motor 3 fasa dan 1 fasa

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

33

PENGARUH MODIFIKASI BELITAN STATOR MOTOR INDUKSI

1 FASA ROTOR SANGKAR MENJADI MOTOR INDUKSI 3 FASA TERHADAP

PERUBAHAN DAYA KELUARAN

Ambrosius Alexander Tino5 Abstrak

Banyaknya industri kecil yang menggunakan motor induksi 1 fasa yang kontruksinya lebih rumit dari motor induksi 3 fasa sebagai mesin penggerak, karena memiliki daya rendah dan sumber listrik yang tersedia adalah sumber listrik 1 fasa. Sedangkan motor induksi 3 fasa yang tersedia dipasaran memiliki daya dari ½ HP sampai dengan daya yang besar. Modifikasi belitan stator motor induksi 1 fasa menjadi motor induksi 3 fasa sebagai upaya untuk memperoleh motor induksi 3 fasa dengan daya yang lebih besar dari motor induksi 1 fasa. Untuk itu dalam penelitian ini dilakukan modifikasi belitan stator motor induksi 1 fasa rotor sangkar 1 Hp, 110/220 V menjadi motor induksi 3 fasa rotor sangkar 220/380 V, dan setelah dilakukan modifikasi belitan stator dengan jumlah kutub yang sama dan dilakukan pengujian, maka daya keluaran motor mengalami peningkatan yaitu dari 746 watt menjadi 1.018,52 watt atau 36,53% dari daya keluaran motor 1 fasa. Kata-kata kunci: belitan stator, rotor sangkar, daya keluaran

Abstract

Many small level industries use 1 phase induction motor. While, the stucture of 1 phase induction motor is more complicated than 3 phase induction motor. 3 Phase induction motor that are sold has ½ HP power to greater power. Modifyng stator winding og 1 phase induction motor into 3 phase induction motor is an effort to gain 3 phase induction motor with more power than 1 phase induction motor. Therefore, this research modifies

5Ambrosius Alexander Tino. Dosen Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Kupang

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

34

stator winding of 1 phase induction motor with 1 HP, 110/220 cage rotor. After stator winding with the same pole number was modified, a test was conducted. The result is the motor output power increases from 746 Watt into 1.018,52 Watt. It is approxmately 36,53% from output power of 1 phase inductiom motor. Keywords: stator winding, squirrel cage rotor, output power 1. PENDAHULUAN

Motor induksi adalah motor arus bolak-balik yang paling banyak digunakan sebagai motor penggerak di industri, karena memiliki kelebihan seperti struktur dan konstruksinya yang kokoh, sederhana dan perawatannya mudah.Dalam pemakaiannya hampir sebagian mesin penggerak diindustri, menggunakan motor induksi. Motor induksi menurut jumlah fasanya terdiri dari 2 (dua) jenis yaitu motor induksi 1 fasa dan motor induksi 3 fasa.Yang mana motor induksi 1 fasa banyak digunakan pada industri kecil, walaupun memiliki daya dan efisiensi yang rendah.

Dengan demikian motor induksi 3 fasa menjadi pilihan pertama, bila tersedia motor induksi 3 fasa dengan daya rendah dan telah tersedia sumber listrik 3 fasa. Karena dengan dimensi dan putaran yang sama, keluaran motor induksi 1 fasa adalah lebih kecil dari keluaran motor induksi 3 fasa. Dalam memilih motor induksi, besarnya daya keluaran merupakan salah satu hal yang perlu dipertimbangkan agar sesuai dengan beban yang digerakkan.Untuk itu, dilakukan modifikasi belitan stator motor induksi 1 fasa rotor sangkar 1 HP,110/220V menjadi motor induksi 3 fasa rotor sangkar 220/380V terhadap daya keluarannya tanpa merubah dimensi rotor dan statornya.

2. KAJIAN PUSTAKA 2.1 Motor Induksi 1 Fasa

Motor induksi 1 fasa pada umumnya memiliki daya kecil, efisiensinya relatif rendah, antara 38% sampai 70%. Inti stator motor induksi 1 fasa terdiri dari lapisan plat-plat besi (laminasi) tersusun secara rapi dan ujung-ujungnya diklem. Plat-plat besi (laminasi) dibentuk sedemikian rupa menjadi alur-alur dan gigi-gigi alur stator. Sedangkan konduktor rotor dibuat dari batangan tembaga, alumunium atau alumunium paduan.

