang

memiliki alur yang menjadi tempat kumparan dililitkan yang berbentuk silindris. Alur

pada tumpukan laminasi inti diisolasi dengan kertas (Gambar 2.2.(b)). Tiap elemen

laminasi inti dibentuk dari lembaran besi (Gambar 2.2 (a)). Tiap lembaran besi

tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk menyatukan inti.

Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan phasa dimana untuk motor

tiga phasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120o. Kawat kumparan yang

digunakan terbuat dari tembaga yang dilapis dengan isolasi tipis. Kemudian tumpukan

inti dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris (Gambar 2.2.(c)). Berikut

ini contoh lempengan laminasi inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator

yang telah dilekatkan pada cangkang luar untuk motor induksi tiga phasa.

(a) (b) (c)

Gambar 2.2 Menggambarkan komponen stator motor induksi tiga phasa

(a) Lempengan inti

(b) Tumpukan inti dengan kertas isolasi pada beberapa alurnya,

(c) Tumpukan inti dan kumparan dalam cangkang stator

Untuk rotor akan dibahas pada bagian berikutnya, yaitu jenis – jenis motor

induksi tiga fasa berdasarkan jenis rotornya.

2.3 Jenis Motor Induksi Tiga Fasa

Ada dua jenis motor induksi tiga fasa berdasarkan rotornya yaitu:

1. motor induksi tiga fasa sangkar tupai ( squirrel-cage motor)

2. motor induksi tiga fasa rotor belitan ( wound-rotor motor )

kedua motor ini bekerja pada prinsip yang sama dan mempunyai konstruksi stator

yang sama tetapi berbeda dalam konstruksi rotor.

2.3.1 Motor Induksi Tiga Fasa Sangkar Tupai ( Squirrel-cage Motor)

Penampang motor sangkar tupai memiliki konstruksi yang sederhana. Inti

stator pada motor sangkar tupai tiga fasa terbuat dari lapisan – lapisan pelat baja

beralur yang didukung dalam rangka stator yang terbuat dari besi tuang atau pelat baja

yang dipabrikasi. Lilitan – lilitan kumparan stator diletakkan dalam alur stator yang

terpisah 120 derajat listrik. Lilitan fasa ini dapat tersambung dalam hubungan delta (

Δ ) ataupun bintang ( Υ ).

Rotor jenis rotor sangkar ditunjukkan pada Gambar 2.3 di bawah ini.

(a)

Batang Poros

Kipas

Laminasi Inti Besi

Aluminium

Cincin Aluminium

Batang Poros

Kipas

(b)

Gambar 2.3 Rotor sangkar, (a) Tipikal rotor sangkar, (b) Bagian-bagian rotor sangkar

Batang rotor dan cincin ujung motor sangkar tupai yang lebih kecil adalah

coran tembaga atau aluminium dalam satu lempeng pada inti rotor. Dalam motor yang

lebih besar, batang rotor tidak dicor melainkan dibenamkan ke dalam alur rotor dan

kemudian dilas dengan kuat ke cincin ujung. Batang rotor motor sangkar tupai tidak

selalu ditempatkan paralel terhadap poros motor tetapi kerapkali dimiringkan. Hal ini

akan menghasilkan torsi yang lebih seragam dan juga mengurangi derau dengung

magnetik sewaktu motor sedang berputar.

Pada ujung cincin penutup dilekatkan sirip yang berfungsi sebagai pendingin.

Rotor jenis rotor sangkar standar tidak terisolasi, karena batangan membawa arus

yang besar pada tegangan rendah. Motor induksi dengan rotor sangkar ditunjukkan

pada Gambar 2.3.

(a)

(b)

Gambar 2.4 Konstruksi Motor Induksi

(a) Rotor Sangkar Ukuran Kecil

(b) Rotor Sangkar Ukuran Besar

2.3.2 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Belitan ( wound-rotor motor )

Motor rotor belitan ( motor cincin slip ) berbeda dengan motor sangkar tupai

dalam hal konstruksi rotornya. Seperti namanya, rotor dililit dengan lilitan terisolasi

serupa dengan lilitan stator. Lilitan fasa rotor dihubungkan secara Υ dan masing –

masing fasa ujung terbuka yang dikeluarkan ke cincin slip yang terpasang pada poros

rotor. Secara skematik dapat dilihat pada Gambar 2.5. Dari gambar ini dapat dilihat

bahwa cincin slip dan sikat semata – mata merupakan penghubung tahanan kendali

variabel luar ke dalam rangkaian rotor.

