1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Motor arus bolak-balik (motor AC) adalah suatu mesin yang berfungsi untuk

mengubah energi listrik arus bolak-balik menjadi energi gerak atau energi mekanik

berupa putaran rotor. Motor Induksi merupakan motor arus bolak-balik (AC) yang

paling luas penggunaannya. Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa tegangan dan

arus motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu tetapi merupakan tegangan dan

arus yang terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor

dengan medan putar stator. Motor induksi banyak diaplikasikan dalam bidang industri

dan komersial. Hal ini didukung karena motor induksi mempunyai konstruksi yang

kuat dan tahan lama sehingga pemeliharaannya cukup mudah. Disisi lain motor

induksi juga merupakan beban yang bersifat induktif dan mempunyai kelemahan dari

segi karakteristik kerja motor baik pada saat starting maupun running. Nilai efisiensi,

power faktor, dan arus start pada motor ini berubah-ubah sesuai dengan kondisi

pembebanan yang diberikan. Oleh karena itu akan dilakukan suatu analisa mengenai

pemasangan kapasitor pada motor induksi dimana diharapkan dapat memperbaiki

power faktor dan menurunkan konsumsi arus running motor. Salah satu jenis motor

arus bolak-balik adalah motor sinkron/serempak tiga phasa. Dikatakan motor sinkron

tiga phasa karena motor ini beroperasi pada sumber tegangan tiga phasa. Dan

dikatakan motor sinkron karena putaran medan stator (medan putar) dan putaran rotor

serempak/sinkron. Motor sinkron pada pengoperasiannya tidak dapat melakukan start

awal (self starting), oleh karena itu motor sinkron tiga phasa membutuhkan penggerak

mula (prime mover) untuk memutar medan pada stator sampai pada kecepatan putar

medan putar stator. Pada motor sinkron, perubahan beban tidak mempengaruhi

kecepatan putar motor karena ketika motor masih bekerja maka rotor akan selalu

terikat atau terkopel secara magnetis dengan medan putar dan dipaksa untuk berputar

dengan kecepatan sinkronnya. Karena demikian, motor sinkron biasanya digunakan

pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan dengan beban yang

berubah-ubah. Contohnya Rolling Mills, Mesin Penghancur (Crusher), Pulp Grinders,

Reciprocating Pump dan lain-lain. Dengan demikian kita perlu mempelajari konsep

1

2

dari motor sinkron, dimana motor sinkron ini dapat menjadi suatu pilihan yang tepat

untuk sistem operasi yang membutuhkan kecepatan yang konstan dengan beban yang

berubah-ubah [1].

1.2 Maksud Dan Tujuan

1. Mahasiswa dapat mempelajari prinsip kerja motor sinkron

2. Mahasiswa dapat mengetahui karakteristik motor sinkron

3. Mahasiswa dapat mengetahui komponen-komponen yang terdapat dalam motor AC

2

3

BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Motor Listrik

Motor listrik arus bolak-balik diklasifikasikan dengan dasar prinsip pengoperasian

sebagai motor asinkron (induksi) atau motor sinkron. Motor induksi adalah jenis motor

dimana tidak ada tegangan eksternal yang diberikan pada rotornya, tetapi arus pada stator

menginduksikan tegangan pada celah udara dan pada lilitan rotor untuk menghasilkan arus

rotor dan medan magnet. Medan magnet stator dan rotor kemudian berinteraksi dan

menyebabkan rotor motor berputar. Gambar 2.1 menunjukkan Gambar dari motor induksi.

Gambar 2.1 Motor induksi [ 1]

Motor listrik memiliki 2 komponen listrik utama yaitu:

1. Rotor, motor induksi menggunakan 2 jenis rotor:

a) Rotor sangkar tupai, terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan

dalam petak-petak slot paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan

pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.

b) Rotor belitan, yang memiliki gulungan 3 fasa, lapisan ganda dan

terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fasa digulungi

3

4

kawat pada bagian dalamnya dan ujung lainnya dihubungkan ke cincin

kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.

2. Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dan slots untuk membawa

gulungan tiga fasa. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang

tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat.

Motor listrik dapat diklsifikasikan menjadi dua kelompok utama, yaitu:

1. Motor induksi satu fasa. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator,

beroperasi dengan pasokan daya satu fasa, meiliki sebuah motor sangkar tupai,

dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor

ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan

rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan

untuk penggunaan hingga 3 sampai 4HP.

2. Motor induksi tiga fasa. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan

tiga fasa yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang

tinggi, dapat berupa sangkar tupai atau gulungan rotor (walaupun 90%

memiliki rotor sangkar tupai), dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa

sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini. Sebagai contoh pompa,

kompresor, belt conveyor, jaringan listrik, dan grinder. Tersedia dalam ukuran

1/3 atau ratusan HP.

2.2 Motor Induksi Satu Phase

Motor induksi satu phase hampir sama dengan motor induksi tiga phase. Motor ini

terdiri dari sebuah rotor squired-cage dan sebuah stator. Stator terdiri dari lilitan utama yang

terdiri dari kutub utara dan selatan. Pada stator juga terdapat lilitan tambahan yang lebih kecil

yang bekerja hanya pada saat motor bekerja ( start-up ). Lilitan tambahan memiliki jumlah

kutub yang sama dengan lilitan utama. Motor induksi satu fasa sering digunakan sebagai

penggerak pada peralatan yang memerlukan daya rendah dan kecepatan yang relatif konstan.