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

35

2.2 Rangkaian Motor Induksi 1 Fasa Rangkaian dasar motor induksi 1fasa ditunjukkan dalam

Gambar 1. Gambar 1. Rangkaian dasar motor induksi 1 fasa (Zuhal, 1993)

Motor induksi satu fasa mempunyai dua kumparan stator yaitu: kumparan utama (U) dan kumparan bantu (B) yang digulung pada stator dengan perbedaan sudut 90° listrik. Kumparan bantu mempunyai tahanan lebih besar dari kumparan utama, sedangkan reaktansinya dibuat lebih kecil. 2.3 Motor Induksi 3 Fasa 2.3.1 Prinsip Kerja Motor Induksi 3 Fasa

Bila terminal belitan stator diberi tegangan suplai tiga fasa, akan timbul medan putar dengan kecepatan ns. Sumber tersebut pada masing-masing fasanya mempunyai amlitudo yang sama, frekuensi yang sama dan mempunyai beda fasa sebesar 120° antara fasa yang satu dengan fasa lainnya. Maka ketiga fasa tersebut akan membangkitkan medan magnet putar dengan kecepatan sinkron (ns). Putaran medan magnet ini memotong batang-batang konduktor atau belitan pada sisi rotor. Sehingga akan timbul tegangan terinduksi pada kumparan rotor. Apabila rangkaian rotor merupakan suatu rangkaian tertutup maka tegangan induksi akan menghasilkan arus yang mengalir di dalam rotor. Adanya arus didalam medan magnet akan menghasilkan suatu gaya pada rotor. Apabila torsi yang ditimbulkan oleh gaya rotor ini cukup besar untuk memikul torsi beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar stator. Persamaan kecepatan sinkron diberikan sebagai berikut :

ns= rpmp

f60 (1)

Dengan ns : kecepatan sinkron, f : frekuensi (Hz)

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

36

P : Jumlah pasang kutub Perbedaan kecepatan antara kecepatan medan putar stator (ns) dan kecepatan berputar rotor (n) disebut dengan slip (s) dinyatakan dengan : S= (2) Besarnya slip berubah-ubah berdasarkan besarnya beban : Pada beban kosong (tanpa beban), slip kecil (n2 Pada beban penuh, slip agak lebih besa (ns > n)

2.3.2 Rangkaian Ekuivalen Motor Induksi Rangkaian pengganti dari motor induksi tiga fasa sangat diperlukan untuk mempermudah analisis dan perhitungan. Sebuah motor induksi 3 fasa dalam keadaan diam. Stator kemudian dihubungkan pada jaringan, sedangkan lilitan-lilitan rotor merupakan rangkaian yang tertutup, baik langsung ataupun melalui sebuah hambatan. Medan magnet stator berputar dengan kecepatan:

f1 = p.nS/60 (3)

dimana, p = jumlah pasang kutub Rotor yang berputar dengan kecepatan n dalam putaran medan magnet putar (medan stator) yang juga berputar dengan kecepatan (ns) maka fluksi dari medan stator akan berputar relatif terhadap rotor dengan kecepatan :

n2 = ns n (4)

dimana, n2 = kecepatan relatif medan stator terhadap rotor. Maka frekuensi dari tegangan terinduksi adalah f2 = pn2/60 = p (n2-n) / 60

dengan s =s

s

nnn

(5)

2.3.3 Tegangan terinduksi pada rotor Pada keadaan rotor diam

(n = 0 atau s = 1) E2=4,44f2N2kw2 m (6)

%100xsn

nsn

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

37

f2 = f1 E2 = 4,44 f1 N2Kw2 m (7) Dengan N1 : jumlah lilitan pada stator N2 : jumlah lilitan pada rotor Kw1: factor belitan pada stator Kw2: factor belitan pada rotor Besarnya tegangan induksi fasa rotor tergantung pada perbandingan stator dan rotor.

