Slip - Ring Induction Motor

17
Motor Induksi Rotor Belit Keistimewaan motor induksi rotor belit adalah motor ini dapat di start dengan menambahkan tahanan eksternal ke rangkaian rotor, kemudian secara bertahap tahanan eksternal kembali dilepaskan dari rangkaian rotor. Oleh sebab itu diperoleh keuntungan sebagai berikut : 1. Tahanan eksternal yang ditambahkan ke rangkaian rotor pada saat start akan menambah besar impedansi rotor yang membatasi besar arus start motor. 2. Kinerja motor dapat dibuat bervariasi dengan mengubah parameter rotor untuk memperoleh torsi start dan kecepatan yang diinginkan. 3. Selama start – up, rotor motor listrik lebih rentan terhadap kerusakan akibat panas berlebih dibanding stator. Namun pada slip ring motor, sebagian besar panas ini akan dibagi ke tahanan eksternal yang besarnya sebanding dengan nilai tahanan eksternal tersebut. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Sebuah motor induksi identik dengan sebuah transformator. Oleh sebab itu, rangkaian ekivalen motor induksi mirip dengan rangkaian ekivalen transformator. Perbedaannya hanyalah bahwa kumparan rotor dari motor induksi berputar, yang berfungsi untuk menghasilkan daya mekanik. Rangkaian ekivalen motor induksi dihasilkan dengan cara yang sama sebagaimana halnya pada transformator. Semua parameter-parameter rangkaian

Transcript of Slip - Ring Induction Motor

Page 1: Slip - Ring Induction Motor

Motor Induksi Rotor Belit

Keistimewaan motor induksi rotor belit adalah motor ini dapat di start dengan menambahkan

tahanan eksternal ke rangkaian rotor, kemudian secara bertahap tahanan eksternal kembali

dilepaskan dari rangkaian rotor. Oleh sebab itu diperoleh keuntungan sebagai berikut :

1. Tahanan eksternal yang ditambahkan ke rangkaian rotor pada saat start akan

menambah besar impedansi rotor yang membatasi besar arus start motor.

2. Kinerja motor dapat dibuat bervariasi dengan mengubah parameter rotor untuk

memperoleh torsi start dan kecepatan yang diinginkan.

3. Selama start – up, rotor motor listrik lebih rentan terhadap kerusakan akibat panas

berlebih dibanding stator. Namun pada slip ring motor, sebagian besar panas ini akan

dibagi ke tahanan eksternal yang besarnya sebanding dengan nilai tahanan eksternal

tersebut.

Rangkaian Ekivalen Motor Induksi

Sebuah motor induksi identik dengan sebuah transformator. Oleh sebab itu, rangkaian

ekivalen motor induksi mirip dengan rangkaian ekivalen transformator. Perbedaannya

hanyalah bahwa kumparan rotor dari motor induksi berputar, yang berfungsi untuk

menghasilkan daya mekanik. 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 hal ini dimaksudkan

untuk mempermudah analisis.

Rangkaian Ekivalen Stator

Putaran gelombang fluks pada celah udara membangkitkan ggl lawan tiga fasa yang

seimbang E1 pada belitan stator. Rangkaian ekivalen stator, seperti gambar berikut ini.

Gambar Rangkaian ekivalen stator per-fasa motor induksi.

Page 2: Slip - Ring Induction Motor

(1.1)

Besar tegangan terminal stator V 1 merupakan penjumlahan ggl lawan E1. V 1'¿) dan jatuh

tegangan pada impedansi bocor stator I 1(R1+ jX 1), dapat dinyatakan sebagai berikut :

V 1=E1+ I 1(R1+ jX1)

dimana:

V 1 = tegangan terminal stator (Volt)

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

I 1 = arus stator (Ampere)

R1 = tahanan efektif stator (Ohm)

jX 1 = reaktansi bocor stator (Ohm)

Sebagaimana halnya pada transformator, arus stator I 1 terdiri dari dua komponen. Komponen

pertama, I 2' ' adalah komponen beban yang akan menghasilkan fluks yang akan melawan fluks

yang dihasilkan oleh arus rotor. Komponen lainnya yaitu I 0, arus I 0 ini terbagi lagi menjadi

dua komponen yaitu komponen rugi-rugi inti I c yang sefasa dengan komponen rugi-rugi inti

E1 dan komponen magnetisasi I m yang menghasilkan fluks magnetik pada inti dan celah

udara yang tertinggal 90 ° dari E1.

