MESIN ASINKRON

A. MOTOR LISTRIK

Motor listrik yang umum digunakan di dunia Industri adalah motor listrik

asinkron, dengan dua standar global yakni IEC dan NEMA. Motor asinkron IEC

berbasis metrik (milimeter), sedangkan motor listrik NEMA berbasis imperial (inch),

dalam aplikasi ada satuan daya dalam horsepower (hp) maupun kiloWatt (kW).

Motor listrik IEC dibagi menjadi beberapa kelas sesuai dengan efisiensi yang

dimilikinya, sebagai standar di EU, pembagian kelas ini menjadi :

• EFF1

• EFF2

• EFF3

A. EFF1

EFF1 adalah motor listrik yang paling efisien, paling sedikit memboroskan

tenaga, sedangkan.

B. EFF3

EFF3 sudah tidak boleh dipergunakan dalam lingkungan EU, sebab

memboroskan bahan bakar di pembangkit listrik dan secara otomatis akan

menimbulkan buangan karbon yang terbanyak, sehingga lebih mencemari lingkungan.

Standar IEC yang berlaku adalah IEC 34-1, ini adalah sebuah standar yang

mengatur rotating equipment bertenaga listrik. Ada banyak pabrik elektrik motor,

tetapi hanya sebagian saja yang benar-benar mengikuti arahan IEC 34-1 dan juga

mengikuti arahan level efisiensi dari EU.

Banyak produsen elektrik motor yang tidak mengikuti standar IEC dan EU

supaya produknya menjadi murah dan lebih banyak terjual, banyak negara

berkembang manjdi pasar untuk produk ini, yang dalam jangka panjang memboroskan

keuangan pemakai, sebab tagihan listrik yang semakin tinggi setiap tahunnya.

1

Lembaga yang mengatur dan menjamin level efisiensi ini adalah CEMEP, sebuah

konsorsium di Eropa yang didirikan oleh pabrik-pabrik elektrik motor yang ternama,

dengan tujuan untuk menyelamatkan lingkungan dengan mengurangi pencemaran

karbon secara global, karena banyak daya diboroskan dalam pemakaian beban listrik.

Sebagai contoh, dalam sebuah industri rata-rata konsumsi listrik untuk motor

listrik adalah sekitar 65-70% dari total biaya listrik, jadi memakai elektrik motor yang

efisien akan mengurangi biaya overhead produksi, sehingga menaikkan daya saing

produk, apalagi dengan kenaikan tarif listrik setiap tahun, maka pemakaian motor

listrik EFF1 sudah waktunya menjadi keharusan.

B. MESIN ASINKRON ROTOR BELITAN 3 FASA DENGAN

MENGGUNAKAN ANALISIS TENSOR, RANGKAIAN

PENGGANTI DAN PENGUKURAN LABORATORIUM

Perencanaan, pembuatan dan pengoperasian mesin asinkron, khususnya motor

asinkron memerlukan suatu metoda untuk mengetahui karakteristik mesin tersebut.

Berbagai metoda yang dapat digunakan, salah satunya adalah metoda yang

dikemukakan oleh Gabriel Kron (1938) yang disebut analisis tensor atau tensor

analysis. Dari perbandingan karakteristik dan hasil perhitungan serta pengamatan dan

pengukuran laboratorium, memberikan gambaran bahwa analisis tensor memiliki

ketelitian yang cukup tinggi, khususnya untuk pemakaian rumus yang diperoleh dari

penurunan matematika.

2

C. PRAKTIKUM MESIN ASINKRON & PERHITUNGANNYA

1. Tujuan Percobaan

Mempelajari fisik, cara kerja dan karakteristik motor asinkron serta cara

pemakaiannya.

