Motor AC (Arus Bolak-Balik)

Lebih dari 90% motor bekerja dengan arus bolak-balik. Baik motor ac maupun

dc mempunyai karakteristik yang mengatur penggunaannya.

Karakteristik motor ac

• 
  
• Harga lebih murah.
  
• Pemeliharaannya lebih mudah.
  
• Ada berbagai bentuk displai untuk berbagai lingkungan pengoperasian.
  
• Kemampuan untuk bertahan pada lingkungan pengoperasian yang keras.
  
• Secara fisik lebih kecil dibandingkan dengan motor dc dari HP yang sama.
  
• Biaya perbaikan lebih murah.
  
• Kemampuan untuk berputar pada kecepatan di atas ukuran kecepatan kerja yang tertera di nameplate.
  

Karakteristik motor dc

• 
  
• Torsi tinggi pada kecepatan rendah.
  

• 
  
• Pengaturan kecepatan bagus' pada seluruh rentang (tidak ada low-end cogging).
  

• 
  
• Kemampuan mengatasi beban-Iebih lebih baik.
  

• 
  
• Lebih mahal dibandingkan motor ac.
  

• 
  
• Secara fisik lebih besar dibandingkan dengan motor ac untuk HP yang sama.
  

• 
  
• Pemeliharaan dan perbaikan yang diperlukan lebih rutin.
  

Struktur dasar dan Prinsip Kerja Motor ac

Keistimewaan umum dari semua motor ac adalah medan-magnet putar yang diatur dengan lilitan stator. Konsep ini dapat diilustrasikan pada motor tiga-fase dengan mempertimbangkan tiga kumparan yang diletakkan bergeser 120o listrik satu sama lain. Masing-masing kumparan dihubungkan dengan satu fase sumber daya tiga-fase (Gambar 7-1). Apabila arus tiga-fase melalui lilitan tersebut, terjadi pengaruh medan-magnet berputar melalui bagian dalam inti stator. Kecepatan medan-magnet putar tergantung pada jumlah kutub stator dan frekuensi sumber daya. Kecepatan itu disebut kecepatan sinkron. yang ditentukan dengan rumus:

Dimana S = kecepatan sinkron dalam rpm

F = Frekwensi sumber daya dalam Hz

P = Jumlah lilitan kutub pada tiap lilitan satu fase

Gambar 7-1. Pembangkitan medan magnit putar

Pada Gambar 7-1 (b) kecepatan sinkron dapat dihitung sebagai:

S =

= 120 x

= 3600 rpm

Jenis-jenis Motor ac

Motor arus bolak-balik diklasifikasikan berdasarkan prinsip pengoperasian sebagai:

• 
  
• motor induksi
  
• motor sinkron.
  

Motor induksi Tiga fase rotor-sangkar

Motor induksi ac adalah motor yang paling sering digunakan sebab motor ini relatif sederhana dan dapat dibuat dengan lebih murah dibandingkan dengan yang lain. Motor induksi dapat dibuat baik untuk jenis tiga-fase maupun satu-fase, karena pada motor induksi tidak ada tegangan eksternal yang diberikan pada rotornya. Sebagai penggantinya, arus ac pada stator menginduksikan tegangan pada celah udara dan pada Iilitan rotor untuk menghasilkan arus rotor dan medan magnet. Medan magnet stator dan rotor kemudian berinteraksi dan menyebabkan rotor berputar (Gambar 7-2).

Gambar 7-2. Arus Induksi rotor

Aplikasi induksi yang umum biasanya menggunakan motor induksi tiga-fase rotor-sangkar (Gambar 7-3). Karakteristik motor rotor sangkar adalah sebagai berikut:

• 
  
• Rotor terdiri dari penghantar tembaga yang dipasangkan pada inti yang solid dengan ujung-ujung dihubung singkat mirip dengan sangkar tupai.
  
• Kecepatan konstan.
  