Rangkaian Ekivalen Rotor

Pada saat rotor dalam kondisi diam yaitu kondisi sesaat rotor sebelum bergerak, kecepatan

relative diantara putaran medan magnet dengan konductor rotor adalah kecepatan sinkron Ns.

Pada kondisi ini tegangan induksi yang dibangkitkan pada rangkaian rotor adalah E2. karena

seluruh belitan rotor dihubung-singkat maka akan mengalir arus I 2 akibat ggl induksi E2 pada

rotor. Sehingga dapat dituliskan persamaannya sebagai berikut :

I 2=¿ E2

R2+ j X2

Page 3: Slip - Ring Induction Motor

(1.3)

(1.2)

(1.4)

Dari bentuk persamaan di atas, rangkaian ekivalen rotor perfasa dalam keadaan diam

digambarkan seperti gambar berikut.

Gambar Rangkaian ekivalen per-fasa rotor motor induksi keadaan diam

dimana :

I 2 = arus rotor dalam keadaan diam (Ampere)

E2 = ggl induksi rotor dalam keadaan diam (Volt)

R2 = resistansi rotor (Ohm)

j X2 = reaktansi rotor dalam keadaan diam (Ohm)

Setelah rotor berputar maka ggl rotor perfasa E2 dan reaktansi rotor perfasa X2 masing-

masing dipengaruhi oleh frekuensi, nilai reaktansi rotor dapat dijelaskan dari persamaan di

bawah ini dimana nilainya tergantung dari induktansi dan frekuensi rotor.

X2 s= ωrL2 = 2πf2L2

Dengan f2 = sf,

Maka:

X2 s= 2πsfL2

= s(2πfL2)

X2 s=sX2

Dengan demikian nilai E2 dan X2 bergantung terhadap slip s, sementara nilai resistansi rotor

perfasa R2 tidak dipengaruhi oleh frekuensi sehingga tidak tergantung terhadap nilai slip s.

Page 4: Slip - Ring Induction Motor

(1.5)

(1.6)

Sehingga dari persamaan di atas dapat dibuat persamaannya menjadi :

I 2' =¿

s E2

R2+ j sX 2

Dengan membagi pembilang dan penyebut pada persamaan di atas dengan s, maka nilai arus

rotor diperoleh seperti berikut :

I 2' =¿

E2

R2

s+ j X2

Nilai dari R2

s sekarang lebih besar dari R2 dikarenakan s memiliki nilai dalam bentuk

pecahan.

Rangkaian Ekivalen Lengkap

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

ekivalen perfasa motor induksi tiga fasa pada masing – masing fasa, seperti halnya seperti

rangkaian ekivalen sebuah transformator.

Gambar Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Tiga Fasa

Daya celah udara adalah daya yang ditransfer dari stator ke rotor sepanjang celah udara. Daya

celah udara Pg dapat dituliskan seperti berikut.

