Selasa, 28 Mei 2013

mesin ac dan kontruksi motor 3 phasa dan 1 phasa




A   .    KONSTRUKSI DAN CARA KERJA MOTOR INDUKSI

Motor induksi AC adalah jenis motor yang paling banyak digunakan dalam aplikasi industri. Dinamakan motor induksi karena prinsip operasi dari motor ini berdasarkan induksi elektromagnet dari kumparan-kumparan dalam motor tersebut. Ada tiga bagian utama dari motor induksi yaitu stator, rotor dan rangka (enclosure), seperti yang ditunjukkan pada gambar dibawah ini :






Gambar 1. Konstruksi motor listrik

A.    Konstruksi Motor listrik

      Motor listrik memiliki konstruksi-konstruksi yang saling berhubungan antara satu dengan yang lainnya. Berikut ini adalah beberapa konstruksi dasar dari motor listrik, yaitu :
a. Kontruksi Stator

Stator dan rotor adalah berupa rangkaian listrik yang dapat menghasilkan medan electromagnet. Stator adalah bagian yang diam atau statis dari motor. Inti stator terbuat dari ratusan lempengan laminasi tipis.

b. Lilitan Stator

Lempengan laminasi stator akan menyatu membentuk suatu silinder berlubang. Inti stator akan berupa slot-slot yang akan berisi kawat coil dari lilitan stator.


 

Gambar 2.  Konstruksi stator

Kawat-kawat coil ini akan membentuk gulungan dengan inti stator dan nantinya akan menghasilkan medan electromagnet. Medan Electromagnet adalah prinsip dasar dari motor listrik. Lilitan stator ini akan terhubung langsung dengan sumber listrik.

 




Gambar 3. Lilitan pada stator
c. Konstruksi Rotor
Rotor adalah bagian yang bergerak atau berputar dari motor. Jenis yang umum dijumpai di lapangan adalah jenis rotor sangkar bajing (squirrel cage). Konstruksi dari rotor sangkar bajing ini seperti sangkar dari hewan pengerat seperti bajing yang dapat berputar, seperti pada gambar di bawah ini.


Gambar 4. Rotor Sangkar Bajing
Rotor terdiri dari kumpulan lermpengan baja tipis dengan bar konduktor di sekelilingnya.
Lempengan – lempengan ini akan bersatu dengan inti dari rotor. Bar - bar konduktor akan terhubung secara mekanis dan elektris dengan cincin akhir (end ring) dan mounting rotor berupa poros baja yang akan terhubung ke beban motor

d. Rangka (Enclosure)
Enclosure motor terdiri dari sebuah rangka dan dua buah penyangga di ujungnya (bearing housings). Stator akan terpasang di dalam rangka, dan rotor berada di dalam stator dengan celah udara sehingga tidak ada kontak fisik antara stator dengan rotor.
 
                                                                           


Gambar 5. Enclosure dari motor

      Enclosure motor juga dilengkapi dengan bearing yang terpasang di poros untuk men-support rotor sehingga rotor dapat berputar. Kipas terpasang di poros motor non draft end  untuk mendinginkan motor saat beroperasi.
                                                                                    
                                                                                   



Gambar 6. Konstruksi enclosure motor

B.     Komponen Elekrik Motor Induksi
           
                  Pengoperasian motor induksi dapat dilakukan dengan menerapkan nilai frekuensi dan tegangan. Dalam beberapa aplikasi motor induksi sering membutuhkan kecepatan yang dapat dirubah sesuai dengan keperluan bebannya. Pengoperasian motor pada tegangan nominal dan frekuensi mempunyai pengaruh pada arus motor dan torsinya. Dalam beberapa  karakteristik, kecepatan sebuah motor dapat berubah sesuai dengan yang kita inginkan baik pada motor induksi maupun penggerak induksi.

1. Tegangan Jala

Tegangan sumber (Vs) dipakai pada daya stator dari sumber AC. Tegangan turun terjadi karena tahanan stator (Rs). Tegangan resultan (E) mewakili gaya (cemf) yang ada untuk menghasilkan fluks magnet dari torsi.