E2= 12

1 EN

N (8)

Pada keadaan rotor berputar f2 = f1s E2s = 4,44 sf1N2Kw2 m = sE2 Jadi E2s = sE2 (9) Dengan E2s : Tegangan terinduksi pada saat rotor berputar

dengan slip( s ) Es : Tegangan terinduksi pada saat rotor diam Tegangan induksi tiap fasa dalam belitan rotor adalah sebanding dengan slip dan dari persamaan (8) di dapat: E2s = (N2/N1) sE1 (10) 2.3.4 Reaktansi bocor pada rotor Pada keadaan rotor diam (s=1)

X2 = wL2 = 2 f1 L2 Pada keadaan rotor berputar

X2S = Wl = 2 2L2

Pada saat keadaan rotor berputar X2s = wL=2 = 2 f2L2 = 2 f1L2

X2S = SX2 (11) dimana X2s = reaktansi pada saat rotor berputar SX2 = reaktansi pada saat rotor diam

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

38

2.3.5 Tahanan pada rotor Tahanan rotor pada belitan maupun batang rotor pada saat diam maupun berputar besarnya tetap, artinya tidak terpengaruh pada perubahan slip. Apabila sisi primer dijadikan sebagai referensi, maka rangkaian pengganti motor induksi seperti ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Rangkaian Pengganti Motor Induksi (Soemarwanto, Hery Purnomo, 2000)

Dimana, I2 : arus motor yang disetarakan pada sisi stator R2 : tahanan rotor yang disetarakan pada stator s : slip Daya yang ditransferkan melalui celah udara (Pem) adalah Pem=3 (I2 2 ( 1

2R / S) (12) Rugi tahanan rotor (Pcu2) adalah Pcu2 = 3 ( 1

2I )2 R2 (13) Daya mekanik (Pmek)

Pmek2=3( 12I )2

s

sR )1(12 (14)

Kecepatan rotor ( r ) radian listrik per detik adalah : ssr )1( (15) Kopel elektromagnet dapat dihitung dari :

Tem = 'sw

emP ; dimana

ws = kecepatan sudut dari medan putar magnet dengan ws = 2 ns

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

39

Dan kecepatan sinkron motor adalah ws maka torsi electromagnet adalah

Tem Nmsw

sRl /12(2)1

2(3 (16)

Dari gambar 4 impedansi Zo yang merupakan hasil paralel antara Rc dan Xm

Zo = mjXcR

mjXcR (17)

Selanjutnya dengan menggunakan theorema Thevenin disederhanakan rangkaian pada gambar 3 pada terminal a-b.

Vab = 110

0 VZZ

Z

Zab = 01

01ZZ

ZZ (18)

Sehingga rangkaian pada gambar 2 menjadi gambar 3. . Gambar 3, Penyederhanaan rangkaian dengan teorema Thevenin (Soemarwanto, Hery purnomo, 2000) Zab = Rab + jXab (19)

I12 =

2)

12(/

12 XabXsRabR

abV (20)

Dengan menggabungkan persamaan (16) dan (20) didapat

Tem= 2)

12(

2)/

12(

)/12(

23

XabXsRabRsw

sRabV (21)

Besarnya slip smaxT agar diperoleh kopel maksimum adalah Maka besarnya SmaxT

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

40

smaxT=

2)12(2

12

XabXabR

R (22)

3. METODE

Metode penelitian yang dilakukan penulis adalah sebagai berikut :

1) Pengambilan data dari motor induksi 1 fasa yakni data dari plat nama motor, data belitan stator, ukuran stator, ukuran alur stator, ukuran rotor yang selanjutnya dari data-data tersebut dilakukan perhitungan untuk memodifikasi belitan stator motor induksi 1 fasa menjadi motor induksi 3 fasa.

2) Memodifikasi atau menggulung belitan 3 fasa pada alur stator.

3) Melakukan pengujian motor yang meliputi: pengujian tanpa beban, pengujian rotor ditahan, pengujian dc, pengujian berbeban dan dari data pengujian tersebut dapat dihitung parameter dari motor,perhitungan daya, rugi-rugi dan pengujian kemampuan motor.

4) Mengambil kesimpulan dengan mengacu pada hasil pengujian, perhitungan dan analisis dari motor induksi tersebut.

4. PEMBAHASAN DAN ANALISIS

Pada bagian ini dijelaskan analisis yang dilakukan terhadap sistem sekarang, analisis kelemahan maupun usulan kebutuhan sistem yang dikembangkan.

4.1. Data Perancangan Dalam perancangan memodifikasi belitan stator motor

induksi 1 fasa menjadi motor induksi 3 fasa hanya pada dimensi stator dan rotor yang tetap.