Hal ini disebabkan karena motor induksi satu fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu

konstruksi yang cukup sederhana, kecepatan putar yang hampir konstan terhadap perubahan

beban, dan umumnya digunakan pada sumber jala-jala satu fasa yang banyak terdapat pada

peralatan domestik. Walaupun demikian motor ini juga memiliki beberapa kekurangan, yaitu

kapasitas pembebanan yang relatif rendah, tidak dapat melakukan pengasutan sendiri tanpa

pertolongan alat bantu dan efisiensi yang rendah. [2]

4

5

Gambar 2.2 Motor AC induksi 1 fasa [2]

2.2.1 Konstruksi Motor AC Induksi Satu Fasa

Konstruksi motor induksi satu fasa hampir sama dengan konstruksi motor induksi tiga

fasa, yaitu terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Keduanya merupakan rangkaian

magnetik yang berbentuk silinder dan simetris. Di antara rotor dan stator ini terdapat celah

udara yang sempit.

Gambar 2.3 Konstruksi umum motor induksi satu fasa [2]

Stator merupakan bagian yang diam sebagai rangka tempat kumparan stator yang

terpasang. Stator terdiri dari : inti stator, kumparan stator, dan alur stator. Motor induksi satu

fasa dilengkapi dengan dua kumparan stator yang dipasang terpisah, yaitu kumparan utama

5

6

(main winding) atau sering disebut dengan kumparan berputar dan kumparan bantu (auxiliary

winding) atau sering disebut dengan kumparan start.

Gambar 2.4 Stator motor AC induksi satu fasa [2]

Rotor merupakan bagian yang berputar. Bagian ini terdiri dari : inti rotor, kumparan

rotor dan alur rotor. Pada umumnya ada dua jenis rotor yang sering digunakan pada motor

induksi, yaitu rotor belitan (wound rotor) dan rotor sangkar (squirrel cage rotor).

Gambar 2.5 Rotor motor AC induksi satu fasa [2]

6

7

2.2.2 Prinsip Kerja Motor AC Induksi Satu Fasa

Prinsip kerja motor AC induksi satu fasa dibagi dalam dua jenis yaitu sebagai berikut:

1. Teori Medan Putar Silang

Prinsip kerja motor induksi satu fasa dapat dijelaskan dengan menggunakan teori

medan putar silang (cross-field theory). Jika motor induksi satu fasa diberikan tegangan

bolak-balik satu fasa maka arus bolak-balik akan mengalir pada kumparan stator. Arus pada

kumparan stator ini menghasilkan medan magnet seperti yang di tunjukkan oleh garis putus-

putus pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Motor dalam keadaan berputar silang [2]

Jika fluks rotor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.6 mengarah ke atas sesuai

dengan kaidah tangan kanan Fleming, arah gaya gerak listrik rotor akan mengarah keluar

kertas pada setengah bagian atas rotor dan mengarah ke dalam kertas pada setengah bagian

bawah rotor. Pada setengah periode berikutnya arah dari gaya gerak listrik yang dibangkitkan

akan terbalik. Gaya gerak listrik yang diinduksikan ke rotor adalah berbeda dengan arus dan

fluks stator. Karena konduktor-konduktor rotor terbuat dari bahan dengan tahanan rendah dan

induktansi tinggi, maka arus rotor yang dihasilkan akan tertinggal terhadap gaya gerak listrik

rotor mendekati 90°. Gambar 2.7 menunjukkan hubungan fasa dari arus dan fluks stator, gaya

gerak listrik, arus dan fluks rotor.

7

8

Gambar 2.7 Fluks rotor tertinggal terhadap fluks stator sebesar 90° [2]

Sesuai dengan kaidah tangan kanan Fleming, arus rotor ini akan menghasilkan medan

magnet, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8 karena medan rotor ini terpisah sebesar

90o dari medan stator, maka disebut sebagai medan silang (cross-field). Nilai maksimum dari

medan ini seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.8, terjadi pada saat seperempat periode

setelah gaya gerak listrik rotor yang dibangkitkan adalah telah mencapai nilai maksimumnya.

Karena arus rotor yang mengalir disebabkan oleh suatu gaya gerak listrik bolak-balik maka

medan magnet yang dihasilkan oleh arus ini adalah juga bolak-balik dan aksi ini terjadi

sepanjang sumbu DB.

Gambar 2.8. Medan Putar yang dibangkitkan arus stator [2]

8

9

Karena medan silang beraksi pada sudut 90° terhadap medan magnet stator dengan

sudut fasa yang juga tertinggal 90° terhadap medan stator, kedua medan bersatu untuk

membentuk sebuah medan putar resultan yang berputar dengan kecepatan sinkron yang

ditunjukkan pada Gambar 2.9.

Gambar 2.9. Phasor medan putar yang dihasilkan oleh belitan stator dan rotor [2].

2. Teori Medan Putar Silang

Teori medan putar ganda (double revolving-field theory) adalah suatu metode lain

untuk menganalisis prinsip perputaran motor induksi satu fasa disamping teori medan putar

silang. Menurut teori ini, medan magnet yang berpulsa dalam waktu tetapi diam dalam

ruangan dapat dibagi menjadi dua medan magnet, dimana besar kedua medan magnet ini

sama dan berputar dalam arah yang berlawanan. Dengan kata lain, suatu fluks sinusoidal

bolak-balik dapat diwakili oleh dua fluks yang berputar, yang masing-masing nilainya sama

9

10

dengan setengah dari nilai fluks bolak-balik tersebut dan masing-masing berputar secara

sinkron dengan arah yang berlawanan.

