Motor Induksi 3 Fasa

OPERASIONAL MOTOR INDUKSI 3 FASA

A.    Motor Induksi Tiga Fasa

Motor induksi tiga fasa merupakan suatu alat atau pesawat yang dapat mengubah energi listrik AC tiga fasa menjadi energi mekanik.  Penamaannya berasal dari kenyataan bahwa arus rotor motor ini bukan diperoleh dari sumber tertentu, tetapi merupakan arus yang terinduksi akibat adanya fluks magnet yang terinduksi ke batang rotor sangkar maka timbul GGL induksi sebagai akibat adanya perbedaan relatif antara putaran rotor dengan medan putar yang dihasilkan arus stator.    

Motor induksi tiga fasa sangat banyak digunakan dalam industri atau dalam penggunaannya. Hampir 80% konversi energi yang ada didunia ini dilakukan oleh motor induksi tiga fasa.

Ada beberapa keuntungan dan kerungian dalam pemakaian motor induksi tiga fasa rotor sangkar yaitu:

1.      Keuntungan pada motor induksi yaitu:

·         Sruktur sederhana dan memiliki konstruksi yang kokoh.

·         Pengaturan start yang sederhana.

·         Mudah dioperasikan.

·         Perawatanya sederhana.

·         Mudah diperbaiki.

2.      Kerugian pada motor induksi yaitu:

·        

9

Memiliki torsi yang rendah.

·         Kecepatan yang menurun seiring bertambah beban.

·         Dibutuhkan peralatan tambahan untuk mengatur kecepatan motor yang harganya mungkin lebih mahal dari motor itu sendiri, misalnya gear box.

Prinsip kerja motor induksi yaitu:

1. Apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan stator, maka akan timbul medan putar dengan kecepatan ns = 120f/p.
2. Medan putar stator tersebut akan melalui batang konduktor pada rotor. Akibatnya pada batang konduktor akan timbul GGL induksi.
3. Karena batang penghantar rotor merupakan rangkaian tertutup maka GGL akan menghasilkan arus (I).
4.  Adanya arus (I) didalam medan magnet akan menimbulkan gaya (f) pada rotor.
5. Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya (f) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.
6. GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator, artinya agar GGL induksi itu timbul, diperlukan adanya perbedaan relative antara kecepatan medan putar (ns) dengan kecepatan berputar rotor (nr).
7. Perbedaan kecepatan itu dikatakan dengan slip (S) dan dinyatakan dengan:

S =(ns - nr)/ns  x 100%

8.      Bila nr = ns, GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel.

9.      Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga motor tak serempak atau asinkron.

B. Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar

1.      Konstruksi Motor Induksi Tiga Fasa Rotor Sangkar

1.1.   Stator

Stator merupakan bagian yang tidak berputar dari motor. Pada prinsipnya stator  pada motor induksi sama dengan stator pada generator, stator dibuat sedemikian rupa yang mempunyai alur-alur sebagai tempat kawat-kawat kumparan. Gulungan stator adalah gulungan tiga fasa dan dengan mengatur gulungan ini dapat menentukan jumlah kutub, dan menentukan kecepatan sinkron seperti pada gambar 2.1 berikut.

                 

                Gambar. 2.1  Stator

1.1.1. Belitan Stator

Motor induksi tiga fasa merupakan motor yang paling banyak digunakan pada industri. Motor induksi tiga fasa mempunyai tiga belitan pada statornya sehingga ujung-ujung belitannya pada terminal ada enam. Pada gambar 2.2 berikut digambarkan belitan stator.

Gambar 2.2  Notasi Belitan Stator

Untuk menjalankan motor tiga fasa belitan stator motor dapat dihubungkan secara bintang (Y) atau segitiga (Δ). Untuk motor dengan daya yang kecil biasanya hanya dihubungkan bintang, sedangkan motor yang besar(> 5 Pk) dihubungkan bintang segitiga (hubungan Y untuk start dan hubungan segitiga untuk running dengan alasan untuk memperkecil arus start). Selain itu dengan rangkaian ini motor dapat dibalik arah putaran rotornya dengan hanya menukar salah satu fasa saja. Hubungan Y dan Δ dari belitan stator motor dapat dilihat seperti gambar 2.3 dibawah.