Gambar 2.5 Cincin slip ring

Pada motor ini, cincin slip yang terhubung ke sebuah tahanan variabel

eksternal yang berfungsi membatasi arus pengasutan dan yang bertanggung jawab

terhadap pemanasan rotor. Selama pengasutan, penambahan tahanan eksternal pada

rangkaian rotor belitan menghasilkan torsi pengasutan yang lebih besar dengan arus

pengasutan yang lebih kecil dibanding dengan rotor sangkar. Konstruksi motor tiga

fasa rotor belitan ditunjukkan pada gambar di halaman selanjutnya.

(a)

(b)

Gambar 2.6 (a) Rotor Belitan

(b) Konstruksi Motor Induksi Tiga Phasa dengan Rotor

Belitan

2.4 Medan Putar

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.

Misalkan kumparan a – a; b – b; c – c dihubungkan 3 fasa, dengan beda fasa

masing – masing 1200 ( Gambar 2.7 ) dan dialiri arus sinusoid. Distribusi arus ia, ib, ic

sebagai fungsi waktu adalah seperti Gambar 2.7. Pada keadaan t1, t2, t3, dan t4, fluks

resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing – masing adalah seperti

Gambar 2.8.

Pada t1 fluks resultan mempunyai arah sama dengan arah fluks yang dihasilkan

oleh kumparan a – a; sedangkan pada t2, fluks resultannya mempunyai arah sama

dengan arah fluks yang dihasilkan oleh kumparan c – c; dan untuk t3 fluks resultan

mempunyai arah sama dengan fluks yang dihasilkan oleh kumparan b – b. Untuk t4,

fluks resultannya berlawanan arah dengan fluks resultan yang dihasilkan pada saat t1

keterangan ini akan lebih jelas pada analisa vektor.

Gambar 2.7 Diagram Phasor Fluksi Tiga Phasa dan Arus Tiga Phasa

Gambar 2.8 (a) Diagram phasor fluksi tiga phasa (b) Arus tiga phasa setimbang (c) Medan putar pada motor induksi tiga phasa

Dari gambar diatas terlihat fluks resultan ini akan berputar satu kali. Oleh

karena itu untuk mesin dengan jumlah kutub lebih dari dua, kecepatan sinkron dapat

diturunkan sebagai berikut :

ns = p

f.120 ( rpm

)......................................................................................(2.1)

Ns = Kecepatan sinkron (Rpm)

f = frekuensi ( Hz )

p = jumlah kutub

2.4.1 Analisis Secara Vektor

Analisis secara vektor didapatkan atas dasar :

1. Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam suatu lingkar

sesuai dengan perputaran sekrup (Gambar 2.9).

Gambar 2.9 Arah fluks yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir dalam

suatu lingkar

2. Kebesaran fluks yang ditimbulkan ini sebanding dengan arus yang

mengalir.

Notasi yang dipakai untuk menyatakan positif atau negatifnya arus yang

mengalir pada kumparan a – a, b – b, dan c – c pada Gambar 2.7 yaitu: harga positif,

apabila tanda silang (x) terletak pada pangkal konduktor tersebut ( titik a, b, c ),

sedangkan negatif apabila tanda titik ( . ) terletak pada pangkal konduktor tersebut

(Gambar 2.8 ). Maka diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4, dapat

dilihat pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Diagram vektor untuk fluks total pada keadaan t1, t2, t3, t4

Dari semua diagram vektor di atas dapat pula dilihat bahwa fluks resultan

berjalan (berputar).

2.4.2 Besar Kuat Medan Putar

Dengan adanya masukan tegangan tiga phasa akan menyebabkan adanya arus

tiga phasa dan menghasilkan fluks tiga phasa yang akan menimbulkan medan putar

yang kuatnya dapat diketahui dengan memperhatikan gelombang fluks yang

dihasilkan oleh tegangan tiga phasa tersebut. Perhatikan Gambar 2.11 di bawah.

Gambar 2.11 Gelombang fluks tiga phasa

Pada saat θ = 00 , maka :

ФR = Фm Sin ωt = 0

ФS = Фm Sin (ωt – 2400) = Фm -

ФT = Фm Sin (ωt – 1200) = Фm

Dari persamaan diatas maka dapat digambar sebuah diagram fasor seperti

dibawah ini.