Pada Gambar 2.9 menunjukkan suatu fluks bolak-balik yang mempunyai nilai

maksimum Mφ . Komponen fluksnya A dan B mempunyai nilai yang sama yaitu mφ/2,

berputar dengan arah yang berlawanan dan searah jarum jam, seperti ditunjukkan anak panah.

Gambar 2.9 Konsep medan putar ganda [2]

Pada beberapa saat ketika A dan B telah berputar dengan sudut +θ dan –θ seperti pada

Gambar 2.9. maka besar fluks resultan adalah [1] :

( 2.1 )

( weber )

diman

= fluks resultan ( weber )

= fluks maksimum ( weber )

θ = sudut ruang

10

11

Setelah seperempat periode putaran, fluks A dan B akan berlawanan arah seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.9 sehingga resultan fluksnya sama dengan nol. Setelah setengah

putaran, fluks A dan B akan mempunyai resultan sebesar -2 x mφ /2 = - mφ, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 2.9. Setelah tiga perempat putaran, resultan akan kembali nol

seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9 dan demikianlah seterusnya. Jika nilai-nilai dari

fluks resultan diGambar kan terhadap θ diantara θ = 0° sampai θ = 360°, maka akan didapat

suatu kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.

Gambar 2.10 Kurva Fluks Resultan Terhadap θ [2]

Pada saat rotor berputar sesuai dengan arah momen putar medan maju dengan kecepatan

tertentu, maka besar slip terhadap momen putar medan maju (sf) yang terjadi adalah [2] :

(2.2)

dimana :

ns = kecepatan sinkron ( rpm )

11

12

nr = kecepatan putaran rotor (rpm)

Sedangkan slip terhadap momen mundur (sb) dengan rotor menentang arah momen putar

mundur adalah :

(2.3)

(2.4)

Masing-masing dari komponen fluks tersebut memotong konduktor rotor sehingga

menginduksikan ggl dan pada akhirnya menghasilkan torsi sendiri. Kedua torsi mempunyai

arah saling berlawanan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11. Pada keadaan diam

kedua komponen torsi tersebut adalah sama besar, sehingga torsi asut adalah nol. Pada saat

motor berputar, besar kedua komponen torsi tersebut tidaklah sama sehingga torsi resultan

membuat motor tetap berputar pada putarannya.

Gambar 2.11 Karakteristik Torsi - Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa [2]

2.2.3 Jenis-jenis Motor Iduksi Satu Fasa

Cara paling mudah untuk menjalankan motor induksi satu fasa adalah dengan

menambahkan sebuah kumparan bantu pada kumparan utama di bagian stator sehingga motor

dapat dijalankan. Jika dua kumparan terpisah 90° listrik pada stator motor dan eksitasi dengan

12

13

dua ggl bolak-balik yang berbeda fasa sebesar 90° listrik, dihasilkan medan magnet putar.

Jika dua kumparan terpisah demikian dihubungkan paralel ke suatu sumber fasa, medan yang

dihasilkan akan bolak-balik, tetapi tidak berputar Karena kedua kumparannya ekivalen

dengan satu kumparan fasa. Akan tetapi, jika suatu impedansi dihubungkan seri dengan salah

satu kumparan ini, arusnya akan berbeda fasa. Dengan pemilihan impedansi yang cocok, arus

dapat dibuat agar berbeda fasa sampai 90° listrik, sehingga menghasilkan medan putar sama

seperti medan dari motor dua fasa. Inilah prinsip dari pemisahan fasa (phase splitting) [2].

Pada keadaan berputar, motor induksi satu fasa dapat menghasilkan momen putar hanya

dengan satu kumparan. Sehingga dengan bertambahnya kecepatan motor kumparan bantu

dapat dilepas dari rangkaian. Pada kebanyakan motor, hal ini dilakukan dengan

menghubungkan sebuah saklar sentrifugal yang bekerja melepaskan hubungan kumparan

bantu sistem.

Motor induksi satu fasa dikenal dengan beberapa nama. Penerapannya menjelaskan

cara-cara yang dipakai untuk menghasilkan perbedaan fasa antara arus yang mengalir pada

kumparan utama dan arus yang mengalir pada kumparan bantu.

1. Motor Fasa Terpisah

Gambar rangkaian motor induksi fasa terpisah ditunjukkan pada Gambar 2.12

Kumparan bantu memiliki perbandingan tahanan terhadap reaktansi yang lebih tinggi

daripada kumparan utama, sehingga kedua arus akan berbeda fasa seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 2.12 Perbandingan tahanan terhadap reaktansi yang tinggi dapat dengan

menggunakan kawat yang lebih murni pada kumparan bantu. Hal ini diizinkan karena

kumparan bantu hanya dipakai pada saat start. Saklar sentrifugal akan memisahkan dari

rangkaian segera setelah dicapai kecepatan sinkron sekitar 70 sampai 80 persen kecepatan

sinkron.

Karakteristik momen putar vs kecepatan dari motor ini ditunjukkan pada Gambar 2.12.

Gambar ini memperlihatkan nilai torsi masing-masing kecepatan motor, mulai dari posisi

diam sampai kecepatan nominal, dan seterusnya sampai kecepatan sinkron. Torsi start adalah

torsi yang tersedia bila motor mulai berputar dari posisi diam. Torsi beban penuh adalah torsi

yang dihasilkan bila motor berputar pada keluaran nominal. Bila beban terus berangsur-

angsur diperbesar dari keadaan dimana motor berputar pada keluaran nominal untuk melayani

beban dan torsi maksimum dari poros motor yang dapat digunakan dapat dilampaui, maka

motor menjadi tidak mampu melayani beban dan berhenti. Nilai maksimum dari torsi dalam

hal ini disebut torsi maksimum Tmaks.

