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 bagianbagian 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. Ns =
120 × f ...( 1 ) p
Ns : kecepatan putaran sinkron f : frekuensi tegangan stator p : jumlah kutub motor Fluksi yang berputar di sepanjang inti stator itu akan memotong batangbatang 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 =
Ns − N ...( 2 ) Ns
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
3 × V × I × cos ϕ
Rugi panas belitan dan rugi inti stator
di stator Daya yang diteruskan ke motor melalui glab stator-rotor Rugi panas belitan dan rugi inti rotor
di rotor Daya mekanis yang diperoleh
Rugi gesekan dan angin
Daya keluaran mekanis - putaran
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 :
PO =
TL × N …(3) 5250
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 Pin = 3 × V × I cos ϕ ...( 4 )
sehingga efisiensi motor = η =
PO …( 5 ) Pin
Kembali ke Gambar 2: Pada saat start, motor mendapat momen/ kopel percepatan sebesar: Ta = TS − TSB …( 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, T ≈ k × V 2 …( 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: T kV 2 =3 = 2 T1 ⎞ k ⎛⎜ V ⎟ 3⎠ ⎝
Di mana T1 = kopel motor pada cara kerja wye-delta =
1 3
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. I start =
Vp Zm
…( 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, I start =
Vp / 3 Zm
, arus diperkecil
3 kali semula.
Dengan start melalui R depan atau X depan, I start =
Vp Zm + X d
...( 9 )
Setelah motor berputar barulah Istart turun, sesuai : Is =
V −E ...( 10 ) Zm
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
1− S × a 2 × R2 :menggambarkan tahanan yang mewakili beban S 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 : P0 = 3 × I 2 × 2
1− s × a 2 × R2 s
rugi-rugi motor adalah : Ploss = I 1 R1 + I RC R0 + I 2 a 2 R2 2
2
2
9
Cos ϕ motor adalah dicari setelah nilai
1− S × a 2 × R2 diperoleh, dilanjutkan cara S
perhitungan menurut teori rangkaian listrik untuk jaringan R dan XL. Masukan motor adalah : Pin = 3 × I 1 × V1 × cos ϕ
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 listrik masuk stator
Rugi panas belitan dan rugi inti stator Daya mekanis yang diperoleh
Rugi gesekan dan angin Daya keluaran mekanis-putaran diteruskan ke generator
Rugi panas Daya keluaran Daya listrik 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
