Motor-motor Listrik Sebagai Penghasil Gerak Mekanik

MOTOR- MOTOR LISTRIK SEBAGAI PENGHASIL

GERAK MEKANIK

  A.      Umum

      Motor- motor listrik adalah peralatan yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik melalui medan magnet. Medan magnet berperan sangat penting dalam rangkaian-rangkaian proses energi. Melalui medium medan magnet, bentuk energi listrik dapat diubah menjadi energi mekanik  Energi yang dirubah dari suatu sistem ke sistem lain sementara tersimpan pada medium medan magnet untuk kemudian dilepaskan menjadi energi sistem lain, dalam hal ini dinamakan energi mekanik. 

                                                                                                                                  

       Dengan demikian medan magnet selain berfungsi sebagai tempat penyimpan energi, juga sebagai medium untuk mengkopel perubahan energi. Atau dalam pandangan elektris medan magnet berfungsi untuk mengimbaskan tegangan pada konduktor, sedangkan dalam sudut pandang mekanik, medan magnet sanggup untuk menghasilkan gaya dan kopel.

       Perubahan energi listrik menjadi energi mekanik ini merupakan keluaran yang berbentuk energi putar yang alat konversinya disebut sebagai motor listrik. Begitu pentingnya proses konversi tersebut, maka terlebih dahulu kami akan menguraikan teori- teori dasar yang berkaitan dengan proses konversi energi sebagai berikut :

- Hukum Biot Savart

                        Hukum Biot savart menyatakan bahwa pada suatu titik, besar intensitas medan  magnet yang ditimbulkan oleh unsur deffrensial berbanding lurus dengan perkalian antara jarak kuadrat dengan tetapamn pembanding . Dimana jarak antara unsur diferensial dengan erensial dengan titik tersebut dan tetapan pembanding adalah 4π. Hukum Biot – savart dapat ditulis dengan memakai notasi vektor :

     Dimana  :

           dH    =  besar intensitas medan magnet (A/m)

           I       =  besar arus yang mengalir

           dL    =  unsur differensial  suatu titik

            r      =  jarak antara unsur differensial dengan suatu titik (m)

      Maka intensitas medan magnetik pada titik 2 adalah :

Dimana :

      dH_2­    =  intensitas medan magnet pada titik 2 (A/m)

      I₁        =    besar arus yang mengalir pada titik 1 (A)

      dL₁    =  panjang vektor differensial pada titik 1 (m)

      r₁₂      =  jarak  unsur  differensial   pada  tititk  1  dengan  suatu  titik P  pada  titik  2 (m)

- Hukum Kaidah Tangan Kanan

                 Bila arus listrik mengalir pada suatu penghantar, maka disekitar penghantar akan timbul medan magnet . karena arus listrik merupakan perpindahan motor listrik maka dapat dikatakan bahwa perpindahan motor listrik motor listrik  akan menimbulkan medan magnet disekitarnya. Arah dari garis- garis medan magnet yang timbul dapat ditentukan dengan kaidah tangan kanan. Dimana hukum kaidah tangan kanan menyatakan “arah ibu jari menunjukkan arus listrik dan arah lipatan tangan lainnya menunjukkan arah putaran garis – garis medan magnetnya.”

- Hukum Gaya Lorentz

              Sebuah penghantar yang dilalui arus listrik atau muatan listrik yang bergerak yang berada dalam medan magnet kemudian akan mendapatkan suatu gaya karena pengaruh medan tersebut yangb disebut gaya Lorentz. Besarnya gaya Lorentz yang dialami oleh penghantar adalah :

                                                F =  B .  I  .  L  sin θ   (N)

      Dimana  :

         F          =    Gaya Lorentz  (N)

         B          =    Kerapatan magnet  (Wb/m)

         I            =    Kuat arus listrik  (A)

         L          =    Panjang penghantar  (m)

         Sin q  =    Sudut antara penghantar dengan kerapan magnet

  - Hukum Kaidah Tangan Kiri

     Bila sebuah kawat dialiri arus diletakkan antara kutup magnet U-S, maka pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang akan menggerakkan kawat tersebut . Arah gerak kawat itu dapat ditentukan dengan kaidah tangan kiri yang berbunyi

“Apabila tangan kiri terbuka maka diletakkan antara kutub U dan S sehingga gaya garis gaya yang keluar dari titik menembus telapak tangan kiri dan arus di dalam kawat mengalir searah dengan keempat jari, maka kawat itu akan mendapat gaya yang arahnya sesuai dengan ibu jari “.

- Hukum Induksi Faraday

            Hukum induksi Faraday menyatakan bahwa apabila jumlah garis gaya yang melalui kumparan berubah-ubah, maka GGL akan diinduksikan dalam kumparan itu . Besarnya GGL yang diinduksikan berbanding lurus dengan laju perubahan jumlah garis-garis yang melewati kumparan .

  

- Hukum Lenz

            Lenz berpendapat bahwa “GGL yang timbul akibat perubahan garis- garis gaya akan menyebabkan arus listrik mengalir dalam rangkaian tertutup dengan arah sedemikian rupa sehingga pengaruh magnetnya akan melawan perubahan yang menghasilkannya.”