13

14

Gambar 2.12. Motor Fasa Terpisah [2]

2. Motor Kapasitor Start

Konstruksi motor kapasitor start ditunjukkan pada Gambar 2.13. Untuk mendapatkan

torsi putar awal yang lebih besar, yaitu : dengan cara menghubungkan sebuah kapasitor yang

dipasang secara seri dengan kumparan bantu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.13. Hal

ini akan menaikkan sudut fasa antara arus kumparan seperti yang ditunjukkan pada Gambar

2.13. Karakteristik momen putar-kecepatan putar dari motor ini dapat ditunjukkan pada

Gambar 2.13. Karena kapasitor dipakai hanya untuk pada saat start, jenis kapasitor yang

dipakai adalah kapasitor elektrolit. Motor ini menghasilkan momen putar start yang lebih

tinggi

Gambar 2.13 Motor Kapasitor start [2]

14

15

3. Motor Kapasitor Permanen

Konstruksi dari motor kapasitor permanen ditunjukkan pada Gambar 2.14. Gambar

rangkaian ekivalen motor ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.14. kapasitor

dihubungkan seri dengan kumparan bantu dan tidak dilepas setelah pengasutan dilakukan dan

tetap tinggal pada rangkaian. Hal ini menyederhanakan konstruksi dan mengurangi biaya serta

memperbaiki ketahanan motor karena saklar sentrifugal tidak digunakan. Faktor daya,

denyutan momen putar, dan efisiensi akan lebih baik karena motor berputar seperti motor dua

fasa. Sudut fasa antar kumparan ditunjukkan pada Gambar 2.14. Jenis kapasitor yang

digunakan adalah kapasitor kertas. Karakteristik momen putar–kecepatan motor ini

ditunjukkan pada Gambar 2.14.

Gambar 2.14 Motor Kapasitor Permanen [2]

4. Motor Kapasitor Start – Kapasitor Run

Motor ini mempunyai dua buah kapasitor, satu digunakan pada saat start dan satu lagi

digunakan pada saat berputar, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.15. Secara praktis keadaan

start dan berputar yang optimal dapat diperoleh dengan menggunakan dua buah kapasitor

elektrolit. Kapasitor Run secara permanen dihubungkan seri dengan kumparan bantu dengan

nilai yang lebih kecil dan dipakai kapasitor kertas. Sudut fasa antar kumparan sama seperti

pada motor kapasitor permanen seperti pada Gambar 2.15. Karakteristik momen putar-

kecepatan dari motor ini ditunjukkan pada Gambar 2.15.

15

16

Gambar 1.15 Motor Kapasitor Start – Kapasitor Run [2]

5. Motor Shaded Pole

Motor ini mempunyai kutub tonjol dan sebagian dari masing-masing kutub dikelilingi

oleh lilitan rangkaian terhubung singkat yang terbuat dari tembaga yang disebut kumparan

terarsir seperti pada Gambar 2.16. Arus imbas yang terdapat pada kumparan yang terarsir

menyebabkan fluksi yang berada pada bagian lain. Hasilnya seperti medan putar yang

bergerak dalam arah dari daerah kutub yang tidak terarsir ke bagian kutub yang terarsir dan

menimbulkan momen putar saat dihidupkan yang kecil. Karakteristik motor shaded pole

ditunjukkan pada Gambar 2.16.

Gambar 2.16. Motor Shaded Pole [2]

2.2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Satu Fasa

Konsep medan putar ganda pada motor induksi satu fasa menjelaskan bahwa fluks

yang dihasilkan ekivalen dengan dua buah fluks yang mempunyai besar yang sama dan

berputar dalam arah yang berlawanan pada kecepatan sinkron. Masing-masing fluks ini akan

mengimbaskan komponen arus rotor dan menghasilkan gerak motor induksi seperti pada

16

17

motor induksi fasa banyak. Hal yang sederhana dan penting bahwa motor induksi ini hanya

beroperasi pada kumparan utama.

1. Pada Keadaan Diam

Pada saat keadaan diam, jika rangkaian stator dihubungkan dengan tegangan satu fasa,

maka motor induksi dapat dinyatakan sebagai transformator dengan kumparan sekunder

terhubung singkat. Rangkaian motor induksi satu fasa tersebut dapat dilihat pada Gambar

2.17.

Gambar 2.17. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Satu Fasa [2]

Dengan menggunakan konsep medan putar fluks yang dihasilkan kumparan stator

dapat dipecah menjadi dua bagian yaitu : medan putar maju dan medan putar mundur. Kedua

medan putar ini akan mengimbaskan ggl pada kumparan rotor sehingga tahanan dan reaktansi

pada kumparan rotor diekivalenkan masing-masing adalah setengah dari nilai tahanan dan

reaktansi kumparan rotor sesungguhnya, yaitu R2/2 dan X2/2 seperti yang terlihat pada

Gambar 2.18.

Gambar 2.18. Motor Induksi Satu Fasa Dalam Keadaan Diam [2]

17

18

2. Pada Saat Beroperasi

Pada saat kecepatan motor induksi mulai bertambah dan bekerja hanya pada kumparan

utama. Pada arah medan maju menggunakan slip s, arus rotor yang diimbaskan medan maju

mempunyai frekuensi s.f, dimana f adalah frekuensi stator. Arus rotor ini akan menghasilkan

fluks yang bergerak maju pada kecepatan slip. Fluks ini akan membangkitkan ggl dengan arah

maju pada kumparan utama stator. Pangaruh pada rotor jika dilihat dari sisi stator dapat

dinyatakan sebagai suatu impedansi sebesar 0,5 R2/s + j 0,5 X2 paralel dengan Xm dan Rc.