Daya keluaran ( P) : 746 watt Tegangan (V) : 110/220 Volt Arus nominal (I) : 14,6/7,3Amper Frekuensi (f) : 50 Hz

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

41

Putaran (n) : 1400 rpm Diameter stator (D) : 0,095 m Panjang stator (L) : 0,056 m Jumlah alur (S) : 36 alur Jumlah kutub (p) : 4 kutub

Berdasarkan tabel efisiensi dan faktor daya (Sawhney, 1990) untuk motor induksi 1 fasa daya 1 Hp, faktor daya = 0,65. Dari tabel efisiensi dan faktor daya (Sawhney, 1990), untuk motor induksi 3 fasa, rotor sangkar 4 kutub adalah:

Tabel 1. Tabel Efisiensi dan Faktor Daya Pout (kW) Efisiensi Cos

0,75 0,72 0,75 2,2 0,81 0,82

Sedangkan ukuran alur yang diukur langsung dari konstruksi stator ditunjukan dalam Gambar 4.

Gambar 4. Bentuk Alur Stator

4.2. Bentuk Gulungan Stator Hasil Modifikasi Bentuk gulungan stator adalah gulungan terdistribusi dengan

sistem double layar seperti pada Gambar 5.

Gambar 5. Bentuk Gulungan Stator Hasil Modifikasi

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

42

Tabel 2. Hasil Perancangan NO PARAMETER NOTASI NILAI

1. Daya keluaran beban penuh P 1,119 KW 2. Tegangan line VL 380 V 3. Tegangan fasa Vf 220 V 4. Frekuensi f 50 Hz 5. Fasa m 3 6. Efisiensi 0,743 7. Faktor Kerja Cos phi 0,768 8. Jumlah kutub P 4 9. Kecepatan sinkron rps ns 25

10. KVA input 1,961 11. Arus line beban penuh IL 2,98A

a) Dimensi Utama

Tabel 3. Dimensi Utama NO PARAMETER NOTASI NILAI

1. Kerapatan fluks spesifik Bav 0,41 Wb/m2 2. Amper konduktor spesifik ac 36,289 Ak/m 3. Diameter stator Ds 0,095 m 4. Panjang stator Ls 0,56

b) Stator

Tabel 4. Hasil Perancangan Stator NO PARAMETER NOTASI NILAI

1. Belitan Double layer 2. Tipe laminasi 0,5 mm thick

lohys 3. Hubungan 4. Tegangan line Es 220V 5. Fluks per kutub 1,71 x 10-3Wb 6. Lilitan per fasa Ts 606 7. Jumlah alur stator Ss 36

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

43

8. Alur per kutub 9 9. Alur per kutub per fasa qs 3

10. Coil span Cs 8 alur 11. Faktor distribusi Kd 0,96 12. Faktor kisar Kp 0,985 13. Faktor belitan Kws 0,9456 14. Kisar alur Yss 8,3 15. Konduktor per alur Zss 102 16. Konduktor : D 0,9 mm

- Diameter as 0,596 m2 - Luas 5 A/mm2

c) Rotor

Tabel 5. Ukuran Rotor NO PARAMETER NOTASI NILAI

1. Diameter rotor Lr 56 mm 2. Panjang rotor Dr 94,30 mm 3. Lebar end ring - 7,75 mm 4. Tebal end ring - 23,30 mm 5. Tebal inti rotor - 24,6 mm 6. Diameter ring - 93,30 mm

d) Tampilan Mesin

Tabel 6. Tampilan Mesin NO PARAMETER NOTASI NILAI

Pada beban penuh : 1. - Daya keluaran Pout 1119 watt

2. - Daya masukan Pin 1506,05 watt

3. - Efisiensi 0,743

4. - Faktor daya Cos phi 0,768

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

44

4.3. Pengujian 4.3.1 Pengujian Motor Induksi 3 Fasa Hasil Modifikasi

Parameter motor dapat ditentukan dari hasil pengujian tanpa beban, pengujian rotor ditahan, pengujian dc untuk mengetahui tahanan belitan stator. Tabel 7, 8, 9,10, 11, 12, 13a, 13b, dan 14 memperlihatkan data hasil pengujian yang telah dilakukan terhadap motor induksi 3 fasa 1119 Watt, 220 / 380 Volt hasil modifikasi.