(a)                                                              (b)

Gambar 2.3  (a) Hubungan bintang (Y)  (b) Hubungan Segitiga (Δ)

1.2.   Rotor

Rotor bagian yang berputar dari motor. Pada motor terdapat kawat tembaga atau aluminium. Hampir 90 % kumparan rotor dari motor induksi menggunakan jenis rotor sangkar, karena rotor sangkar bentuk kumparannya sederhana dan tahan terhadap goncangan. Rotor pada motor induksi terdiri dari dua jenis yaitu:

1.2.1.Rotor sangkar

Rotor jenis ini mempunyai rotor dengan batang penghantar yang terdiri dari beberapa konduktor yang dipasang sedemikian rupa sehingga harganya murah. Rotor sangkar ini terdiri dari inti rotor berbentuk silinder terlaminasi dengan slot-slot dalam inti secara berlapis-lapis. Dan sebagai tempat konduktor merupakan batagan aluminium. Dan jenis rotor yang digunakan pada mesin mixer adalah rotor sangkar yang dijaskan pada gambar 2.4 berikut.

Gambar 2.4 Rotor Sangkar dan Rangkaian Motor rotor sangkar

1.2.2.Rotor Belitan

Rotor jenis ini tersedia untuk tiga fasa, dimana belitan pada rotor sama seperti kumparan pada stator. Jumlah kutub pada kumparan rotor sama dengan jumlah kutub pada kumparan stator seperti pada gambar 2.5 dibawah.

Gambar 2.5. Rotor Lilit

C.    Sistem Pengontrolan

1.    Thermal Overload Relay (TOR)

TOR merupakan relay untuk mengamankan rangkaian motor terhadap gangguan beban lebih. Alat ini biasanya digandeng dengan kontaktor. Beban lebih atau arus lebih yang mengalir ke motor dapat menyebabkan motor menjadi panas, bahkan motor akan terbakar. Beban lebih dapat diakibatkan diantaranya karena:

·         Terlalu besar beban mekanik dari kemampuan motor.

·         Arus start yang terlalu besar atau motor berhenti secara mendadak.

·         Terjadinya hubung singkat pada lilitan motor.

·         Terputusnya salah satu phase darimotor tiga fase.

TOR dihubungkan dengan kontaktor pada kontak 2, 4, 6 sebelum ke beban (motor). Gunanya untuk mengamankan motor atau memberi perlindungan kepada motor dari kerusakan yang diakibatkan oleh beban lebih.

Relay ini mempunyai kontak-kontak bantu NO (Normally Open) dan NC (Normally Close). Kontak Bantu NC digunakan sebagai pengontrol operasi kontaktor, dan kotak bantu NC digunakan untuk mengoperasikan lampu indicator yang menandakan gangguan pada motor.

Gambar 2.6  Thermis Overload Relay

1. Prinsip Kerja TOR

Pada TOR terdapat bimetal, yaitu dua logam yang mempunyai titik muai yang berbeda. Prinsip kerja TOR berdasarkan panas (termal) yang ditimbulkan oleh arus yang mengalir melalui elemen-elemen pemanas bimetal. Jika arus yang mengalir ke motor melebihi harga nominalnya maka bimetal akan panas dan melengkung sehingga akan menggerakkan saklar/titik kontak/pengungkit yang ada pada TOR itu sendiri yang menyebabkan rangkaian terputus. TOR dapat direset secara manual setelah bimetal dingin kembali.

Pada saat motor mengalami gangguan bebanlebih, maka kontak bantu NC pengaman ini akan memutuskan supplai daya ke kontaktor yang mengoperasikan motor tersebut, sehingga motor akan bekerja dan terhindar dari kerusakan akibat gangguan tersebut.

2. Struktur dan Symbol TOR

                        TOR mempunyai tiga buah plat bimetal yang dililit oleh kawat pemanas yang dihubungkan sesuai dengan phasa R, S, T. Struktur dengan simbol dari TOR dapat dilihat pada gambar 2.7 dibawah.