Seperti yang terlihat pada Gambar 2.19 dengan menggunakan simbol f.

Pada arah medan putar mundur, rotor tetap bergerak dengan slip s berpatokan pada medan

maju dan besarnya kecepatan putar medan maju adalah :

n = 1 –s (2.5)

Selanjutnya medan mundur mengimbaskan arus rotor dengan frekuensi (2 – s)f. Arus rotor

ini akan menghasilkan fluks yang bergerak mundur. Fluks ini akan mengimbaskan ggl pada

medan mundur kumparan stator. Pengaruh tersebut dapat diperlihatkan pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Motor Induksi Satu Fasa Dalam Keadaan Beroperasi [1]

18

19

Dengan menggunakan rangkaian ekivalen di atas, kita dapat menghitung arus stator,

arus rotor, daya masukan, dan faktor daya untuk sembarang harga slip apabila tegangan yang

diberikan dan impedansi motor diketahui.

Dari rangkaian di atas, didapat [3] :

( Ω ) (2.6)

( Ω ) (2.7)

( Ω ) (2.8)

( ampere ) (2.9)

dimana :

R1 = Resistansi kumparan stator

R2 = Resistansi kumparan rotor

X1 = Reaktansi bocor kumparan stator

X2 = Reaktansi bocor kumparan rotor

Xm = Reaktansi pemagnetan

Rc = Tahanan inti tembaga

Zm = Impedansi pemagnetan

I1 = Arus pada kumparan stator

2.3 Motor Induksi Tiga Fasa

19

20

Motor induksi tiga fasa merupakan motor listrik arus bolak-balik yang paling banyak

digunakan dalam dunia industri. Dinamakan motor induksi karena pada kenyataannya arus

rotor motor ini bukan diperoleh dari suatu sumber listrik, tetapi merupakan arus yang

terinduksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar.

Dalam kenyataannya, motor induksi dapat diperlakukan sebagai sebuah transformator, yaitu

dengan kumparan stator sebagai kumparan primer yang diam, sedangkan kumparan rotor

sebagai kumparan sekunder yang berputar. [4]

Motor induksi tiga fasa berputar pada kecepatan yang pada dasarnya adalah konstan,

mulai dari tidak berbeban sampai mencapai keadaan beban penuh. Kecepatan putaran motor

ini dipengaruhi oleh frekuensi, dengan demikian pengaturan kecepatan tidak dapat dengan

mudah dilakukan terhadap motor ini. Walaupun demikian, motor induksi tiga fasa memiliki

beberapa keuntungan, yaitu sederhana, konstruksinya kokoh, harganya relatif murah, mudah

dalam melakukan perawatan, dan dapat diproduksi dengan karakteristik yang sesuai dengan

kebutuhan industri.

2.3.1 Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa

Sebuah motor induksi tiga fasa memiliki konstruksi yang hampir sama dengan motor

listrik jenis lainnya. Motor ini memiliki dua bagian utama, yaitu

stator yang merupakan bagian yang diam, dan rotor sebagai bagian yang berputar. Antara

bagian stator dan rotor dipisahkan oleh celah udara yang sempit, dengan jarak berkisar dari

0,4 mm sampai 4 mm [4].

Gambar 2.20. Penampang Stator dan Rotor Motor Induksi Tiga Fasa [4]

20

21

1. Stator

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 2.21. Tiap elemen laminasi inti dibentuk dari lempengan besi. Tiap

lempengan besi tersebut memiliki beberapa alur dan beberapa lubang pengikat untuk

menyatukan inti. Tiap kumparan tersebar dalam alur yang disebut belitan fasa dimana untuk

motor tiga fasa, belitan tersebut terpisah secara listrik sebesar 120°. Kawat kumparan yang

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

dan belitan stator diletakkan dalam cangkang silindris. Berikut ini contoh lempengan laminasi

inti, lempengan inti yang telah disatukan, belitan stator yang telah dilekatkan pada cangkang

luar untuk motor induksi tiga fasa.

Gambar 2.21 Komponen Stator Motor Induksi Tiga Fasa [4]

2. Rotor

Berdasarkan jenis rotornya, motor induksi tiga fasa dapat dibedakan menjadi dua jenis,

yang juga akan menjadi penamaan untuk motor tersebut, yaitu rotor belitan (wound rotor) dan

rotor sangkar tupai (squirrel cage rotor).

Jenis rotor belitan terdiri dari satu set lengkap belitan tiga fasa yang merupakan

bayangan dari belitan pada statornya. Belitan tiga fasa pada rotor belitan biasanya terhubung

Y, dan masing-masing ujung dari tiga kawat belitan fasa rotor tersebut dihubungkan pada slip

ring yang terdapat pada poros rotor. Belitan-belitan rotor ini kemudian dihubung singkatkan

melalui sikat (brush) yang menempel pada slip ring, dengan menggunakan sebuah

perpanjangan kawat untuk tahanan luar.