2. Arus Magnet

Arus megnet (IM) menghasilkan garis magnet dari fluksi jaringan magnet. Dengan rangkaian rotor arus megnet sekitar 30 % dari arus nominal. Arus megnet, seperti fluksi (Ф) setara dengan tegangan (E) dan frekuensi (ƒ).

                         E
            IM =                     …………………………………………………    1.1
                      2p F LM

3. Arus Kerja

Arus kerja (IW) merupakan arus yang mengalir pada belitan rotor dan menghasilkan torsi. Arus kerja adalah fungsi dari beban. Peningkatan beban menyebabkan belitan rotor bekerja lebih keras yang akan menambah arus kerja. Pengurangan beban kerja belitan rotor akan mengurangi arus kerja.

4. Arus Stator

Arus stator (Is) adalah arus yang mengalir pada belitan stator. Arus stator dapat diukur pada supplay jala dan mengacu pada arus jala. Sebagai contoh, frekuensi digunakan untuk mengukur arus stator. Nilai arus beban penuh pada nameplate motor mangacu pada arus stator dari tegangan nominal, frekuensi dan bebannya. Dengan arus maksimum motor dapat bekerja tanpa mengalami kerusakan. Arus stator adalah jumlah vektor dari arus kerja (I­W) dan arus magnet (IM), arus magnet biasanya dalam keadaan konstan. Arus kerja (IW) akan berubah dengan perubahan beban yang disebabkan perubahan pada arus stator (Is).



    IS =   IM­­­­­­­2 + IW2       …………………………………. …..      1.2

5.      Tegangan dan Frekuensi
   Perbandingan antara tegangan dan frekuensi disebut sebagai volt per hertz (V/Hz). Fluksi (Ф), arus magnet (Is) dan torsi berhubungan dengan perbandingan ini. Peningkatan frekuensi (ƒ) tanpa peningkatan tegangan (E), seperti peningkatan yang disebabkan torsi motor, arus magnet (IM)  juga akan turun. Penurunan arus megnet akan menyebabkan penurunan pada arus stator atau arus jala (Is). Penurunan yang terjadi, semuanya berhubungan dengan kehandalan motor dalam menjalankan bebannya.

6.   Torsi Konstan
Motor AC dijalankan pada operasi arus AC dengan fluks (F) karena tegangan dan frekuensinya juga konstan. Motor yang beroperasi dengan fluksi yang konstan mempunyai torsi konstan. Torsi nyata yang dihasilkan ditentukan oleh bebannya.

T = k . F . IW  …………………………………………………..       1.3
Sebuah penggerak AC mampu mengoperasikan sebuah motor dengan fluksi konstan yang mendekati nilai frekuensi pada nameplate (60 Hz). Ini disebut torsi konstan. Selama tegangan konstan per Hz dijaga dan motor akan mempunyai karakteristik torsi yang konstan. Penggerak AC merubah frekuensi untuk merubah kecepatan motor dan tegangan akan menjaga fluksi yang konstan. Grafik dibawah ini menggambarkan perbandingan tegangan dan hertz dari motor 460 V dan 60 Hz, dan motor 230 V, 60 Hz. Untuk mengoperasikan motor 460 V pada kecepatan 50 % dengan perbandingannya, tegangan dan frekuensi akan menjadi 230 V, 60 Hz. Untuk mengoperasikan motor 230 V pada kecepatan 50 % dengan perbandingannya. Tegangan dan frekuensi akan menjadi 115 V, 30 Hz. Perbandingan tegangan dan frekuensi akan dijaga untuk kecepatan sampai 60 Hz (frekuensinya), ini biasanya ditemukan batas lebih dari torsi konstan.