Gambar 2.7  Kerja dari TOR

2. Kontaktor

Kontaktor adalah saklar yang bekerja berdasarkan kemangnetan. Artinya saklar ini bekerja jika ada gaya kemagnetan. Magnet listrik berfungsi sebagai penarik kontak-kontak hubung pada saat kumparan dialiri atau tidak dialiri arus listrik. Sebuah kontaktor harus tahan dan mampu mengalirkan dan memutuskan arus dalam keadaan kerja normal. Arus kerja normal adalah arus yang mengaklir selama pemutusan tidak terjadi.

Magnetik Kontaktor adalah switch magnetik yang serupa dengan relay magnet dalam prinsip kerjanya dan biasanya digunakan untuk rangkaian control yang menggunakan tegangan dan arus yang cukup besar dibandingkan relay. NEMA mendefinisikan magnetic kontaktor sebagai saklar yang digerakkan secara magnetis untuk menyambung atau membuka berulang-ulang rangkaian daya listrik (F. Petruzella 2001: 405).

            Sebuah kontaktor, kumparan magnetnya (coil) dapat dirancang untuk arus

searah (DC) atau untuk arus bolak-balik (AC). Kontaktor arus AC ini pada inti magnetnya dapat dipasang cincin hubung singkat, gunanya adalah untuk menjanga arus kemagnetan agar kontiniu sehingga kontaktor tersebut dapat bekerja normal. Sedangkan pada kumparan magnet yang dirancang untuk arus DC tidak dipasang cincin magnet. Bila kontaktor untuk arus searah (DC) digunakan untuk arus bolak-balik (AC) maka kemagnetannya akan hilang dan timbul setiap saat mengikuti bentuk gelombang arus AC. Jika frekuensi arus AC 50 Hertz berarti dalam satu detik akan timbul 50 gelombang. Dan satu periode  akan memakan waktu 1/50 = 0.02 detik yang menempuh dua kali titik nol. Dengan demikian dalam 1 detik terjadi 100 kali titik nol atau dalam 1 detik kumparan magnet kehilangan magnetnya 100 kali.

Karena itu untuk mengisi kehilangan arus maka belitan hubung singkat yang berfungsi sebagai pembangkit induksi magnet ketika arus magnet pada kumparan magnet hilang. Dengan demikian maka arus magnet pada kontaktor akan dapat diperthankan secara terus menerus. Bila kontaktor yang dirancang untuk arus AC digunakan pada arus DC maka pada kunparan itu tidak timbul induksi listrik sehingga kumparan menjadi panas. Sebaliknya bila kontaktor magnet untuk arus AC maka kontaktor itu akan bergetar yang disebakan oleh kemagnetan pada kumparan magnetnya timbul dan hilang setiap detik 100 kali. Kontaktor akan bekerja normal apabila tegangannya mencapai 85% dari tegangan kerja, bila tegangannya turun maka kontaktor akan bergetar.

Tegangan yang digunakan oleh magnet kontaktor adalah tegangan satu phasa (220 V) dan tegangan tiga phasa (380 V). Konstruksinya dapat dilihat pada gambar 2.8 dibawah.

Gambar 2.8  Magnetik Kontaktor

            Ukuran dari kontaktor ditentukan oleh batas kemampuan arusnya. Biasanya pada kontaktor terdapat beberapa kontak, yaitu kontak normal membuka (Normalli Open =NO) dan kontak normally menutup  (Normalli Closed = NC). Kontak NO berarti saat kontaktor magnet belum bekerja kedudukannya membuka dan bila kontaktor bekerja kontak itu menutup/menghubung. Sedangkan kontak NC berarti pada saat kontaktor belum bekerja kedudukan kontaknya menutup dan bila kontaktor bekerja kedudukannya akan membuka. Jadi fungsi kontaktor NO dan NC Berlawanan, kontak NO dan NC bekerja dan membuka sesaat lebih cepat sebelum kontak NO menutup.

            Fungsi dari kontak-kontak dibuat untuk kontak utama dan kontak bantu. Kontak utama terdiri dari kontak NO dan kontak Bantu terdiri dari kontak NO dan NC. Kontak utama digunakan untuk mengalirkan arus utama, yaitu arus yang diperlukan untuk pesawat pemakai listrik, misalnya motor listrik. Sedangkan kontak bantu digunakan untuk mengalirkan arus bantu, yaitu arus yang diperlukan untuk kumparan magnet.

a.   Struktur dan prinsip kerja kontaktor

            Struktur kontaktor magnet seperti terlihat pada gambar dibawah. Hal yang berbeda dari rele magnet adalah bagian kontak utama (main contact) dan kontak tambahan (auxiliary contact) adalah untuk kapasitas arus yang besar yang dapat men-switch rangkaian utama supaya berdiri sendiri seperti pada gambar 2.9 dibawah.