Pg = E2 I2 cos∅ 2 . dengan cos∅ 2 = tahanan rotor

impedansirotor=

R2

s

√( R2

s )2

+ X22

Page 5: Slip - Ring Induction Motor

(1.7)

(1.8)

(1.9)

(1.10)

Pg =

E2

√(R2

s )2

+ X22

. I2' R2

s=I 2

' 2 R2

s

Pg=I 2'2 ×

R2

s=(I ¿¿2' 2

× R2)+ I 2'2 × R2( 1−s

s )¿ Pg = rugi ohmic rotor + daya mekanik internal yang dibangkitkan di rotor (Pm)

Pg = sPg + (1-s) Pg

Sedangkan torsi internal yang dibangkitkan per fasa adalah :

T e=dayamekanik internal yangdibangkitkan dirotor

kecepatan rotor dalam radian per detik

T e=¿ Pm

w r =

(1−s) Pg

(1−s )w s

=Pg

w s

T e=1ws

×(I ¿¿2' 2

×R2

s)= 1

2 π ns

× I2' ×

R2

s¿

Besar daya di shaft dapat dihitung dari besar daya celah udara dikurangi rugi – rugi di rotor,

sebagai berikut :

Daya di shaft = Psh = Pm – Fixed loses ( gesekan, angin, rugi inti )

= Pg – rugi ohmic rotor – fixed loses.

Torsi shaft = Tsh = P sh

Kecepatan Rotor=

Psh

(1−s)w s

Starting Slip – Ring Motor

Starting slip – ring motor dapat mengadopsi baik current limiting method atau defenite time

control method. Pada current limiting method, penutupan kontaktor setiap step diatur oleh

rele pembatas arus yang memungkinkan percepatan kerja kontaktor dari setiap step untuk

menutup setelah arus start motor turun dari nilai puncak ke nilai yang lebih kecil. Rele

menentukan waktu penutupan dengan merasakan nilai arus motor antara masing – masing

step dan akan menutup hanya jika besar arus telah turun ke nilai yang ditentukan pada rele

tersebut. Urutan penutupan kontaktor didesain otomatis dan dapat disesuaikan terhadap

Page 6: Slip - Ring Induction Motor

variasi beban. Lama waktu starting bergantung pada beban yang dipikul slip – ring motor.

Pada defenite time control method setiap kontaktor akan menutup setelah waktu pre – set

telah tercapai. Memotong bagian dari tahanan eksternal yang akan meningkatkan torsi start

dan memberikan kesempatan ke motor untuk pick – up. Oleh sebab itu, biasanya hanya

metode ini yang digunakan untuk starting dan kontrol slip – ring motor induksi.

Memilih tahanan rotor

Besar tahanan eksternal yang akan ditambahkan ke rangkaian rotor, tergantung pada torsi

yang diinginkan dan pembatasan arus stator. Besar arus stator berhubungan dengan besar

torsi dan begitu juga sebaliknya.

Dengan bantuan pengaturan waktu pada setiap step, keseluruhan tahanan eksternal yang

ditambahkan secara bertahap dilepaskan dari rangkaian rotor untuk menjaga profil torsi yang

telah ditentukan sebelumnya.

Pada saat memikul beban yang berat, perlu diketahui berapa besar torsi yang diperlukan pada

saat pick – up, besar tahanan eksternal yang harus ditambahkan ke rangkaian rotor. Grid

tahanan ini dapat dikontrol melalui kontaktor dan timer.

Page 7: Slip - Ring Induction Motor

Tabel. konfigurasi penambahan tahanan external pada rotor motor induksi rotor belit

Page 8: Slip - Ring Induction Motor

Menentukan tahanan eksternal dan lama waktu starting

Gambar di bawah menunjukkan penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor, dan distarting dengan lima step. diasumsikan torsi maksimum dan torsi minimum terjadi antara setiap step.

Gambar penambahan tahanan external dengan lima step

Page 9: Slip - Ring Induction Motor

Imax =

E2

√(R21

S1)

2

+ X22

=E2

√( R22

S3)

2

+X22 ,dst

R21

s1

=R22

s2

….=R2

smax

R21 adalah total tahanan rotor per fasa setelah penambahan tahanan eksternal.

R21 = S1 ×R2

Smax . pada saat start, S1 = 1, maka R21 =

R2

Smax .

dengan cara yang sama,

Imin =

E2

√(R21

S2)

2

+ X22

=E2

√( R22

S3)

2

+X22 ,dst.