Gambar 2.12 Diagram Fasor Fluks Resultan

Фr =( Фm + Фm ) cos

= 2 x Фm cos 300

= 1,5 Фm

Maka kuat medan putar adalah 1,5 Фm

2.5 Slip

Motor induksi tidak dapat berputar pada kecepatan sinkron. Seandainya hal ini

terjadi, maka rotor akan tetap diam relatif terhadap fluksi yang berputar. Maka tidak

akan ada ggl yang diinduksikan dalam rotor, tidak ada arus yang mengalir pada rotor,

dan karenanya tidak akan menghasilkan kopel. Kecepatan rotor sekalipun tanpa

beban, harus lebih kecil sedikit dari kecepatan sinkron agar adanya tegangan induksi

pada rotor, dan akan menghasilkan arus di rotor, arus induksi ini akan berinteraksi

dengan fluks listrik sehingga menghasilkan kopel. Selisih antara kecepatan rotor

dengan kecepatan sinkron disebut slip (s). Slip dapat dinyatakan dalam putaran setiap

menit, tetapi lebih umum dinyatakan sebagai persen dari kecepatan sinkron.

Slip (s) = %100×−

s

rs

nnn

………........................................................…….(2.2)

dimana: =rn kecepatan rotor (RPM)

Persamaan (2.2) di atas memberikan informasi yaitu :

1. saat s = 1 dimana rn = 0, ini berati rotor masih dalam keadaan diam atau akan

berputar.

2. s = 0 menyatakan bahwa sn = rn , ini berarti rotor berputar sampai kecepatan

sinkron. Hal ini dapat terjadi jika ada arus dc yang diinjeksikan ke belitan rotor,

atau rotor digerakkan secara mekanik.

3. 0 < s < 1, ini berarti kecepatan rotor diantara keadaan diam dengan kecepatan

sinkron. Kecepatan rotor dalam keadaan inilah dikatakan kecepatan tidak

sinkron. Biasanya slip untuk mendapatkan efisiensi yang tinggi pada saat beban

penuh adalah 0,04.

2.6 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga Fasa

Motor induksi adalah peralatan pengubah energi listrik ke bentuk energi

mekanik. Pengubahan energi ini bergantung pada keberadaan phenomena alami

magnetik, medan listrik, gaya mekanis dan gerak.

Dalam motor induksi, tidak ada hubungan listrik ke rotor, arus rotor

merupakan arus induksi. Tetapi ada kondisi yang sama seperti motor dc, dimana pada

rotor mengalir arus. Arus ini berada dalam medan magnetik sehingga akan terjadi

gaya (F) pada rotor yang akan menggerakkan rotor dalam arah tegak lurus medan.

Jika pada belitan stator diberi tegangan tiga fasa, maka pada stator akan

dihasilkan arus tiga fasa, arus ini menghasilkan medan magnetik yang berputar

dengan kecepatan sinkron. Ketika medan melewati konduktor rotor, dalam konduktor

ini diinduksikan ggl yang sama seperti ggl yang diinduksikan dalam lilitan sekunder

transformator oleh fluksi arus primer. Rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup,

baik melalui cincin ujung atau tahanan luar, ggl induksi menyebabkan arus mengalir

dalam konduktor rotor. Jadi arus yang mengalir pada konduktor rotor dalam medan

magnet yang dihasilkan stator akan menghasilkan gaya (F) yang bekerja pada rotor.

Gambar 2.11 di bawah ini menggambarkan penampang stator dan rotor motor

induksi, dengan medan magnet diumpamakan berputar searah jarum jam dan dengan

statornya diam seperti pada saat start.

Gambar 2.13 Arah medan magnet pada rotor dan stator

Untuk arah fluksi dan gerak yang ditunjukkan gambar di atas, penggunaan

aturan tangan kanan fleming bahwa arah arus induksi dalam konduktor rotor menuju

pembaca. Pada kondisi seperti itu, dengan konduktor yang mengalirkan arus berada

dalam medan magnet seperti yang ditunjukkan, gaya pada konduktor mengarah ke

atas karena medan magnet di bawah konduktor lebih kuat dari pada medan di atasnya.

Agar sederhana, hanya satu konduktor rotor yang diperlihatkan. Tetapi, konduktor –

konduktor rotor yang berdekatan lainnya dalam medan stator juga mengalirkan arus

dalam arah seperti pada konduktor yang ditunjukkan, dan juga mempunyai suatu gaya

ke arah atas yang dikerahkan pada mereka. Pada setengah siklus berikutnya, arah

medan stator akan dibalik, tetapi arus rotor juga akan dibalik, sehingga gaya pada

rotor tetap ke atas. Demikian pula konduktor rotor di bawah kutup – kutup medan

stator lain akan mempunyai gaya yang semuanya cenderung memutarkan rotor searah

jarum jam. Jika kopel yang dihasilkan cukup besar untuk mengatasi kopel beban yang

menahan, motor akan melakukan percepatan searah jarum jam atau dalam arah yang

sama dengan perputaran medan magnet stator.

Untuk memperjelas prinsip kerja motor induksi tiga fasa, maka dapat

dijabarkan dalam langkah – langkah berikut:

1. Pada keadaan beban nol Ketiga phasa stator yang dihubungkan dengan sumber

tegangan tiga phasa yang setimbang menghasilkan arus pada tiap belitan phasa.