2. Peralatan Percobaan

1. Motor asinkron.

2. Beban motor asinkron, berupa generator AS.

3. Alat ukur listrik A, V, cos ϕ.

4. Catu daya batuan AS.

5. Beban-beban tahanan berubah.

6. Peralatan bantu laboratorium.

3. Teori Percobaan

Anatomi motor asinkron

Motor asinkron 3-fasa ada 2 macam, yaitu motor asinkron belitan dan

motor asinkron rotor sangkar. Motor asinkron rotor sangkar mempunyai bagian-

bagian stator (bagian yang diam) dan rotor (bagian yang berputar). Stator terdiri

dari rumah motor (enclosure). Pada bagian dalam terdapat inti stator yang berupa

laminasi pelat-pelat baja tipis terisolasi satu sama lain, slot belitan stator (alur)

yaitu tempat menempatkan belitan pada stator .

Pada bagian luar stator sirip pendingin motor, yang berguna untuk

membuang panas yang berasal dari rugi-rugi pada motor, juga terdapat terminal

motor di mana hubungan ke rangkaian luar motor dilakukan. Pada bagian lain

terdapat papan nama (name plate) motor, berisi data motor yang meliputi

tegangan, arus, frekuensi kerja serta jumlah fasa, kelas isolasi, hubungan belitan

dan lain-lain.

3

Bantalan dan as terdapat pada sumbu motor dan merupakan pertemuan

bagian stator dan rotor.

Rotor terdiri dari suatu massa inti rotor dengan batang-batang Al atau Cu

yang merupakan belitan rotor yang dihubung singkat dengan suatu ring pada

kedua ujung sisi rotor. Rotor menyatu konstruksi dengan as motor. Pada ujung as

sebelah lain sisi beban, sering dipasang sudut-sudut fan pendingin yang ikut

berputar dengan putaran as- rotor.

Cara kerja motor asinkron

Bila pada ke-3 fasa belitan stator diterimakan suatu tegangan 3-fasa

seimbang maka pada inti stator akan terjadi medan putar, yang berputar sesuai

dengan kecepatan sinkron.

pfN s

×=

120 ...( 1 )

Ns : kecepatan putaran sinkron

f : frekuensi tegangan stator

p : jumlah kutub motor

Fluksi yang berputar di sepanjang inti stator itu akan memotong batang-

batang konduktor rotor, sehingga terimbas suatu tegangan imbas di rotor. Karena

batang rotor terhubung singkat maka akan mengalir arus rotor pada batang-batang

rotor tersebut, yang merupakan gaya putar rotor. Motor berputar dengan kopel

putar sebesar gaya tersebut kali jari-jari (jarak batang konduktor - as).

Bila salah satu fasa masukan terputus, jadi motor hanya mendapat

masukan 2-fasa maka tak akan terjadi medan putar sehingga kopel motor tidak

terbangkitkan dan motor gagal start. Pada kondisi motor tanpa beban maka

putaran motor mendekati Ns.

Slip = s

s

NNN

S−

= ...( 2 )

S akan selalu ada pada operasi motor asinkron.

Pada beban mekanis motor makin besar, S akan makin besar pula. Saat itu

kopel motor akan mengimbangi kopel beban. Beban yang besar akan menarik arus

motor yang besar pila sehingga kopel motor = kopel beban dan terjadi pada

putaran kerja sistem motor-beban.

4

Aliran daya pada motor asinkron

Diagram alir daya ini menggambarkan proses terjadinya perubahan

(konversi) energi dari energi listrik ke energi mekanis (putaran) dengan bermacam

rugi (daya hilang) yang terjadi selama proses konversi onergi tersebut

berlangsung.

Daya listrik masuk stator

Rugi panas belitan dan rugi inti stator

Daya yang diteruskan ke motor melalui glab stator-rotor

Rugi panas belitan dan rugi inti rotor

Daya mekanis yang diperoleh

Rugi gesekan dan angin

Daya keluaran mekanis - putaran

ϕcos3 ××× IV

di stator

di rotor

Gambar 1. Aliran daya pada motor asinkron.

5

Karakteristik kerja motor asinkron

Gambar 1 menunjukkan karakteristik kopel dan putaran dari suatu motor

asinkron dan bebannya.

a) Karakteristik T-N motor dan beban b) Diagram kerja motor

Gambar 2. Operasi motor asinkron.

