Teori Dasar Sistem Pneumatik

Pneumatik merupakan teori atau pengetahuan tentang udara yang bergerak, keadaan-keadaan keseimbangan udara dan syarat-syarat keseimbangan. Perkataan pneumatik berasal bahasa Yunani “ pneuma “ yang berarti “napas” atau “udara”. Jadi pneumatik berarti terisi udara atau digerakkan oleh udara mampat. Pneumatik merupakan cabang teori aliran atau mekanika fluida dan tidak hanya meliputi penelitian aliran-aliran udara melalui suatu sistem saluran, yang terdiri atas pipa-pipa, selang-selang, gawai dan sebagainya, tetapi juga aksi dan penggunaan udara mampat.

Pneumatik menggunakan hukum-hukum aeromekanika, yang menentukan keadaan keseimbangan gas dan uap (khususnya udara atmosfir) dengan adanya gaya-gaya luar (aerostatika) dan teori aliran (aerodinamika). Pneumatik dalam pelaksanaan teknik udara mampat dalam industri merupakan ilmu pengetahuan dari semua proses mekanik dimana udara memindahkan suatu gaya atau gerakan. Jadi pneumatik meliputi semua komponen mesin atau peralatan, dalam mana terjadi proses-proses pneumatik. Dalam bidang kejuruan teknik pneumatik dalam pengertian yang lebih sempit lagi adalah teknik udara mampat (udara bertekanan).




Komponen-komponen Pneumatik

Komponen pneumatik beroperasi pada tekanan 8 s.d. 10 bar, tetapi dalam praktik dianjurkan beroperasi pada tekanan 5 s.d. 6 bar untuk penggunaan yang ekonomis.
Beberapa bidang aplikasi di industri yang menggunakan media pneumatik dalam hal penangan material adalah sebagai berikut :
a. Pencekaman benda kerja
b. Penggeseran benda kerja
c. Pengaturan posisi benda kerja
d. Pengaturan arah benda kerja

Penerapan pneumatik secara umum :
a. Pengemasan (packaging)
b. Pemakanan (feeding)
c. Pengukuran (metering)
d. Pengaturan buka dan tutup (door or chute control)
e. Pemindahan material (transfer of materials)
f. Pemutaran dan pembalikan benda kerja (turning and inverting of parts)
g. Pemilahan bahan (sorting of parts)
h. Penyusunan benda kerja (stacking of components)
i. Pencetakan benda kerja (stamping and embosing of components)

Susunan sistem pneumatik adalah sebagai berikut :
a. Catu daya (energi supply)
b. Elemen masukan (sensors)
c. Elemen pengolah (processors)
d. Elemen kerja (actuators)

1.1 Alasan Pemakaian Pneumatik
Persaingan antara peralatan pneumatik dengan peralatan mekanik, hidrolik atau elektrik makin menjadi besar. Dalam penggunaannya sistem pneumatik diutamakan karena beberapa hal yaitu :
a. paling banyak dipertimbangkan untuk beberapa mekanisasi,
b. dapat bertahan lebih baik terhadap keadaan-keadaan tertentu
Sering kali suatu proses tertentu dengan cara pneumatik, berjalan lebih rapi (efisien) dibandingkan dengan cara lainnya. Contoh :
1). Palu-palu bor dan keling pneumatik adalah jauh lebih baik dibandingkan dengan perkakas-perkakas elektrik serupa karena lebih ringan, lebih ada kepastian kerja dan lebih sederhana dalam pelayanan.
2). Pesawat-pesawat pneumatik telah mengambil suatu kedudukan monopoli yang penting pada :
a). rem-rem udara bertekanan untuk mobil angkutan dan gerbong-gerbong kereta api, alat-alat angkat dan alat-alat angkut.
b). pistol-pistol ( alat cat semprot, mesin-mesin peniup kaca, berbagai jenis penyejukan udara, kepala-kepala asah kecepatan tinggi ).

Udara bertekanan memiliki banyak sekali keuntungan, tetapi dengan sendirinya juga terdapat segi-segi yang merugikan atau lebih baik pembatasan-pembatasan pada penggunaannya. Hal-hal yang menguntungkan dari pneumatik pada mekanisasi yang sesuai dengan tujuan sudah diakui oleh cabang-cabang industri yang lebih banyak lagi. Pneumatik mulai digunakan untuk pengendalian maupun penggerakan mesin-mesin dan alat-alat.