2. Arus pada tiap phasa menghasilkan fluksi bolak-balik yang berubah-ubah

3. Amplitudo fluksi yang dihasilkan berubah secara sinusoidal dan arahnya tegak

lurus terhadap belitan phasa

4. Akibat fluksi yang berputar timbul ggl pada stator motor yang besarnya adalah

e1 = dtdN Φ

− 1 ( Volt )

....................................................(2.3) atau

Φ= 11 44,4 fNE ( Volt )

....................................................(2.4)

5. Penjumlahan ketiga fluksi bolak-balik tersebut disebut medan putar yang berputar

dengan kecepatan sinkron ns, besarnya nilai ns ditentukan oleh jumlah kutub p dan

frekuensi stator f yang dirumuskan dengan p

fn

×=

120s ( rpm )

6. Fluksi yang berputar tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.

Akibatnya pada kumparan rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar E2 yang

besarnya

m22 444 ΦfNE ,= ( Volt )

...........................................(2.5)

dimana :

E1 = Ggl pada stator (Volt)

E2 = Tegangan induksi pada rotor saat rotor dalam keadaan diam (Volt)

N1 = Jumlah lilitan kumparan rotor

N2 = Jumlah lilitan kumparan rotor

Фm = Fluksi maksimum(Wb)

7. Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl tersebut akan

menghasilkan arus I2, dimana arus I2 adalah arus pada rotor dalam satuan Ampere

8. Adanya arus I2 di dalam medan magnet akan menimbulkan gaya F pada rotor

9. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya F cukup besar untuk memikul kopel

beban, rotor akan berputar searah medan putar stator

10. Perputaran rotor akan semakin meningkat hingga mendekati kecepatan sinkron.

Perbedaan kecepatan medan stator (ns) dan kecepatan rotor (nr) disebut slip (s)

dan dinyatakan dengan

%100s

rs ×−

=n

nns

11. Pada saat rotor dalam keadaan berputar, besarnya tegangan yang terinduksi pada

kumparan rotor akan bervariasi tergantung besarnya slip. Tegangan induksi ini

dinyatakan dengan E2s yang besarnya

m2s2 444 ΦsfNE ,= ( Volt )

..................................................(2.7)

dimana

E2s = tegangan induksi pada rotor dalam keadaan berputar (Volt)

f2 = s.f = frekuensi rotor (frekuensi tegangan induksi pada rotor dalam

keadaan berputar)

12. Bila ns = nr, tegangan tidak akan terinduksi dan arus tidak akan mengalir pada

kumparan rotor, karenanya tidak dihasilkan kopel. Kopel ditimbulkan jika nr < ns

2.7 Frekuensi Rotor

sn

nnff

s

rs =−

='

Ketika rotor masih dalam keadaan diam, dimana frekuensi arus pada rotor

sama seperti frekuensi masukan ( sumber ). Tetapi ketika rotor akan berputar, maka

frekuensi rotor akan bergantung kepada kecepatan relatif atau bergantung terhadap

besarnya slip. Untuk besar slip tertentu, maka frekuensi rotor sebesar 'f yaitu,

rs nn − =P

f '120

.....................................................................(2.8)

diketahui bahwa n s = p

f120

Dengan membagikan n s dengan salah satu dari persamaan 2.8, maka didapatkan

..........................................................................................................(2.9)

Maka 'f = sf ( Hz

)………………..................................................................................(2.10)

Telah diketahui bahwa arus rotor bergantung terhadap frekuensi rotor 'f = sf

dan ketika arus ini mengalir pada masing – masing phasa di belitan rotor, akan

memberikan reaksi medan magnet. Biasanya medan magnet pada rotor akan

menghasilkan medan magnet yang berputar yang besarnya bergantung atau relatif

terhadap putaran rotor sebesar ssn .

Pada keadaan tertentu, arus rotor dan arus stator menghasilkan distribusi

medan magnet yang sinusoidal dimana medan magnet ini memiliki magnetudo yang

konstan dan kecepatan medan putar sn yang konstan. Kedua Hal ini merupakan

medan magnetik yang berputar secara sinkron. kenyataannya tidak seperti ini karena

pada stator akan ada arus magnetisasi pada kumparannya.