Pada gambar tersebut terlihat bahwa keseimbangan putaran terjadi pada

n=N di mana pada saat itu kopel beban = kopel putar motor.

Daya mekanis keluar motor saat itu :

5250NT

P LO

×= … ( 3 )

Po [Hp] ; 1 lb = 0,45 kg

TL (ft - lb) ; 1 ft = 0,33 m

N (Rpm)

Bila saat itu motor mendapat tegangan catu 3-fasa V dan arus jala-jala I

dengan faktor kerja = cos ϕ maka daya masuk motor

ϕcos3 IVPin ××= ...( 4 )

sehingga efisiensi motor = in

O

PP

=η …( 5 )

Kembali ke Gambar 2:

Pada saat start, motor mendapat momen/ kopel percepatan sebesar:

SBSa TTT −= …( 6 )

Ta : Kopel percepatan motor saat start

TS : Kopel start motor

TSB : Kopel lawan dari beban saat start

6

Dari hubungan (6) itu terlihat bahwa kecepatan start motor adalah

tergantung pada tegangan masuknya. Untuk motor yang sama, 2VkT ×≈ …( 7 )

Selanjutnya diagram pada Gambar 3 memperlihatkan karakteristik motor

asinkron dalam melayani beban.

Pada beban yang lebih besar, waktu start motor akan lebih panjang, arus

kerja motor lebih tinggi dan putaran kerja motor lebih rendah. Sementara itu oleh

besarnya arus motor, temperatur kerja motor akan lebih tinggi pula. Batas

pembebanan motor ditentukan oleh batas kenaikan temperatur yang terjadi yang

masih dapat ditolerir oleh isolasi belian motor. Tiap jenis isolasi beliatan motor

mempunyai batas temperatur kerja maksimum sendiri-sendiri yang tak boleh

terlewati. Bila terlewati maka isolasi belitan tersebut akan rusak hingga terjadi

hubung singkat yang kemudian membakar isolasi belitan motor.

Gambar 3. Diagram perjalanan waktu dari arus dan putaran motor

untuk dua macam pembebanan

7

Start motor asinkron

Masalah kopel motor ini erat hubungannya dengan cara-cara start motor

asinkron.

Pada cara start wye - delta misalnya, kopel start motor:

3

3

2

2

1

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=Vk

kVTT

Di mana T1 = kopel motor pada cara kerja wye-delta = 13 kopel start motor pada

start langsung hubungan delta.

Namun sementara itu, latar belakang penggunaan start semacam itu adalah

untuk menurunkan arus start motor. Istart sebesar itu (lihat persamaan 8) akan terus

mengalir sebelum motor berputar.

m

pstart Z

VI = …( 8 )

Vp : Tegangan masuk motor / fasa

Zm : Impedansi motor / fasa

Oleh Zm motor yang rendah maka Istart akan tinggi sekali yang selain

mengakibatkan jatuh tegangan sesaat yang besar dijaringkan (antara sumber -

motor) juga dapat mengganggu frekuensi pembangkit serta pengamanan

pengaman arus gangguan, terutama pada motor besar.

Dengan start wye-delta, m

pstart Z

VI

3/= , arus diperkecil 3 kali semula.

Dengan start melalui R depan atau X depan,

dm

pstart XZ

VI

+= ...( 9 )

Setelah motor berputar barulah Istart turun, sesuai :

ms Z

EVI −= ...( 10 )

dimana E adalah ggl lawan motor.

Besarnya Xm ataupun Vstart adalah tergantung pada batas arus start

minimum yang masih dapat diterima oleh sistem motor - beban di mana motor

pada kondisi start tersebut masih sanggup membawa beban ke putaran nominal

yang ditujunya.