1.2 Keuntungan Pemakaian Pneumatik
a. Merupakan media/fluida kerja yang mudah didapat dan mudah diangkut :
1). Udara dimana saja tersedia dalam jumlah yang tak terhingga.
2). Saluran-saluran balik tidak diperlukan karena udara bekas dapat dibuang bebas ke atmosfir, sistem elektrik dan hidrolik memerlukan saluran balik.
3). Udara bertekanan dapat diangkut dengan mudah melalui saluran-saluran dengan jarak yang besar, jadi pembuangan udara bertekanan dapat dipusatkan dan menggunakan saluran melingkar semua pemakai dalam satu perusahaan dapat dilayani udara bertekanan dengan tekanan tetap dan sama besarnya. Melalui saluran-saluran cabang dan pipa-pipa selang, energi udara bertekanan dapat disediakan dimana saja dalam perusahaan.

b. Dapat disimpan dengan mudah :
1). Sumber udara bertekanan ( kompresor ) hanya menyerahkan udara bertekanan kalau udara bertekanan ini memang digunakan. Jadi kompresor tidak perlu bekerja seperti halnya pada pompa peralatan hidrolik.
2). Pengangkutan ke dan penyimpanan dalam tangki-tangki penampung juga dimungkinkan.
3). Suatu daur kerja yang telah dimulai selalu dapat diselesaikan, demikian pula kalau penyediaan listrik tiba-tiba dihentikan.

c. Bersih dan kering :
1). Udara bertekanan adalah bersih. Kalau ada kebocoran pada saluran pipa, benda-benda kerja maupun bahan-bahan disekelilingnya tidak akan menjadi kotor.
2). Udara bertekanan adalah kering. Bila terdapat kerusakan pipa-pipa tidak akan ada pengotoran-pengotoran, bintik minyak dansebagainya.
3). Dalam industri pangan , kayu , kulit dan tenun serta pada mesin-mesin pengepakan hal yang memang penting sekali adalah bahwa peralatan tetap bersih selama bekerja.
Sistem pneumatik yang bocor bekerja merugikan dilihat dari sudut ekonomis, tetapi dalam keadaan darurat pekerjaan tetap dapat berlangsung. Tidak terdapat minyak bocoran yang mengganggu seperti pada sistem hidrolik.

d. Tidak peka terhadap suhu
1). Udara bersih ( tanpa uap air ) dapat digunakan sepenuhnya pada suhu-suhu yang tinggi atau pada nilai-nilai yang rendah, jauh di bawah titik beku ( masing-masing panas atau dingin ).
2). Udara bertekanan juga dapat digunakan pada tempat-tempat yang sangat panas, misalnya untuk pelayanan tempa tekan, pintu-pintu dapur pijar, dapur pengerasan atau dapur lumer.
3). Peralatan-peralatan atau saluran-saluran pipa dapat digunakan secara aman dalam lingkungan yang panas sekali, misalnya pada industri-industri baja atau bengkel-bengkel tuang (cor).

e. Aman terhadap kebakaran dan ledakan
1). Keamanan kerja serta produksi besar dari udara bertekanan tidak mengandung bahaya kebakaran maupun ledakan.
2). Dalam ruang-ruang dengan resiko timbulnya kebakaran atau ledakan atau gas-gas yang dapat meledak dapat dibebaskan, alat-alat pneumatik dapat digunakan tanpa dibutuhkan pengamanan yang mahal dan luas. Dalam ruang seperti itu kendali elektrik dalam banyak hal tidak diinginkan.

f. Tidak diperlukan pendinginan fluida kerja
1). Pembawa energi (udara bertekanan) tidak perlu diganti sehingga untuk ini tidak dibutuhkan biaya. Minyak setidak-tidaknya harus diganti setelah 100 sampai 125 jam kerja.

g. Rasional (menguntungkan)
1). Pneumatik adalah 40 sampai 50 kali lebih murah daripada tenaga otot. Hal ini sangat penting pada mekanisasi dan otomatisasi produksi.
2). Komponen-komponen untuk peralatan pneumatik tanpa pengecualian adalah lebih murah jika dibandingkan dengan komponen-komponen peralatan hidrolik.

h. Kesederhanaan (mudah pemeliharaan)
1). Karena konstruksi sederhana, peralatan-peralatan udara bertekanan hampir tidak peka gangguan.
2). Gerakan-gerakan lurus dilaksanakan secara sederhana tanpa komponen mekanik, seperti tuas-tuas, eksentrik, cakera bubungan, pegas, poros sekerup dan roda gigi.
3). Konstruksinya yang sederhana menyebabkan waktu montase (pemasangan) menjadi singkat, kerusakan-kerusakan seringkali dapat direparasi sendiri, yaitu oleh ahli teknik, montir atau operator setempat.
4). Komponen-komponennya dengan mudah dapat dipasang dan setelah dibuka dapat digunakan kembali untuk penggunaan-penggunaan lainnya.

i. Sifat dapat bergerak
1). Selang-selang elastik memberi kebebasan pindah yang besar sekali dari komponen pneumatik ini.

j. Aman
1). Sama sekali tidak ada bahaya dalam hubungan penggunaan pneumatik, juga tidak jika digunakan dalam ruang-ruang lembab atau di udara luar. Pada alat-alat elektrik ada bahaya hubungan singkat.