C.    Prinsip Operasi dari Motor Induksi
Prinsip Operasi motor Induksi didasarkan pada interaksi medan magnet putar pada stator dengan medan magnet lawan pada rotor. Medan magnet putar dihasilkan oleh arus AC pada kumparan stator
Medan magnet pada rotor dapat berupa :
1. medan magnet induksi (à motor induksi) atau
2. dihasilkan dari sumber arus DC terpisah (à motor sinkron)
Interaksi kedua medan menghasilkan torsi yang akan memutar motor.
Prinsip kerja mengapa rotor bisa berputar adalah sebagai berikut :





Gambar 7. Suplay 3 fase ke kumparan stator motor

1.      Kumparan dihubungkan dengan tegangan 3 fase dengan beda fase masing-masing 120°
2.      Besar Medan magnet akibat masing-masing kumparan berubah sebanding dengan perubahan arus AC pada kumparan










Gambar 8. Prinsip medan putar stator

1.      Pada akhir satu siklus arus AC masukan, maka medan magnet berputar 360°
2.      Kombinasi medan magnet dari ketiga kumparan stator menghasilkan medan magnet yang bergeser (berputar)

D.    Tegangan Induksi

Saat power supplai terhubung ke kumparan stator akan menyebabkan medan elektromagnet memotong kumpran rotor secara tegak lurus.

                        
                                                                               


Gambar 9. Tegangan induksi ke rotor

Akibatnya pada konduktor rotor akan timbul tegangan induksi electromagnet. Tegangan induksi ini akan menyebabkan arus mengalir di konduktor bar rotor dan di end ring rotor.Arus yang mengalir melalui konduktor bar rotor akan menghasilkan medan magnet di sekeliling bar rotor. Karena power yang terhubung berupa tegangan AC yang selalu berubah-ubah arah dan besarnya, maka resultan medan magnet dari stator dan rotor akan berubah-ubah juga. Sehingga rotor menjadi electromagnet yang berubah-ubah kutub utara dan selatan.
Produksi torsi pada motor listrik :
1.      Torsi pada Motor Induksi dihasilkan dari interaksi antara rotor dengan medan magnet putar.
2.      Medan magnet putar memotong kawat pada rotor sehingga terinduksi tegangan pada rotor.
3.      Rotor merupakan rangkaian tertutup, maka pada rotor akan timbul arus.
4.      Adanya arus dalam medan magnet menimbulkan gaya F pada rotor.
5.      Jika kopel mula yang dihasilkan gaya F cukup besar maka rotor akan berputar searah medan putar stator.

Torsi pada motor induksi tergantung pada kuat medan stator dan rotor dan perbedaan fasenya. Torsi pada motor induksi dapat dirumuskan dengan :

T = K ΦIrcosθr ..........................................................................         1.4

      Dimana :
      T          = Torsi
      K          = konstanta
      Φ         = fluksi magnet stator
      Ir         = arus rotor
      Osθr       = factor dya rotor        


 


B.   Mengoperasikan Motor 3 Fasa Dengan Sistem Pengendali Elektromagnetik

Kali ini saya akan memberikan sedikit materi tentang bagaimana cara dan proses kerja System Kendali Elektromagnetik pada motor induksi 3 fasa. Tetapi sebelumnya terlebih dahulu kita perlu mengetahui cara kerja dari sebuah motor 3 fasa.
Cara kerja motor 3 fasa :
  • Motor 3 phasa akan bekerja/ berputar apabila sudah dihubungkan dalam hubungan tertentu.
  • Mendapat tegangan (jala-jala/ power/ sumber) sesuai dengan kapasitas motornya.
1. Motor 3 fasa bekerja dengan 2 hubungan yaitu :
a. Motor bekerja Bintang/ Star
Berarti motor harus dihubungkan bintang baik secara langsung pada terminal maupun melalui rangkaian kontrol.









Gambar 1. Hubungan Bintang/ Star (Y)
b. Motor bekerja segitiga /Delta (▲)
Berarti motor harus dihubungkan segitiga baik secara langsung pada terminal maupun melalui rangkaian kontrol. Kecuali mesin-mesin yang berkapasitas tinggi diatas 10 HP, maka motor tersebut wajib bekerja segitiga (▲) dan harus melalui rangkaian kontrol star delta baik secara mekanik, manual,  PLC.