Gambar 2.9  Struktur dari Magnetik kontaktor

            Cara kerja kontaktor magnet adalah dengan gaya magnetisasi dari kontak diam/fixed core (rangsangan kumparan magnet kontaktor) bila arus input dialirkan kedalam coil (arus dialirkan dengan adanya tegangan listrik).

            Selanjutnya kontak gerak pada gambar 2.10 bergerak bersama dengan inti gerak (mobile core) yang mengakibatkan kontak diam (fixed contact) menjadi ON. Bila arus yang mengalir ke coil di putus, gaya magnet akan hilang dan mengakibatkan inti gerak dan kontak gerak kembali ke posisi semula akibat pengaruh dorongan pegas dan akibatnya kontak diam (fixed contact) menjadi OFF kembali. Struktur dari magnetik kontaktor digambarkan pada gambar 2.10 dibawah.

Gambar 2.10  Struktur dari magnetic kontaktor

b.   Simbol dan cara kerja magnetic kontaktor

            Gambar simbol suatu kontaktor magnet juga dinyatakan secara terpisah ke dalam kumparan dan kontaknya. Gambar simbol kumparan sama dengan pada rele magnet, tetapi kontak bantu diberikan berlainan dengan kontak utamanya (kontak utama untuk kapasitas besar, kontak bantu untuk rangkaian control). Berikut gambar 2.11 dibawah ini memperlihatkan kondisi kerja kontak dan coilnya.

Gambar 2.11 Simbol dan kerja magnetic Kontaktor

            Keuntungan penggunaan magnetik kontaktor sebagai pengganti peralatan control yang dioperasikan secara manual meliputi:

1.      Pada penanganan arus besar atau tegangan tinggi, sulit untuk membangun alat manual yang cocok. Lebih dari itu alat itu besar dan sulit mengoperasikannya. Sebaliknya bila dengan kontaktor yang akan menangani arus yang besar atau tegangan tinggi, dan alat manual yang harus mengontrol hanya kumparan dari kontaktor.

2.      Kontaktor memungkinkan operasi majemuk dilaksanakan dari satu operator dan interlocked untuk mencegah kesalahan dan bahaya operasi.

3.      Pengoperasian yang berulang-ulang dalam satu jam dapat digunakan kontaktor untuk menghemat usaha.

4.      Kontaktor dapat dikontrol secara otomatis dengan ala pilot yang sangat peka,

5.      Tegangan yang tinggi dapat diatasi dengan kontaktor dan menjauhkan seluruhnya dari operator, sehingga meningkatkan keselamatan/keamanan instalasi.

6.      Dengan kontaktor peralatan control dapat dipasang pada tempat yang jauh.

Dengan kontaktor, control otomatis dan semiotomatis mungkin dilakukan dengan peralatan seperti control logika yang dapat diprogram seperti PLC. 

3. Miniatur Circuit Breaker (MCB)

Konstruksi Mini Circuit Breaker (MCB) digambarkan pada gambar 2.12 dibawah.

                                   

                                   

                        Gambar 2.12  Konstruksi Mini Circuit Breaker (MCB)        

            Keterangan gambar.

            1.Batang bimetal                                 2. Batang penekan

3. Tuas pemutus kontak                      4. Lengan kontak yang bergerak

5. Pegas (per) penarik kontak              6. Trip koil

     7.  Batang pendorong                          8. Batang penarik kontak

     9.  Kontak tetap                                   10. Kisi penahan busur

    11. Plat penahan dan busur api

              Prinsip kerja dari MCB dibuat sedemikian rupa agar dapat bekerja untuk memutuskan gangguan yang terjadi pada instalasi listrik dengan kemampuan tinggi secara otomatis. MCB bekerja saat terjadi gangguan arus lebih dengan dua cara, yaitu:

1. Operasi thermal

              Operasi pemutus oleh MCB karena gangguan beban lebih. Operasi thermal ini bekerja karena adanya efek panas yang terjadi pada batang bimetal (1) akibat arus beban yang melebihi rating arus nominal MCB yang terjadi pada rangkaian instalasi maupun peralatan listrik. Panas yang timbul ini akan mengakaibatkan batang bimetal melengkung dan akan mendorong batang penekan (2) untuk menekan tuas pemutus kontak (3) sehingga mekanisme pengunci kontak akan mengendor dan bersamaan dengan itu (5) pegas penarik kontak akan menarik lengan kontak yang bergerak (4) menjahui kontap tetap (9) dengan demikiangangguan arus lebih tersebut dapat diatasi.

2. Operasi Magnetik

Operasi pemutusan oleh MCB karena gangguan arus hubung singkat. Jika pada suatu rangkaian instalasi listrik terjadi hubung singkat maka pada rangkaian akan mengalir arus yang cukup besar yang menimbulkan fluksi yang cukup besar pada trip koil (6) sehingga batang inti dari koil tersebut akan bergerak ke depan atau batang pendorong (7) akan mendorong batang penekan (2) dan bersaman dengan itu batang inti bagian belakang atau batang penarik kontak (8) akan menarik lengan konytak yang bergerk agar segara menjahui kontak tetap (9) dan dalam waktu yang sama pula batang penekan  akan menekan (3) tuas pemutus kontak. Untuk selanjutnya sama dengan operasional thermal, hanya disini saat kontak membuka akan timbul semburan busur api yang cukup besar, dimana semburan api tersebut langsung dimatikan ke sisi pemadam (11), karena kisi-kisi tersebut diatur sedemikian rupa sehingga busur api yang menyembur tersebut langsung dipisah-pisahkan menjadi bagian kecil pada masing-masing kisi, sehingga pemadaman dapat dilakukan dengan cepat, dengan cara itu rangkaian instalai yang terhubung singkat dapat diamankan.

D. Metode Starting (pengasutan) Motor

Pada saat start motor induksi tiga fasa membutuhkan arus awal  sebesar 5 sampai 7 kali dari arus kerja atau jalannya. Untuk motor berdaya kecil tidak menjadi masalah namun sebaliknya sangat bermasalah dengan motor berkapasitas besar. Oleh karena itu digunakan suatu metode agar pada saat start,  motor  menggunakan arus awal yang kecil. Ada beberapa metode starting yaitu:

1.      Direct On Line (DOL)

Yaitu dengan menghubungkan secara langsung lilitan fasa stator motor dengan tegangan sumber. Dengan metode ini tidak ada pengurangan arus start (mula), metode ini hanya digunakan untuk motor-motor  kecil yang berdaya kurang dari 5 KW dan digunakan oleh motor induksi dengan rotor sangkar digambarkan pada gambar 2.13. 

Gambar 2.13.  Pengasutan Motor tiga fasa dengan  DOL

2.      Stator Resistance Starter

Prinsip kerja dari metode ini yaitu dengan memberikan tahanan yang dapat diatur pada stator, sehingga dapat menurunkan tegangan yang masuk pada stator, dengan berkurangnya tegangan masuk maka arus start juga akan berkurang. Setelah motor bekerja normal maka tahanan akan diperkecil / dihilangkan. Metode ini hanya digunakan pada motor induksi rotor sangkar seperti pada gambar 2.14 berikut.

Gambar 2.14  Pengasutan motor tiga fasa dengan stator resistance starter

3.      Star delta starter

Aplikasi-aplikasi industri umumnya banyak digunakan metode ini yaitu pengasutan motor dengan hubungan bintang dan segi tiga. Umumnya motor menggunakan hubungan segi tiga dalam kerja normal karena kemampuan dalam menangani beban-beban yang lebih dibandingan hubungan bintang, namun hubungan bintang memiliki arus sepertiga dari nilai yang dimiliki jika dihubungkan kebeban yang sama dengan hubungan segi tiga. Oleh karena itu untuk start digunakan hubungan bintang dan saat normal dihubungkan segi tiga. Metode ini dapat digunakan motor induksi baik dengan rotor sangkar maupun rotor lilit digambarkan pada gambar 2.15 berikut.

Gambar 2.15  Pengasutan motor tiga fasa dengan star delta