k. Dapat dibebani lebih ( tahan pembebanan lebih )
Alat-alat udara bertekanan dan komponen-komponen berfungsi dapat ditahan sedemikian rupa hingga berhenti. Dengan cara ini komponen-komponen akan aman terhadap pembebanan lebih. Komponen-komponen ini juga dapat direm sampai keadaan berhenti tanpa kerugian.
1). Pada pembebanan lebih alat-alat udara bertekanan memang akan berhenti, tetapi tidak akan mengalami kerusakan. Alat-alat listrik terbakar pada pembebanan lebih.
2). Suatu jaringan udara bertekanan dapat diberi beban lebih tanpa rusak.
3). Silinder-silinder gaya tak peka pembebanan lebih dan dengan menggunakan katup-katup khusus maka kecepatan torak dapat disetel tanpa bertingkat.

l. Jaminan bekerja besar
Jaminan bekerja besar dapat diperoleh karena :
1). Peralatan serta komponen bangunannya sangat tahan aus.
2). Peralatan serta komponen pada suhu yang relatif tinggi dapat digunakan sepenuhnya dan tetap demikian.
3). Peralatan pada timbulnya naik turun suhu yang singkat tetap dapat berfungsi.
4). Kebocoran-kebocoran yang mungkin ada tidak mempengaruhi ketentuan bekerjanya suatu instalasi.

m. Biaya pemasangan murah
1). Mengembalikan udara bertekanan yang telah digunakan ke sumbernya (kompresor) tidak perlu dilakukan. Udara bekas dengan segera mengalir keluar ke atmosfir, sehingga tidak diperlukan saluran-saluran balik, hanya saluran masuk saja.
2). Suatu peralatan udara bertekanan dengan kapasitas yang tepat, dapat melayani semua pemakai dalam satu industri. Sebaliknya, pengendalian-pengendalian hidrolik memerlukan sumber energi untuk setiap instalasi tersendiri (motor dan pompa).

n. Pengawasan (kontrol)
1). Pengawasan tekanan kerja dan gaya-gaya atas komponen udara bertekanan yang berfungsi dengan mudah dapat dilaksanakan dengan pengukur-pengukur tekanan (manometer).

o. Fluida kerja cepat
1). Kecepatan-kecepatan udara yang sangat tinggi menjamin bekerjanya elemen-elemen pneumatik dengan cepat. Oleh sebab itu waktu menghidupkan adalah singkat dan perubahan energi menjadi kerja berjalan cepat.
2). Dengan udara mampat orang dapat melaksanakan jumlah perputaran yang tinggi ( Motor Udara ) dan kecepatan-kecepatan piston besar (silinder-silinder kerja ).
3). Udara bertekanan dapat mencapai kecepatan alir sampai 1000 m/min (dibandingkan dengan energi hidrolik sampai 180 m/min ).
4). Dalam silinder pneumatik kecepatan silinder dari 1 sampai 2 m/detik mungkin saja ( dalam pelaksanaan khusus malah sampai 15 m/detik ).
5). Kecepatan sinyal-sinyal kendali pada umumnya terletak antara 40 dan 70 m/detik (2400 sampai 4200 m/min)

p. Dapat diatur tanpa bertingkat
1). Dengan katup pengatur aliran, kecepatan dan gaya dapat diatur tanpa bertingkat mulai dari suatu nilai minimum (ditentukan oleh besarnya silinder) sampai maksimum (tergantung katup pengatur yang digunakan).
2). Tekanan udara dengan sederhana dan kalau dibutuhkan dalam keadaan sedang bekerja dapat disesuaikan dengan keadaan.
3). Beda perkakas rentang tenaga jepitnya dapat disetel dengan memvariasikan tekanan udara tanpa bertingkat dari 0 sampai 6 bar.
4). Tumpuan-tumpuan dapat disetel guna mengatur panjang langkah silinder kerja yang dapat disetel terus-menerus (panjang langkah ini dapat bervariasi sembarang antara kedua kedudukan akhirnya).
5). Perkakas-perkakas pneumatik yang berputar dapat diatur jumlah putaran dan momen putarnya tanpa bertingkat.

q. Ringan sekali
Berat alat-alat pneumatik jauh lebih kecil daripada mesin yang digerakkan elektrik dan perkakas-perkakas konstruksi elektrik (hal ini sangat penting pada perkakas tangan atau perkakas tumbuk). Perbandingan berat (dengan daya yang sama) antara :
• motor pneumatik : motor elektrik = 1 : 8 (sampai 10)
• motor pneumatik : motor frekuensi tinggi = 1 : 3 (sampai 4)

r. Kemungkinan penggunaan lagi (ulang)
Komponen-komponen pneumatik dapat digunakan lagi, misalnya kalau komponen-komponen ini tidak dibutuhkan lagi dalam mesin tua.
r. Konstruksi kokoh
Pada umumnya komponen pneumatik ini dikonstruksikan secara kompak dan kokoh, dan oleh karena itu hampir tidak peka terhadap gangguan dan tahan terhadap perlakuan-perlakuan kasar.

s. Fluida kerja murah
Pengangkut energi (udara) adalah gratis dan dapat diperoleh senantiasa dan dimana saja. Yang harus dipilih adalah suatu kompresor yang tepat untuk keperluan tertentu; jika seandainya kompresor yang dipilih tidak memenuhi syarat, maka segala keuntungan pneumatik tidak ada lagi.