• Arus start yang besar yang diperlukan oleh motor menyebabkan tegangan berfluktuasi.
  
• Arah putaran dapat dibalik dengan menukarkan dua dari tiga line daya utama pada motor.
  
• Faktor daya cenderung buruk untuk beban yang dikurangi.
  
• Apabila tegangan diberikan pada lilitan stator, dihasilkan medan-magnet putar yang menginduksikan tegangan pada rotor. Tegangan tersebut pada gilirannya menimbulkan arus yang besar mengalir pada rotor. Arus tersebut menimbulkan medan magnet. Medan rotor dan medan stator cenderung saling menarik satu sama lain. Situasi tersebut membangkitkan torsi, yang memutar rotor dengan arah yang sama dengan putaran medan magnet yang dihasilkan oleh stator.
  
• Pada saat start, motor akan terus berjalan dengan rugi fase sebagai motor satu-fase. Arus yang ditarik dari dua lin sisa hampir dua kali, dan motor akan mengalami panas lebih.
  

Motor rotor sangkar biasanya dipilih dari jenis-jenis yang lain kesederhanaan, kekuatan, dan keandalan. Karena keistimewaan yang unik tersebut, motor sangkar-tupai diterima sebagai standar aplikasi motor ac untuk semua keperluan kecepatan-konstan.

Gambar 7-3. Motor induksi rotor-sangkar tiga-fase

Rotor motor induksi tidak berputar pada kecepatan sinkron, tetapi agak ketinggalan. Misalnya motor induksi yang mempunyai kecepatan sinkron 1800 rpm akan sering mempunyai kecepatan kerja 1750 rpm pada horse power kerja. Ketinggalan tersebut biasanya dinyatakan sebagai persentase kecepatan sinkron yang disebut slip.

Kecepatan rotor motor induksi tergantung pada kecepatan sinkron dan beban yang harus digerakkan. Rotor tidak menarik pada kecepatan sinkron tetapi cenderung untuk slip di belakang. Jika rotor diputar pada kecepatan yang sama dengan medan putar, tidak ada gerakan relatif antara rotor dan medan, dan tidak ada tegangan yang diinduksikan. Karena motor slip sehubungan dengan medan magnet berputar dari stator, maka tegangan dan arus diinduksikan pada rotor. jadi, motor normal, katakanlah dengan slip 2,8% dan kecepatan sinkron 1800 rpm, akan mempunyai slip 50 rpm dan kecepatan beban penuh 1750 rpm (1800 - 50 = 1750 rpm). Inilah kecepatan beban penuh yang akan dijumpai pada plat nama motor.

Motor induksi pada dasarnya adalah transformator di mana stator adalah primer dan rotor yang dihubung singkat adalah sekunder. Arus tanpa beban sama dengan arus penguatan pada transformator. Jadi, motor induksi tersusun atas komponen kemagnetan yang menimbulkan gaya tolak dan sedikit komponen aktif yang mensuplai kerugian angin dan gesekan pada rotor, ditambah kerugian besi pada stator.

Apabila motor induksi dalam keadaan berbeban, arus motor membangkitkan fluks yang berlawanan arah dan karena itu memperlemah fluks stator. Hal ini mengakibatkan lebih banyak arus yang mengalir pada lilitan stator, sama seperti kenaikan arus sekunder dari transformator mengakibatkan kenaikan pada arus primemya. Arus penguatan dan daya reaksi dalam keadaan terbeban bertahan hampir sama dengan pada saat keadaan tanpa beban. Tetapi daya aktif (kW) yang diserap oleh motor meningkat sebanding dengan beban mekanis. Hal ini mengikuti faktor daya motor yang bertambah besar secara dramatis pada saat beban mekanis bertambah. Pada keadaan beban penuh, faktor daya tersebut berkisar antara 0,7 untuk mesin kecil dan sampai dengan 0,9 untuk mesin besar. Efisiensi pada beban penuh adalah tinggi, dapat mencapai 90% untuk mesin yang sangat besar.