2.8 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Untuk mempermudah analisis motor induksi, digunakan metoda rangkaian

ekivalen per – fasa. Motor induksi dapat dianggap sebagai transformator dengan

rangkaian sekunder berputar. Rangkaian ekivalen statornya dapat digambarkan

sebagai berikut :

1V

1R1X

1I

cR mX

0I

cI mI

2I

1E

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen stator motor induksi

dimana :

I0 = arus eksitasi (Ampere)

V1 = tegangan terminal stator ( Volt )

E1 = ggl lawan yang dihasilkan oleh fluks celah udara resultan ( Volt )

I1 = arus stator ( Ampere )

R1 = tahanan efektif stator ( Ohm )

X1 = reaktansi bocor stator ( Ohm )

Arah positif dapat dilihat pada rangkaian Gambar 2.14.

Arus stator terbagi atas 2 komponen, yaitu komponen arus beban dan komponen

arus penguat I0. Komponen arus penguat I0 merupakan arus stator tambahan yang

diperlukan untuk menghasilkan fluksi celah udara resultan, dan merupakan fungsi

ggm E1.

Komponen arus penguat I0 terbagi atas komponen rugi – rugi inti IC yang sefasa

dengan E1 dan komponen magnetisasi IM yang tertinggal 900 dari E1.

Hubungan antara tegangan yang diinduksikan pada rotor sebenarnya ( Erotor ) dan

tegangan yang d2nduksikan pada rotor ekivalen ( E2S ) adalah :

rotor

S

EE2 =

2

1

NN = a

....................................................................................( 2.11 )

atau

E2S = a Erotor ……………………………............................................

( 2.12 )

dimana a adalah jumlah lilitan efektif tiap fasa pada lilitan stator yang banyaknya a

kali jumlah lilitan rotor.

Bila rotor – rotor diganti secara magnetik, lilitan – ampere masing – masing

harus sama, dan hubungan antara arus rotor sebenarnya Irotor dan arus I2S pada rotor

ekivalen adalah:

I2S = a

I rotor …………………………….........................................….

( 2.13 )

sehingga hubungan antara impedansi bocor frekuensi slip Z2S dari rotor ekivalen dan

impedansi bocor frekuensi slip Zrotor dari rotor sebenarnya adalah :

Z2S = =S

S

IE

2

2 =rotor

rotor

IEa 2

rotorZa 2

…….........................................……( 2.14 )

Nilai tegangan, arus dan impedansi tersebut diatas didefinisikan sebagai nilai yang

referensinya ke stator.

Selanjutnya persamaan ( 2.14 ) dapat dituliskan :

=S

S

IE

2

2SZ 2 = 2R + 2jsX

………………..............................................( 2.15 )

dimana :

SE2 = Tegangan induksi rotor ekivalen (Volt )

SI2 = Arus rotor ekivalen ( Amper )

Z2S = Impedansi bocor rotor frekuensi slip tiap fasa dengan referensi ke stator

( Ohm)

R2 = Tahanan efektif referensi ( Ohm )

sX2 = reaktansi bocor referensi pada frekuensi slip X2 didefinisikan sebagai

harga reaktansi bocor rotor dengan referensi frekuensi stator ( Ohm ).

Reaktansi yang didapat pada persamaan (2.15) dinyatakan dalam cara yang

demikian karena sebanding dengan frekuensi rotor dan slip. Jadi 2X didefinisikan

sebagai harga yang akan dimiliki oleh reaktansi bocor pada rotor dengan patokan pada

frekuensi stator.

Pada stator ada gelombang fluks yang berputar pada kecepatan sinkron.

Gelombang fluks ini akan mengimbaskan tegangan pada rotor dengan frekuensi slip

sebesar sE2 dan ggl lawan stator 1E . Bila bukan karena efek kecepatan, tegangan

rotor akan sama dengan tegangan stator, karena lilitan rotor identik dengan lilitan

stator. Karena kecepatan relatif gelombang fluks terhadap rotor adalah s kali

kecepatan terhadap stator, hubungan antara ggl efektif pada stator dan rotor adalah:

sE2 = 1sE

…………………………...…............................................….(2.16)

Gelombang fluks magnetik pada rotor dilawan oleh fluks magnetik yang

dihasilkan komponen beban 2I dari arus stator, dan karenanya, untuk harga efektif

sI 2 = 2I

..................................................................................................(2.17)

Dengan membagi persamaan (2.16) dengan persamaan (2.17) didapatkan:

=S

S

IE

2

2

2

1

IsE

………………………………..............................................(2.18)

Didapat hubungan antara persamaan (2.17) dengan persamaan (2.18), yaitu

=S

S

IE

2

2

2

1

IsE = 2R + 2jsX

……..........……...............................................(2.19)

Dengan membagi persamaan (2.19) dengan s, maka didapat

2

1

IE =

sR2 + 2jX

…………….………...…...........................................…(2.20)

Dari persamaan (2.20) dapat dibuat rangkaian ekivalen untuk rotor.