8

Rangkaian ekivalen motor asinkron

Sebagaimana juga dengan mesin listrik tak berputar: transformator, motor

asinkron mempunyai pula suatu rangkaian ekivalen. Rangkaian ekivalen motor

asinkron diciptakan untuk mempermudah pekerjaan analisa atas motor. Lihat

gambar 4.

Gambar 4. Rangkaian ekivalen motor asinkron per fasa .

di mana :

Vm / fasa : tegangan masuk motor / fasa

R1 : tahanan stator

X2 : reaktansi

a2 R2 : tahanan rotor dilihat dari stator

a2 X2 : reaktansi

Rc : tahanan rangkaian magnetisasi motor

Xc : reaktansi rangkaian magnetisasi motor

221 Ra

SS

××− :menggambarkan tahanan yang mewakili beban

yang merupakan fungsi dari S

a : perbandingan lilitan stator dan rotor

Nilai parameter rangkaian ekivalen motor diperoleh dari hasil pengukuran

laboratorium. Contoh penggunaan rangkaian ekivalen ini misalnya untuk

menhitung efisiensi, daya keluaran dan lain-lain. Untuk putaran motor tertntu

maka nilai I1 dapat dicari. Demikian pula nilai I2 dan keluaran motor adalah :

222

2013 Ra

ssIP ××

−××=

rugi-rugi motor adalah :

222

202

12

1 RaIRIRIP RCloss ++=

9

Cos ϕ motor adalah dicari setelah nilai 221 Ra

SS

××− diperoleh, dilanjutkan cara

perhitungan menurut teori rangkaian listrik untuk jaringan R dan XL.

Masukan motor adalah :

ϕcos3 11 ×××= VIPin

Dengan demikian efisiensi motor dapat dicari.

4. Percobaan

1. Pasang rangkaian percobaan sebagai berikut :

Gambar 5. Rangkaian percobaan.

2. Pada kondisi tanpa beban, startlah moroe asinkron saudara dan

setelah keadaan steady state ukur V, I, W, N motor. W adalah daya

masuk motor beban nol.

3. Berikan penguatan atas generator AS hingga tegangan kerjanya

tercapai lalu on-kan saklar beban generator AS pada posisi beban

minimum. Catat lagi V, A, W, cos ϕ dan dari generator Vf, If, Va, Ia. Tak

lupa N motor.

4. Lakukan nomor 3 hingga tercapai I ~ 5 A maksimum.

10

5. Tugas

1. Buatlah grafik hubungan antara

Win motor vs N

I motor vs N

Win motor vs cos ϕ

2. Pada sub-bab 4 tentang aliran daya pada motor asinkron ,

gambarkan diagram aliran yang terjadi pada percobaan ini secara

keseluruhan (tak hanya didalam motor asinkron)

Daya mekanis yang diperoleh

Daya keluaran mekanis-putaran

diteruskan ke generator

Daya keluaran Daya listrik

Rugi panas belitan dan rugi inti stator

Rugi gesekan dan angin

Rugi panas

Daya listrik masuk stator

Gambar 6. Aliran daya pada motor asinkron

11

9. Analisa Percobaan

1. Perputaran di generator maupun di motor berkurang seiring dengan

bertambahnya beban.

2. Arus listrik pada generator bertambah seiring dengan bertambahnya

beban.

3. Momen kopel (T) meningkat seiring dengan bertambahnya tegangan.

4. Momen kopel generator sama dengan momen kopel motor.

5. Daya motor tidak sama dengan daya generator.

10. Kesimpulan

1. Harga I generator maupun motor akan semakin besar dibandingkan

dengan harga I generator maupun motor tanpa beban.

2. Perputaran motor akan menurun pada penambahan beban S.

3. Harga cos ϕ cenderung meningkat pada penambahan beban.

4. Rugi daya yang timbul dapat berasal dari panas belitan motor dan

generator, serta sambungan antara generator dan motor yang kurang baik.

Rugi daya ini menyebabkan daya motor tidak sama dengan daya

generator.

5. Tegangan pada motor tidak menurun pada penambahan/ pengurangan

beban.

12