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