Arus rotor-ditahan sampai arus starting dari motor induksi adalah 5 sampai dengan 6 kali arus beban penuh. Segera setelah rotor dilepas, rotor mempercepat putaran dengan sangat cepat searah putaran medan. Pada saat rotor mengambil kecepatan, kecepatan relatif medan terhadap rotor makin berkurang. Hal ini menyebabkan kedua nilai dan frekuensi tegangan yang diinduksikan turun karena batang-batang rotor memotong lebih lambat. Arus rotor pertama kali turun dengan cepat pada saat motor mengambil kecepatan. Oleh karena itu, motor harus tidak pemah di biarkan tertahan untuk waktu sebentar saja.

Oleh karena motor induksi tiga-fase membuat medan putar yang dapat menstart motor, motor satu-fase memerlukan alat pembantu starting. Pada saat motor induksi satu-fase berputar, motor membangkitkan medan magnet putar. Motor induksi satu-fase lebih besar ukurannya untuk HP yang sama dibandingkan dengan motor tiga-fase, motor satu-fase mengalami pembatasan pemakaian di mana daya tiga-fase tidak ada. Apabila berputar, torsi yang dihasilkan oleh motor satu-fase adalah berpulsa dan tidak teratur, yang mengakibatkan faktor daya dan efisiensi yang lebih rendah dibandingkan dengan motor banyak fase.

Arah putaran medan stator dari motor induksi tiga-fase tergantung pada urutan-fase. Medan rotor ditarik oleh medan stator dan karena itu berputar searah dengan medan stator. Penukaran setiap dua kali dari ujung-ujung beda-fase yang mensuplai arus pada stator akan membalik urutan fase dan menyebabkan rotor berbalik arahnya.

Perlu diingat bagaimana kecepatan motor induksi ditimbulkan, yaitu dengan jumlah kutub dan frekuensi suplai daya (bukan suplai tegangan). Kecepatan standar motor induksi sangkar-tupai pada dasamya konstan. Meskipun demikian, motor sangkar-suplai dengan multispeed khusus, diproduksi dengan lilitan stator pada jumlah kutub yang dapat diubah dengan mengubah hubungan eksternal. Motor kecepatan banyak (multispeed) ada pada dua atau lebih kecepatan yang terhitung, yang ditentukan dengan hubungan yang dibuat pada motor. Motor dua-kecepatan biasanya mempunyai satu lilitan yang dapat dihubungkan sehingga mempunyai dua kecepatan, salah satunya separuh dari yang lain (Gambar 7-4).

Gambar 7- 4. Hubungan lilitan motor-sangkar tupai (multi-speed)

Motor induksi Tiga fase rotor-lilit

Motor induksi rotor-lilit adalah motor induksi dengan rotor di lilitan-kawat yang digunakan untuk aplikasi kecepatan yang variabel (Gambar 7-5). Stator terdiri dari tiga lilitan satu-fase yang diletakan berjarak 120o listrik satu sama lain, dan dihubungkan ke sumber daya tiga-fase. Rotor tiga-fase mempunyai ujung-ujung luar ke slip ring.

Kecepatan rotor lilit dapat diubah dengan menempatkan tahanan pada rangkaian rotor melalui slip ring. Semakin besar tahanan ditempatkan pada rangkaian rotor, semakin lambat motor berputar, apabila semua tahanan dihilangkan dari rangkaian rotor, motor akan berputar pada kecepatan penuh. Dengan menempatkan tahanan pada rangkaian rotor, mengurangi arus start dan menyediakan torsi start yang tinggi. Faktor daya motor jenis ini adalah rendah pada keadaan tanpa beban, dan penuh pada keadaan beban. Untuk membalik putaran motor jenis ini, tukarlah dua ujung-ujung sumber tegangan.

beberapa keuntungan dan kelemahan motor induksi rotor-lilit meliputi:

keuntungan:

• 
  
• Torsi start tinggi dengan arus start rendah.
  