  B.      Prinsip Kerja Motor Induksi

Ada beberapa prinsip kerja motor induksi yaitu :

1.    apabila sumber tegangan dihubungkan pada kumparan stator akan timbul medan putar dengan kecepatan n_s = 120 f / p

2.    Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor.

3.    Akibatnya pada batang penghantar pada rotor timbul tegangan induksi (ggl) sebesar :

E₂s = 4,44 f₂ N₂ θ  ( untuk satu fasa)

E₂  = tegangan induksi pada batang penghantar rotor .

4.    Karena kumparan rotor merupakan rangkaian tertutup, maka ggl akan menghasilkan arus.

5.    Adanya arus (I) di dalam medan magnet menimbulkan gaya (F) pada rotor

6.    Bila kopel mula yang dihasilkan oleh gaya pada rotor cukup besar untuk memikul beban kopel, maka rotor akan berputar searah dengan medan putar stator.

7.    Seperti telah dijelaskan pada (3) tegangan induksi timbul karena terpotongnya batang konduktor (rotor) oleh medan putar stator. Artinya agar tegangan terinduksi diperlukan adanya perbedan relatif antara kecepatan medan putar stator dengan kecepatan berputar rotor.

8.    Perbedaan kecepatan antara nr dan ns .disebut slip(s)dinytakan dengan :

S= (n_s – n_r) / n_s. 100%

  C.      Motor Induksi Satu Phase

      Motor Induksi satu phase dengan kekuatan kurang dari 1 HP dewasa ini banyak  digunakan di rumah tangga, kantor, pabrik, bengkel maupun perusahaan- perusahaan.

     Pada motor induksi 3 phasa dapat dilihat, bahwa fluks magnet yang terbentuk disekitar stator merupakan medan magnet yang berputar. Akan tetapi lain halnya dengan medan magnet yang terbentuk pada kumparan stator motor induksi satu phase, dimana fluks magnet hanya bergantian arah saja, sehingga menyukarkan bagi motor sewaktu mula-mula dijalankan (di start). Untuk memperbesar daya bagi perputaran motor sewaktu start, maka untuk itu diperlukan bantuan, yang pada prinsipnya dengan jalan membentuk medan magnet baru yang berbeda arah dengan medan magnet utama. Dalam hal ini harus terdapat aliran listrik baru yang tidak sephase dengan aliran listrik yang mengalir di kumparan utama (main winding), yang berarti harus ada kumparan terpisah(bantu) dari kumparan utama. Oleh karena itu sebenarnya motor split phase menggunakan listrik satu phase, tetapi dalam kumparan stator terdapat arus listrik dua phase yang mengalir pada kumparan utama dan kumparan bantu. (auxilary winding). Untuk membentuk adanya dua buah aliran listrik berbeda phase, digunakan sistem penggeser phase, sehingga listrik satu phase yang masuk berubah menjadi dua phase . Umumnya dengan memasang seri pada kumparan bantu sebuah rangkaian kumparan (induktor) maupun kapasitor.

  -   Rotor Motor Induksi  satu Phase   

            Jenis rotor yang banyak digunakan untuk motor induksi yaitu rotor sangkar. Pada prinsipnya rotor sangkar tersusun dari batang-batang konduktor yang kedua ujungnya disatukan oleh cincin yang dibuat dari bahan konduktor pula sehingga bentuknya seperti sangkar. 

      Pada gambar diatas sumbu tidak digambarkan, demikian juga badan rotor digambarkan terpisah. Badan rotor terdiri dari plat yang berlapis –lapis. Dari luar motor sangkar terlihat hanya seperti silinder yang pejal. Untuk pendingin dari motor pada bagian tepi dari rotor dilengkapi dengan daun- daun kipas sehingga bila rotor terputar aliran udara akan membantu mendinginkan motor. Susunan dari batang-batang konduktor ada yang sejajar dengan sumbu (poros), kadang- kadang ada yang tidak sejajar dengan sumbu, ada miring (skew).

  -   Motor phase belah (Split Phase Motor)

            Motor phase belah mempunyai kumparan utama dan kumparan bantu yang letaknya bergeser 90^o listrik dan disambung paralel  

Keterangan

a.    Letak kumparan utama dan kumparan bantu pada stator

b.    Bagian hubungan kumparan utama dan kumparan bantu

c.    Diagram vektor

Keterangan  gambar :  

Iu             =    Arus pada kumparan utama (Amp)

Ib             =    Arus  pada kumparan sekunder  (Amp)

I               =    Arus pada  motor  (Amp)

V             =    Tegangan  pada motor  (Volt )

      Seperti yang terlihat pada gambar diatas, bahwa letak kumparan utama dan kumparan bantu bergeser 90⁰ listrik.

Selain itu, diusahakan agar arus pada kedua kumparan bergeser sebesar mungkin (teoritis 90⁰L) dengan demikian seolah- olah sepserti dua phase. Dua arus dalam kumparan inilah yang akan menimbulkan medan magnet berputar dan menyebabkan motort berputar sendiri (self starting). 