Tabel 7. Data Pengujian Tanpa Beban (Poros Motor Belum dihubungkan pada Poros Generator)

Vo (Volt)

Io (Amper)

P0 (Watt)

N (rpm)

380 0,95 52 1495

Tabel 8. Data Pengujian Tanpa Beban (Poros Motor dihubungkan

dengan Poros Generator) Vo (Volt) Io (Amp) P0 (Watt) n (rpm)

380 0,95 52 1495 Tabel 9. Tabel Data Pengujian Tanpa Beban (Poros Motor Tidak

dihubungkan dengan Poros Generator) V0

(Volt) I0

(Amp) P0

(Watt) n

(rpm) 380 1 150 1490

Tabel 10. Tabel Data Pengujian Rotor Ditahan

V BR (Volt)

IBR (Amper)

PBR (Watt)

175 2,98 425 180 3 500

Ambrosius AT , Pengaruh Modifikasi Belitan, Hal 33-46

45

Tabel 11. Tabel Data Hasil Pengujian DC & Pengujian DC Belitan Jangkar

No Pengujian dc Belitan jangkar Idc (A) Vdc (A) I dc (A) V dc (V)

1 4,4 0,5 1,9 1,2 2 9 1 2 1,2 3 13,5 1,5 2,4 1,2 4 - - 2,5 1,2 5 - - 2,75 1,2

Sedangkan pengujian berbeban, dilakukan dengan menggunakan beban generator DC penguatan medan: 36 Volt dan arus penguatan, If = 2 Amper, seperti ditunjukkan dalam Tabel 12.

Tabel 12. Data Hasil Pengujian Berbeban

No V (volt)

I (amp)

Pin (watt)

Cos

n (rpm)

Generator DC Va

(volt) Ia

(amp) 1 380 1,25 450 0,55 1450 54,2 0,87 2 380 1,3 500 0,58 1450 53 2 3 380 1,4 575 0,62 1440 51,6 3,5 4 380 1,6 750 0,72 1430 51,2 6 5 380 2 1000 0,76 1390 48,2 10 6 380 2,62 1375 0,79 1330 44,2 15 7 380 3 1600 0,81 1290 41,6 18 4.3.2 Penentuan Parameter Motor Induksi 3 Fasa Hasil

Modifikasi.

Dari hasil pengujian dan perhitungan maka diperoleh parameter motor induksi 3 fasa hasil modifikasi seperti dibawah ini: R1 = 9 Ohm/fasa ; RX1 = 14,64 ohm / fasa X12 = 14,64 Ohm / fasa Xm = 215,5 Ohm / fasa

Jurnal ELTEK, Vol 10 No 02, Oktober 2012 ISSN 1693-4024

46

5. PENUTUP Dari hasil modifikasi belitan stator motor induksi 1 fasa

menjadi motor induksi 3 fasa, dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut: 1) Setelah memodifikasi belitan stator dengan jumlah kutub

yang sama, daya keluaran motor mengalami peningkatan yaitu dari 746 watt menjadi 1018,52 watt atau (36.53% dari daya keluaran motor 1 fasa).

2) Dari pengujian motor induksi 3 fasa hasil rancangan diketahui bahwa motor dapat bekerja normal sesuai arus nominal dan bila diberi beban lebih, akan terjadi kenaikan suhu atau pemanasan lebih yang dapat merusak isolasi motor.

6. DAFTAR PUSTAKA Chapman Stephen J, 1985. Electric machinery Fundamentals. Mc

Graw hill. Fitzegerald A. E. et al, 1990. Mesin-Mesin Listrik. Edisi ke

empat, Jakarta, Erlangga. Sawhney A. K. Electrical Machine Design. New Delhi : Dhanfat

Rai & Sons. Santoso Hari, 2001. Dasar Perancangan Mesin Elektrik. Malang :

Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

Soemarwanto, Purnomo Hary, 2000. Mesin Elektrik I. Malang : Jurusan Teknik Elektro. Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.

Zuhal, 1993. Dasar Teknik Tenaga Listik dan Elektronika Daya. Jakarta : PT. Gramedia Pustaka Utama.

Proceeding EECCIS, 2010.Teknik Elektro Universitas Brawijaya Malang.