Dari persamaan (2.15) , (2.16) dan (2.20) maka dapat digambarkan rangkaian

ekivalen pada rotor sebagai berikut :

sE2 1E

2R

2sX

2X

sR2

2R

)11(2 −s

R2I 2I

2X

2I1E

Gambar 2.15 Rangkaian ekivalen pada rotor motor induksi.

s

R2 = s

R2 + 2R - 2R

s

R2 = 2R + )11(2 −s

R

………………......................................................(2.21)

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

maka dapat dibuat rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa pada masing – masing

fasanya. Perhatikan Gambar di bawah ini.

1V

1R1X

1I

cR mX

ΦI

cI mI

2I

1E

2sX

2I

2R2sE

Gambar 2.16 Rangkaian ekivalen motor induksi tiga phasa

Untuk mempermudah perhitungan maka rangkaian ekivalen pada Gambar 2.16

diatas dapat dilihat dari sisi stator, rangkaian ekivalen motor induksi tiga fasa akan

dapat digambarkan sebagai berikut.

1V

1R 1X

cRmX

'2X

1E

1I 0I

cImI

2'I

sR '

2

Gambar 2.17 Rangkaian ekivalen dilihat dari sisi stator motor induksi

Dimana:

2'X = 2

2 Xa

2'R = 2

2 Ra

Dalam teori transformator-statika, analisis rangkaian ekivalen sering

disederhanakan dengan mengabaikan seluruh cabang penalaran atau melakukan

pendekatan dengan memindahkan langsung ke terminal primer. Pendekatan demikian

tidak dibenarkan dalam motor induksi yang bekerja dalam keadaan normal, karena

adanya celah udara yang menjadikan perlunya suatu arus penetralan yang sangat besar

(30% sampai 40% dari arus beban penuh) dan karena reaktansi bocor juga perlu lebih

tinggi. Untuk itu dalam rangkaian ekivalen cR dapat dihilangkan (diabaikan).

Rangkaian ekivalen menjadi Gambar 2.18 berikut.

1V

1R 1X

mX

2'R'

2X

)11('2 −s

R1E

1I 0I

2'I

Gambar 2.18 Rangkaian ekivalen lain dari motor induksi

2.9 Disain Motor Induksi Tiga Fasa

Motor asinkron yang sering kita temukan sehari-hari misalnya adalah kipas

angin, mesin pendingin, kereta api listrik gantung, dan lain sebagainya. Untuk itu

perlu diketahui kelas-kelas dari motor tersebut untuk mengetahui unjuk kerja dari

motor tersebut. Adapun kelas-kelas tersebut adalah sebagai berikut :

1. Kelas A : Torsi start normal, arus start normal dan slip kecil

Tipe ini umumnya memiliki tahanan rotor sangkar yang rendah. Slip pada

beban penuh kecil atau rendah namun efisiensinya tinggi. Torsi maksimum

biasanya sekitar 21% dari torsi beban penuh dan slipnya kurang dari 21%.

Motor kelas ini berkisar hingga 20 Hp.

2. Kelas B : Torsi start normal, arus start kecil dan slip rendah

Torsi start kelas ini hampir sama dengan kelas A tetapi arus startnya berkisar

75%Ifl . Slip dan efisiensi pada beban penuh juga baik. Kelas ini umumnya

berkisar antara 7,5 Hp sampai dengan 200 Hp. Penggunaan motor ini antara

lain : kipas angin, boiler, pompa dan lainnya.

3. Kelas C : Torsi start tinggi dan arus start kecil

Kelas ini memiliki resistansi rotor sangkar yang ganda yang lebih besar

dibandingkan dengan kelas B. Oleh sebab itu dihasilkan torsi start yang lebih

tinggi pada arus start yang rendah, namun bekerja pada efisisensi dan slip

yang rendah dibandingkan kelas A dan B.

4. Kelas D : Tosi start tinggi, slip tinggi

Kelas ini biasanya memiliki resistansi rotor sangkar tunggal yang tinggi

sehingga dihasilkan torsi start yang tinggi pada arus start yang rendah

Gambar 2.19 Karakteristik torsi dan kecepatan motor induksi

pada berbagai disain

2.10 Parameter Motor Induksi Tiga Fasa

Parameter rangkaian ekivalen dapat dicari dengan melakukan pengukuran

pada percobaan tahanan DC, percobaan beban nol, dan percobaan rotor tertahan

(block- rotor). Dengan penyelidikan pada setiap rangkaian ekivalen, percobaan beban

nol motor induksi dapat disimulasikan dengan memaksimalkan tahanan rotor s

R 2'

.