                                       
\Gambar 2. Hubungan Delta  ()

Dimana bekerja awal (start) motor tersebut bekerja bintang hanya sementara, selang berapa waktu barulah motor bekerja segitiga dan motor boleh dibebani.
Cara menghubungkan motor dalam hubungan bintang (Y) :

  1. Cukup mengkopelkan/ menghubungkan salah satu dari ujung-ujung kumparan phasa menjadi satu.
  2. Sedangkan yang tidak dihubungkan menjadi satu dihubungkan kesumber tegangan.
Cara menghubungkan motor dalam hubungan segitiga (▲) :
  1. Ujung pertama dari kumparan phasa I dihubungkan dengan ujung kedua dari kumparan phasa III
  2. Ujung pertama dari kumparan phasa II dihubungkan dengan ujung kedua dari kumparan phasa I
  3. Ujung pertama dari kumparan phasa III dihubungkan dengan ujung kedua dari kumparan phasa II.
Mengapa motor harus dihubungkan dengan Star – Delta???
  1. Beban dengan inersia yang tinggi/ besar akan menyebabkan waktu starting motor menjadi lama untuk mencapai kecepatan nominalnya.
  2. Selama periode starting tersebut, maka pada stator dan rotor akan mengalir arus yang besar sehungga bisa terjadi pemanasan berlebih (overheating) pada motor
  3. Lebih buruk lagi menyebabkan gangguan pada sistem jala-jala sumber listriknys sehingga akan menurunkan tegangannya. hal ini akan mengganggu beban listrik lainnya.
  4. Untuk menghindari hal tersebut, suatu motor induksi seringkali di start dengan level tegangan yang lebih rendah dari tegangan nominalnya.
  5. Pengurangan tegangan starting tersebut akan membatasi dayas yang diberikan ke motor, namun demikian disis lain pengurangan tegangan ini akan berdampak memperpanjang waktu/ periode starting (waktu yang  dibutuhkan untuk mencapai kecepatan nominalnya).
2. Rangkaian System Kendali Elektromagnetik Pada Motor Induksi 3 Fasa
Rangkaian sederhana dengan menggunakan kontaktor magnet yaitu mengontrol sebuah motor listrik. Pengontrolan oleh kontaktor magnet menggunakan 2 rangkaian yaitu rangkaian kontrol dan rangkaian utama. Peralatan kontrol yang digunakan dalam pengoperasianya yaitu, MCB 3 fasa, TOR (Thermal Overload Relay), sakelar tekan ON/ OFF dan kontaktor.
Rangkaian kontrol merupakan rangkaian yang mengendalikan/ mengoperasikan rangkaian utama, sedangkan rangkaian utama merupakan aliran hubungan ke beban (motor 3 fasa). Rangkaian utama menggunakan kontak utama (1-3-5 dan 2-4-6) dari kontaktor magnet untuk menghubungkan/ memutuskan jaringan dengan motor listrik. Karena arus yang mengalir pada rangkaian utama relaitf lebih besar daripada rangkaian kontrol, maka pada rangkaian utama dilengkapi dengan TOR (Thermal Overload Relay) atau pengaman beban lebih dari hubung singkat ataupun beban yang lebih. Pada rangkaian kontrol, arus yang mengalir relatif kecil. Rangkaian kontrol dilengkapi dengan sakelar tekan NO untuk tombol NP dan NC untuk tombol OFF. Karena menggunak open.an tombol (sakelar) tekan, maka pada tombol ON dibuat pengunci (sakelar bantu) dari kontak bantu kontaktor yang normally ope n.