• Percepatan dengan beban berat lembut.
  
• Tidak ada pemanasan abnormal selama periode starting.
  
• Pengaturan kecepatan yang bagus selama bekerja dengan beban konstan.
  

Kelemahan:

• 
  
• Harga awal dan pemeliharaan lebih tinggi dibandingkan dengan motor sangkar tupai.
  
• Regulasi kecepatan jelek, apabila bekerja dengan tahanan pada rangkaian rotor.
  

Gambar 7-5. Motor Induksi tiga-fase rotor-lilit

Motor Sinkron

Motor sinkron, seperti namanya, menunjukkan motor yang berputar pada kecepatan konstan mulai tanpa beban sampai beban-penuh. Kecepatannya adalah Sama dengan kecepatan medan-magnet putar. Motor sinkron menggunakan stator satu-fase atau tiga-fase untuk membangkitkan medan magnet-putar dan rotor elektromagnetis yang disuplai dengan arus searah. Rotor bertindak seperti magnet dan ditarik oleh medan stator yang berputar. Penarikan akan menghasilkan torsi pada rotor dan menyebabkan rotor berputar dengan medan. Motor sinkron tidak dapat berputar (start sendiri) dan harus dibawa pada kecepatan yang mendekati kecepatan sinkron sebelum motor dapat terus berputar sendiri.

Pada motor sinkron tiga-fase (Gambar 7-6), rotor biasanya mempunyai dua lilitan:

• 
  
• lilitan ac, yang kemungkinan jenis sangkar tupai atau jenis rotor lilit.
  
• dan lilitan dc.
  

Lilitan rotor ac membawa rotor sampai mendekati kecepatan sinkron, di mana lilitan rotor dc diberi energi dan motor mengunci satu langkah dengan medan yang berputar. Lilitan stator sama dengan lilitan fase banyak, sangkar tupai dan motor rotor lilit.

Gambar 7-6. Motor sinkron tiga-fase

Motor sinkron tidak dapat di-start dengan medan dc yang diberi tenaga. Pada keadaan ini, torsi bolak-balik dihasilkan pada rotor. Pada saat medan stator menyapu pada rotor, cenderung menyebabkan rotor, mencoba berputar pertama kali pada arah yang berlawanan dengan arah putaran medan berputar, dan kemudian dengan arah yang sama. Aksi ini terjadi sedemikian cepat sehingga rotor tetap diam.

Untuk menjalankan (start) motor sinkron, rotor dihilangkan tenaganya. Motor dijalankan dengan cara yang sama seperti motor sangkar tupai atau rotor lilit tergantung pada konstruksi rotor. Apabila rotor mencapai hampir 95% kecepatan sinkron, arus searah diberikan pada lilitan penguat. Arus searah menghasilkan kutub utara selatan yang pasti pada rotor, yang mengunci pada magnet putar dari stator dan memutar rotor pada kecepatan sinkron.

Motor sinkron tiga-fase dapat digunakan untuk perbaikan faktor daya. Motor yang dioperasikan dengan cara itu disebut kapasitor sinkron. Motor sangkar tupai dan motor rotor lilit adalah Jenis motor induksi yang menyebabkan faktor daya ketinggalan. Faktor daya yang ketinggalan itu dapat dikoreksi dengan pemberian penguat lebih dari rotor motor sinkron.

Hal ini akan membuat faktor daya yang mendahului membatalkan faktor daya ketinggalan dari motor induksi. Medan dc yang diberi penguatan kurang akan menghasilkan faktor daya ketinggalan (jarang digunakan). Apabila medan yang umumnya diberi penguatan, motor sinkron akan berputar pada faktor daya satu. Motor sinkron biasanya digunakan untuk menggerakkan beban yang menghendaki putaran konstan dan Jarang starting dan stopping. Jenis beban yang umum adalah generator dc, blower, dan kompresor.