21

22

Gambar 2.22 Rotor Belitan Motor Induksi Tiga Fasa [4]

Gambar 2.23 Skema Motor Induksi Rotor Belitan [4]

Dari Gambar 2.23 dapat dilihat bahwa semata-mata keberadaan slip ring dan sikat

hanyalah sebagai penghubung belitan rotor ke tahanan luar (exsternal resistance). Keberadaan

tahanan luar disini berfungsi pada saat pengasutan yang berguna untuk membatasi arus mula

yang besar. Tahanan luar ini kemudian secara perlahan dikurangi sampai resistansinya nol

sebagaimana kecepatan motor bertambah mencapai kecepatan nominalnya. Ketika motor

telah mencapai kecepatan nominalnya, maka tiga buah sikat akan terhubung singkat tanpa

tahanan luar sehingga rotor belitan akan bekerja seperti halnya rotor sangkar tupai.

Rotor sangkar mempunyai kumparan yang terdiri atas beberapa batang konduktor

yang disusun sedemikian rupa hingga menyerupai sangkar tupai. Rotor terdiri dari tumpukan

lempengan besi tipis yang dilaminasi dan batang konduktor yang mengitarinya. Tumpukan

besi yang dilaminasi disatukan untuk membentuk inti rotor. Alumunium (sebagai batang

konduktor) dimasukan ke dalam slot dari inti rotor untuk membentuk serangkaian konduktor

yang mengelilingi inti rotor. Rotor yang terdiri dari sederetan batang-batang konduktor yang

22

23

terletak pada alur-alur sekitar permukaan rotor, ujung-ujungnya dihubung singkat dengan

menggunakan cincin hubung singkat (shorting ring) atau disebut juga dengan end ring.

Gambar 2.24 Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar Tupai [4]

2.3.2 Prinsip Kerja Motor Induksi Tiga fasa

Pada saat terminal tiga fasa stator motor induksi diberi suplai tegangan tiga fasa

seimbang, maka akan mengalir arus pada konduktor di tiap belitan fasa stator dan akan

menghasilkan fluksi bolak-balik . Amplitudo fluksi per fasa yang dihasilkan berubah secara

sinusoidal dan menghasilkan fluks resultan (medan putar) dengan magnitud yang nilainya

konstan yang berputar dengan kecepatan sinkron [3] :

(2.10)

dimana :

ns = kecepatan sinkron/medan putar (rpm)

f = frekuensi sumber daya (Hz)

P = jumlah kutub motor induksi

Medan putar akan terinduksi melalui celah udara menghasilkan ggl induksi (ggl lawan) pada

belitan fasa stator sebesar [3] :

(2.11)

23

24

=

=

=

jadi :

(2.12)

(2.13)

dimana,

= ggl induksi sesaat stator/fasa (Volt)

= ggl induksi maksimum stator/fasa (Volt)

= ggl induksi efektif stator/fasa (Volt)

= frekuensi saluran (Hz)

= jumlah lilitan kumparan stator/fasa

= fluks magnetik maksimum (Weber)

Medan putar tersebut juga akan memotong konduktor-konduktor belitan rotor yang

diam. Hal ini terjadi karena adanya perbedaan relatif antara kecepatan fluksi yang berputar

dengan konduktor rotor yang diam, yang disebut juga dengan slip (s) [3].

(2.14)

Akibat adanya slip, maka ggl (gaya gerak listrik) akan terinduksi pada konduktor-konduktor

rotor sebesar [3] :

24

25

(2.15)

dimana :

= ggl induksi sesaat pada saat rotor diam/fasa (Volt)

= ggl induksi efektif pada saat rotor diam/fasa (Volt)

= frekuensi arus rotor (Hz)

= jumlah lilitan pada kumparan rotor/fasa

= fluks magnetik maksimum (Weber)

Gambar 2.25 Proses Induksi Medan Putar Stator pada Kumparan Rotor [4]

Karena belitan rotor merupakan rangkaian tertutup, baik melalui cincin ujung (end

ring) ataupun tahanan luar, maka arus akan mengalir pada konduktor-konduktor rotor. Karena

konduktor-konduktor rotor yang mengalirkan arus ditempatkan di dalam daerah medan

magnet yang dihasilkan stator, maka akan terbentuklah gaya mekanik (gaya lorentz) pada

konduktor-konduktor rotor. Hal ini sesuai dengan hukum gaya lorentz yaitu bila suatu

konduktor yang dialiri arus berada dalam suatu kawasan medan magnet, maka konduktor

tersebut akan mendapat gaya elektromagnetik (gaya lorentz) sebesar [3] :

Dimana :

F = gaya yang bekerja pada konduktor (Newton)

B = kerapatan fluks magnetik (Wb/m2)

i = besar arus pada konduktor (A)

l = panjang konduktor (m)

25

26

θ = sudut antara konduktor dan vektor kerapatan fluks magnetik

Arah dari gaya elektromagnetik tersebut dapat dijelaskan oleh kaidah tangan kanan

(right-hand rule). Kaidah tangan kanan menyatakan, jika jari telunjuk menyatakan arah dari

vektor arus i dan jari tengah menyatakan arah dari vektor kerapatan fluks B, maka ibu jari

akan menyatakan arah gaya F yang bekerja pada konduktor tersebut.

Gaya F yang dihasilkan pada konduktor-konduktor rotor tersebut akan menghasilkan

torsi (τ). Bila torsi mula yang dihasilkan pada rotor lebih besar daripada torsi beban (τ0 > τb),

maka rotor akan berputar searah dengan putaran medan putar stator.