Add caption




Gambar 3. Rangkaian System Kendali Elektromagnetik Pada Motor Induksi 3 Fasa



2. Rangkaian System Kendali Elektromagnetik Pada Motor Induksi 3 Fasa Hubungan Bintang Segitiga
Rangkaian daya hubungan bintangsegitiga menggunakan tiga buah kontaktor Q1, Q2, dan Q3 Gambar 4. Fuse F1 berfungsi mengamankan jika terjadi hubungsingkat pada rangkaian motor. Saat motor terhubung bintang kontaktor Q1 dan Q2 posisi ON dan kontaktor Q3 OFF. Beberapa saat kemudian timer yang disetting waktu 60 detik energized, akan meng-OFF-kan Q1, sementara Q2 dan Q3 posisi ON, dan motor terhubung segitiga. Pengaman beban lebih F3 (thermal overload relay) dipasangkan seri dengan kontaktor, jika terjadi beban lebih disisi beban, relay bimetal akan bekerja dan rangkaian kontrol berikut kontaktor akan OFF.Tidak setiap motor induksi bias dihubungkan bintang-segitiga, yang harus diperhatikan adalah tegangan name plate motor harus mampu diberikan tegangan sebesar tegangan jala-jala (Gambar 4), khususnya pada saat motor terhubung segitiga. Jika ketentuan ini tidak dipenuhi, akibatnya belitan stator bisa terbakar karena tegangan tidak sesuai. Rangkaian kontrol bintang-segitiga (Gambar 4), dipasangkan fuse F2 untuk pengaman hubung singkat pada rangkaian kontrol.

                                                         




Gambar 4. Rangkaian System Kendali Elektromagnetik Pada Motor Induksi 3 Fasa Hubungan Bintang Segitiga
Hubungan Bintang
Tombol S2 di-ON-kan terjadi loop tertutup pada rangkaian koil Q1 dan menjadi energized bersamaan dengan koil Q2. Kontaktor Q1 dan Q2 energized motor terhubung bintang. Koil timer K1 akan energized, selama setting waktu berjalan motor terhubung bintang.
Hubungan Segitiga
Saat Q1 dan Q2 masih posisi ON dan timer K1 masih energized, sampai setting waktu berjalan motor terhubung bintang. Ketika setting waktu timer habis, kontak Normally Close K1 dengan akan OFF menyebabkan koil kontaktor Q1 OFF, bersamaan dengan itu Q3 pada posisi ON. Posisi akhir kontaktor Q2 dan Q3 posisi ON dan motor dalam hubungan segitiga. Untuk mematikan rangkaian cukup dengan meng-OFF-kan tombol tekan S1 rangkaian kontrol akan terputus dan seluruh kontaktor dalam posisi OFF dan motor akan berhenti bekerja. Kelengkapan berupa lampu-lampu indikator dapat dipasangkan, baik indikator saat rangkaian kondisi ON, maupun saat saat rangkaian kondisi OFF, caranya dengan menambahkan kontak bantu normally open yang diparalel dengan koil kontaktor dan sebuah lampu indicator.

C.     Mengatur arah putar motor AC 1 phase

            Pengaturan arah putaran pada motor listrik AC 1 phase pinsipnya sama dengan pada motor DC yaitu dengan mengubah arah medan putarnya. Untuk mengubah arah putaran motor AC 1 Phase dapat dengan mengubah posisi sambungan kumparan bantu motor 1 Phase.



Pada gambar diatas ada dua konfigurasi rangkaian yang pertama putar CW (clockwise) dan yang kedua CCW (counter clockwise).
Pada gambar diatas kumparan utama U1-U2 dan kumparan bantu Z1-Z2. Pada gambar pertama kumparan bantu Z1 terhubung dengan NOL dan ujung Z2 terhubung dengan kapasitor yang terhubung dengan phasa, sedang pada gambar kedua kumparan bantu Z1 terhubung dengan kapasitor yang terhubung pada phasa dan Z2 terhubung dengan NOL. Pergantian tersebut akan menimbulkan arah medan putar yang berbeda sehingga arah putaran motor dapat berubah.



 Mengatur kecepatan putar motor AC 1 phase
Kecepatan putar motor AC dapat dihitung dengan rumus :


                                    
Dari persamaan di atas maka untuk mengubah-ubah nilai Ns dapat dilakukan dengan mengubah nilai frekuensi (f) atau mengubah jumlah kutub motor (p), selain itu juga dapat dengan cara mengatur tegangan yang masuk ke motor akan tetapi cara ini jarang dilakukan karena jika tegangan berkurang maka torsinya juga berkurang jika dalam kondisi berbeban.
Cara yang paling banyak digunakan adalah dengan mengubah-ubah nilai frekuensi arus AC yang masuk, hal ini semakin mudah dilakukan dengan bantuan alat inferter yang mampu memanipulasi frekuensi dan tersedia untuk beragam daya motor.
CONTOH SOAL