Pemilihan, Pemasangan, dan pemeliharaan Motor

Ukuran daya-mekanis kerja motor dinyatakan dalam horse power (hp) atau watt (W), 1 hp = 746 Watt. Dua faktor penting yang menentukan output daya-mekanis adalah torsi dan kecepatan. Torsi adalah besamya puntiran atau daya pemutar, sering dinyatakan dalam N.m atau pound-feet (lb/ft). Kecepatan motor umumnyadinyatakan dalam putaran per menit (rpm).

Horse power =

Jadi, untuk setiap motor, horsepower tergantung pada kecepatan. Makin lambat motor bekerja, makin besar torsi motor yang harus dihasilkan agar memberikan jumlah daya yang sama. Untuk mempertahankan torsi yang lebih besar, motor yang lambat memerlukan komponen yang lebih kuat dibandingkan dengan komponen dari motor kecepatan lebih tinggi untuk ukuran kerja daya yang sama. Motor yang lebih lambat biasanya lebih besar, lebih berat, dan lebih mahal dibandingkan dengan motor yang lebih cepat dengan ukuran kerja daya ekivalen. Besarnya torsi yang dihasilkan oleh motor biasanya kecepatannya berubah dan bergantung pada jenis dan desain motor. Gambar 7-7 menunjukkan grafIk torsi-kecepatan motor.

Gambar 7-7. Grafik torsi-kecepatan motor

Beberapa faktor penting yang ditunjukkan oleh grafik mencakup:

• 
  
• Torsi start, adalah torsi yang diliasilkan pada kecepatan nol
  
• Torsi percepatan, adalah torsi minimum yang diliasilkah selama percepatan dari keadaan diam sampai kecepatan kerja.
  
• Torsi patah, Ini adalah torsi maksimum yang dapat dihasilkan motor sebelum mogok (stalling).
  

Efisiensi daya (Gambar 7-8(a) dari motor listrik didefinisikan sebagai berikut:

Efisiensi (%) =

=

Gambar 7-8. Efisiensi motor

Karena adanya kerugian-kerugian, output mekanis yang berguna dari motor lebih kecil dibandingkan dengan input listrik.

Panas adalah faktor penentuan akhir dalam menetapkan ukuran hp-kerja motor. Daya input pada motor ditransfer pada poros sebagai output daya atau kerugian sebagai panas melalui body motor. Efisiensi motor listrik berkisar antara 75 % sampai 98 persen. Motor efisien-energi (Gambar 7-8 (b)) biaya operasinya lebih rendah dan mempunyai kerugian panas yang rendah sehingga memerlukan daya listrik yang lebih rendah untuk memberikan output daya-mekanis yang sama. Peningkatan efisiensi pada dasarnya dapat dlcapai dengan penggunaan bahan material yang lebih banyak dan lebih baik serta penerapan perubahan desain pada motor. Kerugian yang jelas berkaitan dengan operasi motor meliputi:

• Rugi inti. Rugi inti menyajikan energi yang diperlukan untuk memagnetisasikan bahan inti (histerisis) dan kerugian-kerugian karena timbulnya listrik yang kecil yang mengalir pada inti (arus eddy).

· Rugi stator. Rugi pemanasan I2R pada lilitan stator karena arus I mengalir melalui penghantar kumparan dengan tahanon R.

• 
  
• Kerugian rotor. Kerugian I2R pada lilitan rotor (pada motor induksi sangkar-tupai, "lilitan" sesungguhnya batang-batang penghantar yang bergerak secara aksial sepanjang rotor dan dihubungkan pada ujung-ujungnya).
  

• 
  
• Kerugian beban liar. Adalah akibat fluks bocor yang diinduksikan oleh arus beban, bervariasi sebagai kuadrat arus beban.
  

· Kerugian angin dan gesekan. Kerugian ini menyajikan gesekan angin dan bantalan terhadap putaran rotor.