1.3 Kerugian / terbatasnya Pneumatik
a. Ketermampatan (udara).
Udara dapat dimampatkan. Oleh sebab itu adalah tidak mungkin untuk mewujudkan kecepatan-kecepatan piston dan pengisian yang perlahan-lahan dan tetap, tergantung dari bebannya.
Pemecahan :
• kesulitan ini seringkali diberikan dengan mengikutsertakan elemen hidrolik dalam hubungan bersangkutan, tertama pada pengerjaan-pengerjaan cermat ( bor, bubut atau frais ) hal ini merupakan suatu alat bantu yang seringkali digunakan.

b. Gangguan Suara (Bising)
Udara yang ditiup ke luar menyebabkan kebisingan (desisan) mengalir ke luar, terutama dalam ruang-ruang kerja sangat mengganggu.
Pemecahan :
• dengan memberi peredam suara (silincer)

c. Kegerbakan (volatile)
Udara bertekanan sangat gerbak (volatile). Terutama dalam jaringan-jaringan udara bertekanan yang besar dan luas dapat terjadi kebocoran-kebocoran yang banyak, sehingga udara bertekanan mengalir keluar. Oleh karena itu pemakaian udara bertekanan dapat meningkat secara luar biasa dan karenanya harga pokok energi “berguna” sangat tinggi.
Pemecahan :
• dapat dilakukan dengan menggunakan perapat-perapat berkualitas tinggi.

d. Kelembaban udara
Kelembaban udara dalam udara bertekanan pada waktu suhu menurun dan tekanan meningkat dipisahkan sebagai tetesan air (air embun).
Pemecahan :
• penggunaan filter-filter untuk pemisahan air embun (dan juga untuk penyaring kotoran-kotoran).

e. Bahaya pembekuan
Pada waktu pemuaian tiba-tiba (dibelakang pemakai udara bertekanan) dan penurunan suhu yang bertalian dengan pemuaian tiba-tiba ini, dapat terjadi pembentukan es.
Pemecahan :
• Batasi pemuaian udara bertekanan dalam perkakas-perkakas pneumatik.
• Biarkan udara memuai sepenuhnya pada saat diadakan peniupan ke luar.

f. Kehilangan energi dalam bentuk kalor.
Energi kompresi adiabatik dibuang dalam bentuk kalor dalam pendingin antara dan akhir. Kalor ini hilang sama sekali dan kerugian ini hampir tidak dapat dikurangi.

g. Pelumasan udara bertekanan
Oleh karena tidak adanya sistem pelumasan untuk bagian-bagian yang bergerak, maka bahan pelumas ini dimasukkan bersamaan dengan udara yang mengalir, untuk itu bahan pelumas harus dikabutkan dalam udara bertekanan.

h. Gaya tekan terbatas
1). Dengan udara bertekanan hanya dapat dibangkitkan gaya yang terbatas saja. Untuk gaya yang besar, pada tekanan jaringan normal dibutuhkan diameter piston yang besar.
2). Penyerapan energi pada tekanan-tekanan kejutan hidrolik dapat memberi jalan keluar.

i. Ketidakteraturan
Suatu gerakan teratur hampir tidak dapat diwujudkan :
1). Pada pembebanan berganti-ganti
2). Pada kecepatan-kecepatan kecil (kurang dari 0,25 cm/det) dapat timbul ‘stick-slip effect’.

j. Tidak ada sinkronisasi
Menjalankan dua silinder atau lebih paralel sangat sulit dilakukan.

k. Biaya energi tinggi
Biaya produksi udara bertekanan adalah tinggi. Oleh karena itu untuk produksi dan distribusi dibutuhkan peralatan-peralatan khusus. Setidak-tidaknya biaya ini lebih tinggi dibandingkan dengan penggerak elektrik.
Perbandingan biaya ( tergantung dari cara penggerak ) :
• Elektrik : Pneumatik = 1 : 10 (sampai 12)
• Elektrik : Hidrolik = 1 : 8 (sampai 10)
• Elektrik : Tangan = 1 : 400 (sampai 500)

1.4 Pemecahan Kerugian Pneumatik
Pada umumnya, hal-hal yang merugikan dapat dikurangi atau dikompensasi dengan :
a. Peragaman yang cocok dari komponen-komponen maupun alat pneumatik.
b. Pemilihan sebaik mungkin sistem pneumatik yang dibutuhkan.
c. Kombinasi yang sesuai dengan tujuannya dari berbagai sistem penggerakan dan pengendalian (elektrik, pneumatik dan hidrolik).
(Sumber Drs. Sudaryono, VEDC Malang)
(InsyaAllah DIsambung lagi nanti. mohon maaf jika ada kesalahan)

Komponen Utama Sistem Hidrolik

1. Pompa Hidrolik

Simbol Pompa Hidrolik dengan Penggerak Motor

Pompa hidrolik berfungsi untuk mensupply fluida hidrolik pada tekanan tertentu kepada sistem hidrolik. Pompa ini digerakkan oleh motor listrik atau sebuah mesin yang dihubungkan dengan sebuah sistem kopling. Sistem kopling yang digunakan dapat berupa belt, roda gigi, atau juga sistem flexible elastomeric.
Pompa hidrolik ada beberapa tipe yang digunakan, yaitu:

• Gear pump: bersifat murah, memiliki ketahanan yang lama (awet), sederhana pengoperasiannya. Tetapi kelemahannya adalah memiliki efisiensi yang rendah, karena sifat pompa yang ber-displacement tetap, dan lebih cocok untuk digunakan pada tekanan di bawah 20 MPa (3000 psi).
• Vane pump: murah dan sederhana, biaya perawatan yang rendah, dan baik untuk menghasilkan aliran tinggi dengan tekanan yang rendah.
• Axial piston pump.
  Satu jenis pompa hidrolik yang menarik adalah axial piston pump. Pompa ini dapat berjenis swashplate atau juga checkball. Jenis pompa ini didesain untuk dapat belerja pada displacement yang bervariasi, sehingga dapat menghasilkan aliran dan tekanan fluida hidrolik yang bervariasi sesuai dengan kebutuhan. Jenis yang paling banyak digunakan adalah swashplate pump. Pompa ini dapat kita ubah sudut swashplate-nya untuk menghasilkan langkah piston yang bervariasi tiap putaran. Jika sudut semakina besar, akan menghasilkan debit aliran yang besar dengan besar tekanan yang lebih kecil, dan begitu pula sebaliknya.
Swashplate Hydraulic Pump


• Radial Piston Pump: digunakan untuk menghasilkan tekanan fluida hidrolik yang tinggi dengan debit aliran yang rendah.
Prinsip Radial Piston Pump

Pompa piston memang memiliki harga yang lebih mahal jika dibandingkan dengan pompa gear atau vane. Akan tetapi pada pengoperasian tekanan tinggi memiliki ketahanan yang jauh lebih lama jika dibandingkan jenis pompa yang lain.
2. Valve Kontrol
Valve kontrol pada sebuah sistem hidrolik, selain berfungsi untuk mengatur besar tekanan yang digunakan, juga berfungsi untuk mengatur arah aliran dari fluida hidrolik. Arah aliran yang dimaksud adalah berhubungan dengan sistem aktuator. Arah gerakan yang diinginkan pada aktuator dikontrol oleh arah aliran dari fluida hidrolik, arah aliran inilah yang diatur oleh valve kontrol. Valve kontrol yang berfungsi untuk mengatur arah aliran biasa disebut dengan solenoid valve, sedangkan yang untuk mengatur besar tekanan biasa disebut pressure regulating valve.
Dan berikut adalah beberapa macam valve kontrol yang biasa dipergunakan:

• Pressure Relief Valves
  Valve ini berfungsi untuk membuang fluida hidrolik ke tangki penyimpan fluida, apabila tekanan fluida lebih tinggi daripada nilai yang ditentukan.
Simbol dan Skema Pressure Relief Valves


• Pressure Regulating Valves
  Valve ini berfungsi untuk mengatur besar tekanan fluida hidrolik agar stabil di nilai tertentu.
Simbol dan Skema Pressure Regulating Valve


• Sequence Valve: berfungsi untuk mengatur sekuen pada sirkuit hidrolik, seperti contohnya pada saat menggunakan beberapa silinder hidrolik, yaitu untuk memastikan satu silinder hidrolik telah maju penuh sebelum silinder lainnya mulai maju.
Simbol dan Skema Sequence Valve


• Check Valve: berfungsi untuk mengatur arah aliran fluida hidrolik agar searah dan tidak ada aliran yang terbalik
Check Valve


• Pilot Valve
  Valve ini sebagai kontrol sistem hidrolik. Digunakan untuk mengatur output aktuator sesuai dengan yang diinginkan.
Pilot Valve

Motor Listrik Induksi AC 3 Fasa

Motor Listrik 3 Fasa

A. Motor Listrik 3 Fasa

     Motor AC 3 phase 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 (baca disini), pada motor 3 phase perbedaan phase sudah didapat langsung dari sumber seperti terlihat pada gambar arus 3 phase berikut ini:

Gb. Grafik arus 3 fasa

Pada gambar di atas, arus 3 phase memiliki perbedaan phase 60 derajat antar phasenya. Dengan perbedaan ini, maka penambahan kapasitor tidak diperlukan.

B. Konstruksi Motor Listrik 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.

Gb. Konstruksi Motor Listrik 3 Fasa

C. Prinsip Kerja Motor Listrik 3 Fasa

Apabila sumber tegangan 3 fase dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan putar dengan kecepatan seperti rumus berikut :

Ns = 120 f/P

dimana:

Ns = Kecepatan Putar

f  = Frekuensi Sumber

P = Kutub motor

        Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi. Karena batang konduktor merupakan rangkaian yang tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I). Adanya arus (I) di d alam medan magnet akan menimbulkan gaya (F) pada rotor. Bila kopel mula yan g dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. GGL induksi timbul karena terpoton gn ya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar GGL induksi tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr).

Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip (s), dinyatakan dengan

S= (ns- nr)/ ns

Bila nr = ns, GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak atau asinkron.

D. Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi (torque)

        Gambar di bawah ini menunjukkan grafik hubungan antara torque - kecepatan dengan arus pada motor induksi 3 phase:

• Motor mulai menyala ternyata terdapat arus start yang tinggi akan tetapi torque-nya rendah.

• Saat motor mencapai 80% dari kecepatan penuh, torque-nya mencapai titik tertinggi dan arusnya mulai

menurun.

• Pada saat motor sudah mencapai kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torque dan stator turun ke nol.

E. Keuntungan dan Kerugian Motor 3 Fasa

Keuntungan motor 3 fasa : 

• Konstruksi sangat kuat dan sederhana terutama bila motor dengan rotor sangkar.

• Harganya relatif murah dan kehandalannya tinggi.

• Effesiensi relatif tinggi pada keadaan normal, tidak ada sikat sehingga rugi gesekan kecil.

• Biaya pemeliharaan rendah karena pemeliharaan motor hampir tidak diperlukan. 

Kerugian Penggunaan Motor Induksi:

• Kecepatan tidak mudah dikontrol 

• Power faktor rendah pada beban ringan 

• Arus start biasanya 5 sampai 7 kali dari arus nominal

F. Pengasutan Motor Listrik 3 Fasa

Pengasutan merupakan metoda penyambungan kumparan-kumparan dalam motor 3 phase. Ada 2 model penyambungan kumparan pada motor 3 phase:

1. Sambungan Bintang/Star/Y

2. Sambungan Segitiga/Delta

1. Sambungan Star

Sambungan bintang dibentuk dengan menghubungkan salah satu ujung dari ketiga kumparan menjadi satu. Ujung kumparan yang digabung tersebut menjadi titik netral, karena sifat arus 3 phase yang jika dijumlahkan ketiganya hasilnya netral atau nol.  

Nilai tegangan phase pada sambungan bintang =  √3 x tegangan antar phase

2. Sambungan Delta

Gb. Sambungan Delta

Sambungan delta atau segitiga didapat dengan menghubungkan kumparan-kumparan motor sehingga membentuk segitiga.  Pada sambungan delta tegangan kumparan = tegangan antar phase akan tetapi arus jaringan sebesar √3 arus line.

Motor Listrik DC

Sesuai namanya, motor DC adalah motor yang ditenagai sumber arus DC. Sehingga dibutuhkan rangkaian penyearah untuk mengubah arus sinusoidal (AC) menjadi arus linier (DC) jika sumber arus kita adalah arus AC.

Keuntungan menggunakan motor DC yaitu  besar kecepatan dan arah putaran dari motor dapat lebih mudah diatur dibanding motor AC.  Motor DC lebih banyak digunakan jika tersedia sumber arus DC, misal pada kendaraan bermotor.
Berikut gambaran skematik dari motor DC





PRINSIP KERJA MOTOR DC 


Untuk memahami prinsip kerja motor DC, mula-mula kita bayangkan suatu model rangkaian sederhana yang terdiri dari sumber tegangan, resistor dan batang yang dapat digerakkan disepanjang kabel seperti skema berikut :

Saat sirkuit pada t=0, seketika timbul arus sebesar i_A= V_T / R_A yang mengalir searah jarum jam pada rangkaian. Sesuai hukum Lorentz, timbul gaya pada batang sebesar
 


Dengan aturan tangan kanan untuk perkalian vector, didapat bahwa arah gaya pada batang adalah kekanan. Gaya tersebut menyebabkan batang dipercepat kekanan. Selama batang bergerak melintasi medan magnet dengan kecepatan u , timbul beda tegangan antara kedua ujung batang sebesar :

Rangkaian ekivalen dari kasus ini dapat digambarkan sebagai berikut :

Besar arus pada rangkaian selama batang bergerak menjadi

Seiring dengan peningkatan laju batang,  nilai beda tegangan terinduksi (e_A) terus meningkat sehingga                  e_A = V_T. Pada kondisi ini , gaya Lorentz yang bekerja pada batang bernilai nol dan batang akan bergerak dengan kecepatan konstan selama tidak ada gesekan.
Pemodelan sebagai Motor
Jika terdapat beban gaya pada batang (load) yang berlawanan terhadapa arah gaya Lorentz. Beban tersebut akan memperlambat batang sehingga timbul keseimbangan gaya antara gaya beban trehdapa gaya Lorentz. Pada saat kondisi ini tercapai, batang akan bergerak dengan kecepatan konstan.
Besar daya yang digunakan sebagai mechanical power pada batang berasal dari sumber tegangan V_T yaitu sebesar :