Hal ini bisa terjadi pada keadaan normal jika slip dalam nilai yang minimum. Slip

yang mendekati nol terjadi ketika tidak ada beban mekanis, dan mesin dikatakan

dalam keadaan berbeban ringan.

Pengukuran rotor tertahan dilakukan dengan menahan rotor tetap diam. Pada

kondisi ini slip bernilai satu yang merupakan nilai slip tertinggi untuk kondisi motor,

jadi nilai s

R 2'

bernilai minimum. Untuk menentukan bentuk rangkaian ekivalen, pola

fluksi dianggap sinusoidal, demikian juga rugi-rugi yang diukur proporsional terhadap

fluksi utama, dan kejenuhan diabaikan.

2.10.1 Percobaan DC

Untuk memperoleh harga 1R dilakukan dengan pengukuran DC yaitu dengan

menghubungkan sumber tegangan DC (VDC) pada dua terminal input dan arus DC-nya

(IDC) lalu diukur. Di sini tidak mengalir arus rotor karena tidak ada tegangan yang

terinduksi.

2.10.1.1. Kumparan hubungan Wye (Y)

Gambar rangkaian ketika kumparan motor induksi tiga phasa terhubung Y, dan

diberi suplai DC dapat dilihat pada Gambar 2.20 di bawah ini.

a

b

c

RDC

RDC

RDC

VDC+-

IDC

Gambar 2.20 Rangkaian phasa stator saat pengukuran DC hubungan Y

Harga DCR1 dapat dihitung, untuk kumparan dengan hubungan Y, adalah

sebagai berikut :

DC

DCDC1 2

1IV

R = ( Ohm

).......................................................(2.22)

2.10.1.2 Kumparan Hubungan Delta (∆)

Gambar rangkaian ketika kumparan motor induksi tiga phasa terhubung delta

dan diberi suplai DC, dapat dilihat pada Gambar2.21 di bawah ini.

VDC+-

IDC

RA RB

RC

Gambar 2.21 Rangkaian phasa stator saat pengukuran DC hubungan Delta

Diketahui bahwa tahanan pada kumparan pada masing – masing phasa adalah sama,

maka RRRR CBA === . Jadi gambar diatas dapat disederhanakan menjadi gambar

berikut.

AR PRD CV

D CI

AI

Gambar 2.22 Rangkaian penyederhanaan phasa stator saat pengukuran DC

hubungan Delta

Dimana PR = CB RR +

Jadi AR = A

DC

IV

Dimana PA

PDCA RR

RII+

×=

DCA II32

= , maka

ADCR = DC

DC

IV

32

= DC

DC

IV

×23

Harga R1 ini dinaikkan dengan faktor pengali 1,1-1,5 untuk operasi arus bolak-balik,

karena pada operasi arus bolak-balik resistansi konduktor meningkat karena distribusi

arus yang tidak merata akibat efek kulit dan medan magnet yang melintasi alur.

DCac RkR 11 ×= ( Ohm

)....................................................................(2.23)

Dimana =k faktor pengali, besarnya 1,1 – 1,5

Karena besar tahanan konduktor stator dipengaruhi oleh suhu, dan biasanya bila rugi-

rugi motor ditentukan dengan pengukuran langsung pada motor, maka untuk

mengetahui nilai tahanan yang paling mendekati, biasanya dilakukan dengan beberapa

kali pengukuran dan mengambil besar rata-rata dari semua pengukuran yang

dilakukan.

2.10.2 Percobaan Beban Nol

Motor induksi dalam keadaan beban nol dibuat dalam keadaan berputar tanpa

memikul beban pada rating tegangan dan frekuensinya. Besar tegangan yang

digunakan ke belitan stator perphasanya adalah 1V ( tegangan nominal), arus masukan

sebesar 0I dan dayanya 0P . Nilai ini semua didapat dengan melihat alat ukur pada

saat percobaan beban nol.

Dalam percobaan beban nol, kecepatan motor induksi mendekati kecepatan

sinkronnya. Dimana besar s 0, sehingga s

R '2 ~ sehingga besar impedansi total

bernilai tak berhingga yang menyebabkan arus 2'I pada Gambar 2.23 bernilai nol

sehingga rangkaian ekivalen motor induksi pada pengukuran beban nol ditunjukkan

pada Gambar 2.23. Namun karena pada umumnya nilai kecepatan motor pada

pengukuran ini 0rn yang diperoleh tidak sama dengan ns maka slip tidak sama dengan

nol sehingga ada arus I2’ yang sangat kecil mengalir pada rangkaian rotor, arus 2

'I

tidak diabaikan tetapi digunakan untuk menghitung rugi – rugi gesek + angin dan rugi

– rugi inti pada percobaan beban nol. Pada pengukuran ini didapat data-data antara

lain : arus input (I1= 0I ), tegangan input (V1 = 0V ), daya input perphasa (P0) dan

kecepatan poros motor ( 0rn ). Frekuensi yang digunakan untuk eksitasi adalah

frekuensi sumber f.