Gambar 2.10. Konduktor Berarus Dalam Ruang Medan Magnet

Motor akan tetap berputar bila kecepatan medan putar lebih besar dari pada kecepatan

putaran rotor (ns > nr). Apabila ns = nr, maka tidak ada perbedaan relatif antara kecepatan

medan putar (ns) dengan putaran rotor (nr), atau dengan kata lain slip (s) adalah nol. Hal ini

menyebabkan tidak adanya ggl terinduksi pada kumparan rotor sehingga tidak ada arus yang

mengalir, dengan demikian tidak akan dihasilkan gaya yang dapat menghasilkan kopel untuk

memutar rotor [4].

26

27

BAB III

JURNAL PRAKTIKUM

3.1 Maksud dan Tujuan

1) Mahasiswa dapat mengenal dan mengetahui komponen dalam motor AC.

2) Mahasiswadapatmemahami pengoperasian motor AC.

3) Mahasiswa dapat mengetahui jenis-jenis motor AC dan kegunaan dari motor AC

tersebut.

3.2 Alat dan Bahan

1) Motor induksi 1 fase

2) Multimeter analog

3) Tachometer

4) Multimeter analog

5) Fibrometer dan osiloskop

6) Tag ampere

3.3 Langkah Kerja

1) Siapkan motor induksi tanpa beban

2) Hubung dan ukurkan sumber tegangan menggunakan multimeter analog yang di

atur pada pengukuran arus bolak-balik. Catat hasil pengukuran

3) Hubungkan motor listrik dengan sumber tegangan tersebut, lalu ukur arus dan

tegangan dengan menggunakan tang ampere. Catat hasil pengukuran.

27

28

4) Nyalakan motor tersebut, ukur putaran poros motor tersebut dengan menggunakan

tachometer. Catat hasil pengukuran.

5) Ukurlah getaran yang terjadi pada motor di lima titik yang berbeda sebagai berikut.

6) Amati gambar pada layar osiloskop. Gambar kembali pada data hasil pengukuran.

7) Bandingkan kondisi motor listrik yang telah anda ukur dengan kriteria besar getaran

motor listrik. Apakah motor / mesin tersebut masih memenuhi syarat dan

diperkenankan untuk tetap digunakan?

8) Ulangi kembali langkah 1 sampai dengan 7, namun menggunakan beban yang telah

disediakan oleh asisten.

9) Buat jurnal praktikum

3.4 Data Percobaan

NoVariabel

Pengukuran

Hasil Pengukuran

1 2 3 4 5

1Frekuensi Sumber

(f)50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz 50 Hz

2 Jumlah Kutub ( P ) 4 4 4 4 4

3Sudut Phasa Antara

Arus (Ia) Dan (Is)90 90 90 90 90

4 Tegangan 100 100 100 100 100

5Arus Pada Stator

(Is)1.33 0.99 0.62 0.61 0.55

6 Tegangan (v) 100 100 100 100 100

Tabel 3.1 Hasil pengukuran

28

29

Grafik 3.1. Hubungan Antara Arus pada Stator dan Jumlah Putaran

Ketidakpastian:

1) Arus pada stator (Is):

Jadi, harga Is = 0.82 A ± 0.272 A

2) Putaran (n):

rpm

rpm

29

30

Jadi, harga n = 66,54 ± 18,192 rpm

3.5 Kesimpulan

1) Arus pada stator yang terbesar adalah 1.33 A dan yang terkecil adalah 0.55 A serta

ketidakpastiannya sebesar 0.82 A ± 0.272 A

2) Putaran yang terbesar adalah 83,4 rpm dan yang terkecil adalah 37,4 rpm serta

ketidakpastiannya sebesar 66,54 ± 18,192 rpm

BAB IV

PEMBAHASAN SOAL

4.1. Soal

1) Jelaskan prinsip kerja motor AC !

2) Jelaskan konsep medan putar motor AC !

3) Jelaskan jenis motor AC berdasarkan karakteristik arus yang mengalir !

4) Jelaskan jenis motor 3 fasa !

5) Jelaskan aplikasi motor AC ! minimal 4 contoh

6) Berapakah kecepatan stator ?

7) Berapakah slip yang terjadi pada motor ?

30

31

8) Buatlah grafik perbandingan !

a) Grafik perbandingan antara ns dengan n.

b) Grafik perbandingan antara ns dengan s.

4.2. Jawaban

1) Motor arus bolak-balik (motor AC) ialah suatu mesin yang berfungsi  mengubah tenaga

listrik arus bolak-balik (listrik AC) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa

putaran dari pada Rotor. Motor listrik arus bolak-balik  dapat dibedakan atas beberapa

jenis Seperti pada motor DC pada motor AC, arus dilewatkan melalui kumparan,

menghasilkan torsi pada kumparan. Sejak saat itu bolak, motor akan berjalan lancar

hanya pada frekuensi gelombang sinus. Hal ini disebut motor sinkron. Lebih umum

adalah motor induksi, dimana arus listrik induksi dalam kumparan berputar dari pada

yang diberikan kepada mereka secara langsung.

Salah satu kelemahan dari jenis motor AC adalah arus tinggi yang harus mengalir melalui

kontak berputar. Memicu dan pemanasan pada kontak-kontak dapat menghabiskan energi

dan memperpendek masa pakai motor. Dalam motor AC umum medan magnet yang

dihasilkan oleh elektro magnet didukung oleh tegangan AC sama dengan kumparan

motor. Kumparan yang menghasilkan medan magnet yang kadang-kadang disebut

sebagai “stator”, sedangkan kumparan dan inti padat yang berputar disebut “dinamo”.