P = e_A.i_A = F.u

Pemodelan sebagai Generator
Jika terdapat gaya yang menarik batang pada saat besar arus dalam rangkaian bernilai nol , batang akan menghasilkan beda tegangan induksi pada kedua ujungnya. Beda tegangan ini akan menghasilkan arus yang berarah berlawanan jarum jam (lihat skema) . Arus ini dapat mengisi baterai atau hilang sebagai panas pada resistor. Pada kondisi ini, telah terjadi perubahan energy mekanis (akibat tarikan pada batang) menjadi energy kimiawi (muatan yang tersimpan pada senyawa kimia dalam baterai)
STRUKTUR DAN CARA KERJA MOTOR DC
Struktur Rotor dan Stator
Secara umum, motor DC terdiri dari stator (bagian diam) berbentuk silindris dengan dengan magnet yang dipasang secara berpasangan (poles, magnet dapat berupa magnet permanen atau kumparan electromagnet. Terdapat beda kutub magnet pada keliling stator.
Didalam stator terdapat rotor (bagian bergerak) yang terdiri dari silinder besi terlaminasi yang dipasang pada batang penggerak (shaft) yang disokong oleh bantalan (bearing) sehingga shaft dapat berputar. Ruang kosong antara permukaan rotor dengan stator dapat diberi lilitan armature untuk memperbesar efek gaya Lorentz.
Gambar penampang dari motor 2 kutub ditunjukkan oleh gambar berikut :

Fluks magnet cenderung memilih jalur yang paling kecil reluktansinya. Karena reluktansi udara lebih besr dibanding reluktansi pada besi, fluks akan bergerak melewati lintasan terpebdek dari stator ke rotor. Akibatnya fluks medan magnet akan berarah tegak lurus secara radial terhadap kumparan armature. Nilai fluks magnet sama besar untuk sekeliling rotor karena besar medan magnet sama. Dengan hukum Lorentz dan aturan tangan kanan, akan dihasilkan torka yang memutar shaft berlawanan arah jarum jam untuk kondisi yang digambarkan.

Gaya Gerak Listrik (GGL/emf) terinduksi dan Komutasi
Saat rotor berputar, konduktor (armature dan besi) bergerak melintasi medan magnet yang dihasilkan stator sehingga timbul gaya Lorentz. Namun seiring perputaran, arah medan magnet yang dilintasi akan berubah terbalik sehingga menimbulkan gaya yang melawan arah putaran. Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan komutator untuk membalik arus sehingga arah medan magnet tetap sepanjang putaran rotor.
Ilustrasi dari cara kerja komutator digambarkan dalam skema berikut

Rangkaian Ekivalen Motor DC
Rangkaian ekivalen dari motor DC dapat digambarkan sebagai berikut :

Rangkaian pada stator direpresentasikan oleh hambatan R_F  dan inductor L_F secara seri_. Pada rangkaian DC, inductor berlaku sebagai short circuit sehingga besar tegangan pada stator bernilai

Tegangan E_A pada rotor mewakili tegangan rata-rata yang terinduksi pada armature akibat gerak dari konduktor relatuf terhadap medan magnet. Tegangan E_A biasa disebut back emf karena arahnya berlawanan dengan arah arus sumber dari luar motor. Resistor R_A adalah hambatan dari lilitan armature dan hambatan dari sikat (pada komutator)
Besar tegangan terinduksi pada armature dapat dihitung dengan persamaan :

Dimana K adalah konstanta motor yang bergantung pada desain motor, φ adalah fluks magnet yang dihasilkan oleh tiap kutub stator dan ω_m adalah kecepatan sudut rotor.
Dari persamaan gaya Lorentz didapat torka yang dihasilkan pada mesin sebesar

Dimana I_A adalah arus pada lilitan armature, sehingga didapat besar developed power  yaitu besar daya yang dirubah menjadi mechanical power :

Besar daya ini sama dengan daya listrik yang dihasilkan :

KURVA MAGNETISASI
Kurva magnetisasi dari mesin DC berupa plot dari tegangan armature E_A versus arus pada stator I_F pada saat motor berputar dengan kecepatan konstan. Plot dari kurva magnetisasi dapat digambarkan sebagai berikut ;

Karena E_A berbanding lurus dengan fluks magnet , kurva magnetisasi berbentuk mirip dengan kurva fluks terhadap arus I_F. Dari hubungan yang sudah ditunjukkan dapat dituliskan rasio
 
Rasio ini menjadi basis dari analisis motor DC.
Klasifikasi Motor DC

Mesin DC dapat digolongkan berdasarkan sambungan listrik pada lilitan armature dan lilitan stator. Hal ini dikarenakan sambungan dari lilitan pada motor dapat mempengaruhi karakteristik kerja motor. Lilitan stator dapat berkonfigurasi self-excited atau separately-excited maksudnya ujung dari lilitan dapat dihubungkan dengan terminal dari tegangan atau dari sumber teganagn terpisah. Lebih jauh lagi, pada self-excited motor lilitan dapat dihubungkan secara seri maupun parallel terhadap lilitan armature. Tiap jenis sambungan berbeda akan sangat mempengaruhi tipe operasi mesin.