Gambar 2.23 Rangkaian pada Saat Beban Nol

Iφ

Zm

V1

I1 = Iφ

ImIc

Rc

jX1R1

Xm

sR 2

'

2'X

Gambar 2.24 Rangkaian ekivalen pada saat beban nol

Dengan tidak adanya beban mekanis yang terhubung ke rotor dan tegangan

normal diberikan ke terminal, dari Gambar 2.24 didapat besar sudut phasa antara arus

antara 0I dan 0V adalah :

= −

00

010 IV

PCosθ

.....................................................................(2.24)

Dimana: == nlPP0 daya saat beban nol perphasa

10 VV = = tegangan masukan saat beban nol

== nlII 0 arus beban nol

dengan P0 adalah daya input perphasa. Sehingga besar E1 dapat dinyatakan dengan

))(( 11011 0 jXRIVE o +∠−∠= θϕ

(Volt)...................................(2.25)

ron adalah kecepatan rotor pada saat beban nol. Daya yang didisipasikan oleh Rc

dinyatakan dengan :

1200c RIPP −= ( Watt

).....................................................................(2.26)

1R didapat pada saat percobaan dengan tegangan DC.

Harga Rc dapat ditentukan dengan

0

21

c PE

R =

(Ohm).....................................................................(2.27)

Dalam keadaan yang sebenarnya 1R lebih kecil jika dibandingkan dengan mX dan

juga cR jauh lebih besar dari mX , sehingga impedansi yang didapat dari percobaan

beban nol dianggap 1jX dan mjX yang diserikan.

nlZ = 3

1

nlIV

≅ )( 1 mXXj + ( Ohm

)............................................(2.28)

Sehingga didapat

1

1

3X

IVX

nlm −= ( ohm

).............................................................(2.29)

2.10.3 Percobaan Rotor Tertahan

Pada pengukuran ini rotor dipaksa tidak berputar ( rn = 0, sehingga s = 1) dan

kumparan stator dihubungkan dengan tegangan seimbang. Karena slip s = 1, maka

pada Gambar 2.23, harga 2'

'2 R

sR

= . Karena mc22 jXRjXR <<+ '' maka arus yang

melewati mc jXR dapat diabaikan. Sehingga rangkaian ekivalen motor induksi

dalam keadaan rotor tertahan atau hubung singkat seperti ditunjukkan pada Gambar

2.24.

jX1+jX’2R1 + R’2

V1

I1

Gambar 2.25 Rangkaian ekivalen pada saat rotor tertahan (S = 1)

Impedansi perphasa pada saat rotor tertahan ( BRZ ) dapat dirumuskan sebagai berikut:

BRBR'21

'21BR )( jXRXXjRRZ +=+++= ( Ohm

)......................................(2.30)

Pengukuran ini dilakukan pada arus mendekati arus rating motor. Data hasil

pengukuran ini meliputi : arus input (I1 = BRI ), tegangan input (V1 = BRV ) dan daya

input perphasa ( BRP = Pin ). Karena adanya distribusi arus yang tidak

merata pada batang rotor akibat efek kulit, harga '2R menjadi tergantung frekuensi.

Maka umumnya dalam praktek, pengukuran rotor tertahan dilakukan dengan

mengurangi frekuensi eksitasi menjadi BRf untuk mendapatkan harga '2R yang

sesuai dengan frekuensi rotor pada saat slip rating. Dari data-data tersebut, harga BRR

dan BRX dapat dihitung :

BR

BRBR I

VZ = (Ohm

).....................................................................................(2.31)

2BR

2BRBR RZX −= (Ohm

)........................................................................(2.32)

Untuk menentukan harga X1 dan X2 digunakan metode empiris berdasarkan

IEEE standar 112. hubungan X1 dan X2 terhadap Xbr dapat dilihat pada Tabel 2.1

Tabel 2.1 Distribusi empiris dari Xbr

Disain

Kelas Motor X1 '

2X

A 0,5 Xbr 0,5 Xbr

B 0,4 Xbr 0,6 Xbr

C 0,3 Xbr 0,7 Xbr

D 0,5 Xbr 0,5 Xbr

Rotor Belitan 0,5 Xbr 0,5 Xbr

Di sini besar XBR harus disesuaikan dahulu dengan frekuensi rating f.

BRBR

' XffXBR

= (Ohm

)........................................................................(2.33)

2'

1' XXX BR −= (Ohm

).......................................................................(2.34)