Atau, R21

s2

=R22

s3

….=R25

smax

s2

s1

=s3

s2

=…=R22

R21

=R23

R22

=…=R2

R25

R22 = β.R21

R23 = β.R22 = β2. R21

Dan, R2 = β.R25 = β.β4 R21 = β5 R21 = β5 R2

smax .

Diperoleh, β5 = smax , β = 5√smax

Secara umum, β = ∝√smax

Setelah nilai β diketahui, nilai tahanan untuk setiap step dapat ditentukan. Seperti pada kasus di atas, slip maksimum sesuai dengan slip pada operating point.

Page 10: Slip - Ring Induction Motor

Gambar kurva torsi starting motor induksi rotor belit dengan lima step

Page 11: Slip - Ring Induction Motor

Contoh :

Sebuah motor listrik rotor belit 2500 kw, 6 kv, 286 Ampere, 990 RPM, 3∅ , 50 Hz, efisiensi 95%, tegangan rotor 1876 volt, arus stator 819 Ampere hubungan belitan Y/Y. Hitung penambahan tahanan external untuk membatasi arus start 1,5 arus beban penuhnya ?

Solusi :

Psh = 2500 kw

= Pin – rugi–rugi motor ( rugi inti stator + rugi tembaga stator + rugi inti rotor + rugi

tembaga rotor + rugi gesek dan rugi angin ).

= Pg - rugi tembaga rotor – rugi tetap (rugi inti stator - rugi inti rotor - rugi gesek dan

rugi angin).

Pg = daya celah udara

=√3 E2 I2 cos∅ 2 ( dengan cos∅ 2 = tahanan rotor

impedansirotor=

R2

s

√( R2

s )2

+ X22

)

=√3 I22

R2

s

Gambar Rangkaian starting motor induksi rotor belit dengan lima step

Page 12: Slip - Ring Induction Motor

n = Pout

P¿× 100% ;

Pin = 2500 kw

0,95 = 2631,57 kw (total rugi – rugi sebesar 131,57 kw).

Dengan slip(s) ¿N s−N r

N s =

1000−9901000

= 0,01

Asumsi rugi tembaga stator 40% dari total rugi – rugi, maka rugi tembaga stator = 52,6 kw.

Pg = 2500 kw + 78,9 kw = 2578,9 kw

= √3 I22

R2

s = √38192

R2

0,01 ; R2 = 0.021 ohm.

= √3×E2 ×I2× cos∅ 2

= √3×1876volt ×819 ampere× cos∅ 2

cos∅ 2 = 0,96 = tahanan rotor

impedansirotor=

R2

s

√( R2

s )2

+ X22

=

0,0210,01

√( 0,0210,01 )

2

+X22

X2 = 0,61 ohm.

Sebelum penambahan tahanan eksternal pada rangkaian rotor, maka :

I2st = E2

√R22+ X2

2= 1876

√0,0212+0,612 = 3073 amp

Tst = 3

50 π I2st

2 R2 = 3

50 π 30732 x 0,021 = 3789,36 Nm.

Disaat arus start dibatasi sebesar 1,5 arus beban penuh, maka :

Smax = 1,5 × Sfl = 1,5 × 0,01 = 0,015

R1 = R2

Smax =

0,0210,015

= 1,4 ohm.

Setelah tahanan rotor pada saat start menjadi 1,4 ohm. Maka :

I2st = E2

√R22+ X2

2= 1876

√1,42+0,612= 1228 amp

Page 13: Slip - Ring Induction Motor

Tst = 3

50 π I2st

2 R2 = 3

50 π 12282 x 1,4 = 40112,3 Nm.

Dengan penambahan 1,4 ohm arus start berkurang dari 3073 amp menjadi 1228 amp. Dan Torsinya naik dari 3789,36 Nm menjadi 40112,3 Nm.