Killowatt yang dikehendaki hampir sama, tidak peduli ukuran motor yang peduli digunakan. Meskipun demikian, kilo VAR yang dikehendaki meningkat dengan cepat karena motor lebih besar dibandingkan dengan yang perlu digunakan. Akibatnya, killovolts-ampere yang diperlukan yang menentukan ukuran alat saklar dan kabel listrik yang digunakan, juga akan bertambah. Batas ukuran lebih yang dapat diterima untuk mengoperasikan motor adalah antara 75% sampai 100% beban. Ini biasanya dicapai dengan mengetahui bahwa motor induksi tersedia dengan banyak ukuran. Ingat bahwa apabila motor mempunyai faktor

pelayanan (service factor = SF) lebih besar dari 1,0 , maka motor itu dirancang untuk bekerja secara memuaskan pada faktor-pelayanan beban (misalnya, faktor pelayanan 1,15 dapat beroperasi pada 115 persen beban terus-menerus), meskipun pada efisiensi yang agak rendah. Keadaan beban-lebih dalam jangka waktu yang pendek sering dapat diakomodasi dengan kemampuan faktor-pelayanan daripada penggunaan motor dengan hp yang lebih besar.

Tutup motor dirancang untuk memberikan perlindungan yang cukup, tergantung pada lingkungan di mana motor harus bekerja. Tutup yang paling umum adalah:

• 
  
• ODP (Open Drip-Proof). Tutup ODP digunakan untuk lingkungan yang bersih akan memberikan toleransi terhadap tetesan cairan tidak lebih besar dari 15° dari vertikal. Udara sekitar ditarik melalui motor untuk pendinginan.
  
• TEFC (Totally Enclosed Fan Cooled). Tutup TEFC digunakan untuk lingkungan berdebu dan korosif, udara didinginkan oleh kipas angin eksternal terpadu.
  
• Tahan ledakan. motor TEFC ini digunakan pada lingkungan yang mudah terbakar. Tahan terhadap ledakan gas internal tanpa menyalakan gas eksternal (tidak membolehkan percikan internal atau api untuk lolos).
  

Motor induksi telah distandardisasi menurut karakteristik torsinya seperti disain A, B, C, D atau F dari NEMA (National Electrical Manufactures association). Desain yang Anda pilih harus mempunyai torsi cukup untuk mengasut beban dan mempercepat sampai kecepatan penuh. Tabel 7-1 memberikan daftar karakteristik torsi untuk berbagai desain NEMA.

Motor induksi sangkar-tupai adalah motor yang paling sederhana dan paling terpercaya karena kekerasan lilitan rotor sangkar dan tidak adanya sikat. Arus awal (starting) yang besar diperlukan oleh motor ini dapat menyebabkan fluktuasi tegangan. Kegunaan-umum, motor induksi sangkar - tupai (desain B NEMA) adalah motor induksi. Motor desain B NEMA dlgunakan untuk menggerakkan kipas, pompa sentrifugal, dan sebagainya.

Motor torsi start-tinggi (desain C NEMA) digunakan apabila kondisi start sukar. Elevator dan kerekan yang harus start dalam keadaan berbeban adalah dua aplikasi yang umum. Pada umumnya, motor-motor tersebut mempunyai sangkar-dobel.

Motor slip-tinggi (desain D NEMA) dirancang untuk mempunyai torsi start yang tinggi dan arus start yang rendah. Motor-motor tersebut mempunyai tahanan rotor tinggi dan bekerja antara 85% dan 95% dan kecepatan sinkron Motor-motor tersebut menggerakkan beban kelembaman tinggi (misalnya pengering sentrifugal), yang mengambil waktu yang relatif lama untuk mencapai kecepatan penuh. Rotor sangkar tahanan-tinggi dibuat dari kuningan dan motor-motor tersebut biasanya dirancang untuk operasi yang sifatnya sebentar-sebentar untuk mencegah pemanasan lebih.