1. 1.      Mesin Separately-excited

 

  

• Lilitan armature dan lilitan stator terpisah secara elektrik
• Lilitan stator dieksitasi oleh sumber arus DC yang terpisah
• Persamaan tegangan dan daya dari motor mengikuti persamaan sebelumnya. Besar Daya total pada motor

P_total = V_f.I_f  + V_T.I_a

1. 2.      Mesin Self-excited

Pada mesin ini, sumber tegangan yang digunakan tidak terpisah
2.1.Mesin Shunt

• Lilitan stator dan armature terhubung secara parallel
• Tegangan armature dan stator sama (satu sumber tegangan)
• Pada mesin ini terdapat hubungan :
  • Arus total dari catu daya : I_L = I_f  + I_a
  • Input daya total : V_T.I_L

2.2. Mesin DC seri

• Lilitan armature dan lilitan stator terhubung secara seri
• Arus pada lilitan stator dan lilitan armature memilik nilai yang sama.

Motor seri wound disebut juga motor universal. Disebut universal karena motor    ini dapat beroperasi untuk sumber tegangan AC maupun DC.
2.3.Mesin DC Majemuk (compound)
Mesin tipe ini memiliki hubungan lilitan shunt dan seri secara gabungan. Pada lilitan seri, litan stator terhubung secara seri dengan lilitan armature, dan pada lilitan shunt, lilitan stator terhubung secara parallel dengan armature. Terdapat dua jenis konfigurasi :
Cumulative compounding :
Jika fluks magnet yang dihasilkan dari kedua lilitan searah sehingga terjadi penjumlahan fluks
Differential compounding :
Jika fluks yang dihasilkan kedua lilitan saling berlawanan sehingga terjadi pengurangan fluks
PERHITUNGAN PERFORMA
Motor DC seringkali digunakan untuk memutar sistem mekanis . Engineer terkadang membutuhkan motor yang dapat memutar system mekanis dengan kecepatan konstan walau terjadi penambahan beban. Pada bangian ini kita akan membahas mengenai karakteristik torka dan kecepatan pada motor
i.        Regulasi Kecepatan
 Regulasi kecepatan didefinisikan sebagai perubahan kecepatan saat diberikan pembebanan penuh pada motor. Secara matematis dapat dinyatakan

ii.      Karakteristik Torka-Kecepatan

Agar dapat menggunakan motor DC secara tepat perlu dilakukan tinjauan terhadap kurva karakteristiknya seperti kurva torka/kecepatan dan kurva daya. Hubungan antara torka dan kecepatan pada motor merupakan salah satu basis pemilihan motor DC.
Motor DC separately-excited
Dari hubungan yang sudah dijelaskan

Dari persamaan developed torque

Substitusi dan rearrange didapat

Persamaan ini menunjukkan hubungan antara torka dan kecepatan dari separately excited DC motor. Jika tegangan terminal V_T dan fluks dijaga konstan, plot dari kurva karakterisitik berbentuk :

Grafik diatas menunjukkan bahwa terdapat hubungan trade-off antara torka yang diberikan oleh motor terhadap kecepatan putaran shaft. Terdapat dua bagian penting dalam kurva :

• Torka stall : merepresentasikan titik dimana torka maksimum namun shaft tidak berputar.
• Kecepatan tanpa pembebanan : Kecepatan maksimum dari putaran shaft ketika tidak ada torka yang diberikan oleh shaft.

Besar beban pada motor menentukan titik operasi akhir dari motor. Kasus ini diiliustrasikan dalam skema berikut :

Motor DC Shunt
Motor DC shunt memiliki persamaan yang sama dengan motor separately excited dan memiliki karakteristik tork-kecepatan yang sama
Motor DC Seri
Analisis karakteristik motor DC seri dapat dihasilkan dengan cara yang sama seperti pada motor Shunt.
Developed torque dari rotor :

Asumsi bahwa fluks magnet berbanding lurus terhadap arus (tidak ada saturasi kemagnetan)

Pada motor seri I_f  = I_a

dimana Kf bergantung darigeometri lilitan sirkuit sehingga torque developed menjadi

Dengan KVL (lihat skema)

Dan besar

Substitusi ke arus didapat

Fungsi Torka-kecepatan

Didapat kurva karakteristik

RUGI-RUGI (LOSSES)
Saat daya listrik dari catu daya dubah menjadi daya memutar shaft oleh motor DC terdapat daya yang hilang selama aliran. Dalam skematik, kehilangan daya dalam aliran listrik dapat digambarkan sebagai berikut

• Input Daya total

Besar input daya total diberikan oleh persamaan:

• Rugi konduktor (copper losses)

Daya yang dikonversi menjadi panas oleh lilitan stator

Daya yang dikonversi menjadi panas oleh lilitan armature

Sehingga total copper losses

• Rugi akibat rotasi (rotational losses)

Rugi daya yang dihasilkan akibat gesekan shaft , efek eddy-current dan hysteresis. Rotational losses sebanding dengan kecepatan putaran motor

EFISIENSI
Dari uraian diatas, efisiensi dari motor DC dapat ditentukan dengan persamaan :

Dengan menjabarkan rugi-rugi daya