Dalam motor AC medan magnet sinusoidal bervariasi, seperti arus dalam kumparan

bervariasi. [2]

2) Kumparan yang menghasilkan medan magnet yang kadang-kadang disebut sebagai

"stator", sedangkan kumparan dan inti padat yang berputar disebut "dinamo". Dalam

motor AC medan magnet sinusoidal bervariasi, seperti arus dalam kumparan bervariasi.

Pada rotor dan stator akan timbul fluks magnetik yang akan menyebabkan rotor berputar.

Pada motor 3 fase, flux magnetik yang terbentuk di sekitar stator merupakan medan

magnet yang berputar karena listrik yang dimasukkan pada lilitan stator sudah merupakan

arus listrik yang berputar. Sedangkan pada motor 1 fase, flux magnet hanya berganti-

ganti arah saja sehingga menyulitkan motor pada waktu start. Oleh karena itu, pada motor

induksi satu fase selalu memiliki medan magnet lilitan tambahan sebagai. Lilitan medan

31

32

magnet start ( Starting Winding/ Auxilary Winding ). Apabila motor telah berjalan

normal, maka lilitan bantu ini dapat dilepas (tidak digunakan lagi ). [1]

3) Berdasarkan karakteristik arus yang mengalir, motor AC dibedakan menjadi 2, yaitu:

a) Motor AC 1 fasa

Konstruksi motor induksi satu fasa terdiri atas dua komponen yaitu stator dan rotor.

Stator adalah bagian dari motor yang tidak bergerak dan rotor adalah bagian yang

bergerak yang bertumpu pada bantalan poros terhadap stator. Motor induksi terdiri

atas kumparan kumparan stator dan rotor yang berfungsi membangkitkan gaya gerak

listrik akibat dari adanya arus listrik bolak-balik satu fasa yang melewati kumparan-

kumparan tersebut sehingga terjadi suatu interaksi induksi medan magnet antara stator

dan rotor.

b) Motor AC 3 fasa

Motor induksi tiga fasa memiliki dua komponen dasar yaitu stator dan rotor, bagian

rotor dipisahkan dengan bagian stator oleh celah udara yang sempit (air gap) dengan

jarak antara 0,4 mm sampai 4 mm. Tipe dari motor induksi tiga fasa berdasarkan

lilitan pada rotor dibagi menjadi dua macam yaitu rotor belitan (wound rotor) adalah

tipe motor induksi yang memiliki rotor terbuat dari lilitan yang sama dengan lilitan

statornya dan rotor sangkar tupai (Squirrel-cage rotor) yaitu tipe motor induksi

dimana konstruksi rotor tersusun oleh beberapa batangan logam yang dimasukkan

melewati slot-slot. Yang ada pada rotor motor induksi, kemudian setiap bagian

disatukan oleh cincin sehingga membuat batangan logam terhubung singkat dengan

batangan logam yang lain. [1]

4) Bekerja dengan memanfaatkan perbedaan fasa sumber untuk menimbulkan gaya putar

pada rotornya. Jika pada motor AC 1 phase untuk menghasilkan beda phase diperlukan

penambahan komponen Kapasitor, pada motor 3 phase perbedaan phase sudah di dapat

langsung dari sumber seperti terlihat pada gambar arus 3 phase berikut ini:

32

33

Gambar 4.1. Motor AC 3 Phasa

Gambar 4.2. Grafik Arus 3 Fase

Pada gambar di atas, arus 3 phase memiliki perbedaan phase 60 derajat antar phasenya.

Dengan perbedaan ini, maka penambahan kapasitor tidak diperlukan [1]

5) Contoh-contoh alat yang menggunakan menggunakan motor AC:

1) Kipas angin

2) Televisi

3) Solder listrik

6) Dik : f = 50 Hz

= 4

Dit: ?

Jawab:

= 1500 rps x 60 = 90.000 rpm

33

Keterangan : 1 rps = 60 rpm

34

Keterangan : 1 rps = 60 rpm7) Slip yang terjadi saat motor AC bekerja adalah:

=

=

=

=

=

1 2 3 4 5

Putaran

(n)37.4 50.2 80.5 81.2 83.4

Jumlah

Slip yang

terjadi

0.9750 0.9665 0.9463 0.9458 0.9444

Tabel 4.1. Jumlah slip yang terjadi

Sehingga rata-rata jumlah slip yang terjadi dapat di hitung dengan:

8) Grafik perbandingan:

a) Grafik perbandingan antara ns dengan n:

34

35

Grafik 4.1. Perbandingan Antara Putaran Sinkron dengan Kecepatan Sinkron Medan Putar

b) Grafik perbandingan antara ns dengan s:

Grafik 4.2. Perbandingan Antara Slip pada Motor dengan Kecepatan Sinkron Medan Putar

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Motor arus bolak-balik (AC) adalah suatu mesin yang berfungsi untuk mengubah

energi listrik arus bolak-balik menjadi energi mekanik berupa putaran rotor.35

0,925

0,93

0,935

0,94

0,945

0,95

0,955

0,96

0,965

0,97

0,975

0,98

1000 1200 1300 1400 1500

Slip

Pad

a M

otor

(S)

Kecepatan Sinkron Medan Putar ns (rpm)

36

Dari hasil pengambilan data pada praktikum yang terdapat pada Tabel 3.1. yaitu

dengan menggunakan motor listrik induksi tiga fasa sebanyak lima kali percobaan. Maka

akan menghasilkan kecepatan putaran rotor (rpm) rata-rata sebesar 66,54 ± 18,192 rpm

dan arus rata-rata yang terdapat pada stator sebesar 0.82 A ± 0.272 A

36