      Pada motor phase belah, kumparan utama mempunyai tahanan murni rendah dan  reaktansi tinggi. Sebaliknya kumparan bantu mempunyai tahanan tahanan murni tinggidan reaktansinya rendah. Tahanan murni kumparan bantu dapat dipertinggi dengan menambah R yang disambung seri dengannya atau menggunakan kumparan dengan kawat yang diameternya sangat kecil. Untuk memutuskan arus pada kumparan bantu dilengkapi dengan saklar pemutus S yang dihubungkan seri terhadap kumparan bantu. Alat ini akan secara otomatis memutuskan kumparan bantu  setelah motor mencapai 75% dari kecepatan penuh. Pada motor phase belah yang dilengkapi saklar pemutus kumparan bantu, biasanya yang dipakai saklar centrifugal.

  D.      Motor kapasitor

1.    Motor Starting Kapasitor

Pada motor kapasitor pergeseran phase antara Iu dan Ib didapatkan dengan memasang  sebuah kapasitor yang dipasang seri terhadap kumparan bantunya.

Gbr.2. Bagan rangkaian motor kapasitor dan diagram vektor Iu dan Ib.

Keterangan  gambar :   Iu  =  Arus pada kumparan utama (Amp)

                                      Ib =  Arus  pada kumparan sekunder  (Amp)

                                      I   =  Arus pada  motor  (Amp)

                                      V  =  tegangan  pada motor  (Volt )

Kondensator yang dipakai umumnya kondensator elektrolit. Pemasangannya diletakkan pada motor sebagai bagian yang dapat dipisahkan. Kondensator start direncanakan khusus untuk waktu singkat  ± dan tiap jam hanya 20 kali pemakaian (star capasitor motor). Pada start capasitor motor, bila putaran motor mencapai ± 75% dari kecepatan penuh, saklar otomatis S terbuka dan memutuskan arus kumparan bantu dan kondensator dari sumbernya, sehingga hanya kumparan utama yang dialiri arus.

Pada gambar.2 terlihat, bahwa Iu terbelakang/ ketinggalan terhadap sumbu V, sedangkan Ib mendahului terhadap tegangan sumber V. Pergeseran phase antara Iu dan Ib sekitar 80⁰. Pada motor phase belah pergeseran phase antara V dan I 30⁰. Motor kapasitor banyak digunakan pada motor kipas angin, kompresor pada kulkas, motor pompa air, dan sebagainya.

 

 2.    Motor Starting dan Running Kapasitor  (Permanent Capasitor Motor)

                        Pada dasarnya motor ini sama dengan capasitor start motor, hanya di sini kumparan bantu dan kapasitor selalu dihubungkan  dengan jala- jala (tanpa saklar otomatis).

Keuntungan motor ini adalah:

       1.    Mempertinggi kemampuan motor dari beban lebih

       2.    Mempertinggi cos Φ (faktor daya)

       3.    Mempertinggi rendamen (ŋ )

       4.    Putaran motor halus.

        Motor induksi starting dan running kapasitor terdiri dari dua jenis berdasarkan jumlah kapasitor yang digunakan :

 1.      Kapasitor yang digunakan pada rangkaian motor hanya Satu

 2.    Kapasitor yang digunakan pada rangkaian motor dua, dimana waktu start kapasitor   yang digunakan yang kapasitasnya tinggi sedangkan pada waktu jalan yang digunakan adalah yang kapasitasnya rendah.

             Kemudian dalam merencanakan suatu motor induksi, ada beberapa yang harus diperhatikan dalam perencanaan suatu motor induksi yaitu faktor teknis dan faktor ekonomis, oleh sebab itu di dalam perencanaan konstruksi motor ini diupayakan mempunyai biaya produksi, biaya operasional dan biaya pemeliharaan seminimal mungkin tanpa mengabaikan aspek teknisnya. 

        Dalam pandangan teknis, aspek penampilan konstruksi harus mendapatkan perhatian secara menyeluruh, terutama menyangkut kejenuhan magnet, fluks bocor dan rugi-rugi, karena hal tersebut sangat mempengaruhi karakteristik serta efektivitas dan efisiensi dari motor yang akan direncanakan. Kita harus senantiasa mengacu pada standarisasi yang telah dikeluarkan oleh International Elektro Technical Commision (IEC) terhadap pembebanan spesifik, yaitu:

         1. Pembebanan magent spesifik (B_av) dari motor induksi adalah 0,4 – 0,5 Wb/m².  

         2. Kerapatan fluks pada gigi stator adalah 1,3 – 1,7 Wb/m².  

         3. Kerapatan arus pada penghantar (d_s) adalah 3 – 8 A/mm². 

         4. Pembebanan listrik spesifik (a_c) adalah 100 – 450 A.llt/cm. 

         5. Konstanta belitan terdistribusi (K_w) adalah 0,95.

           Perencanaan motor induksi 1 phasa 2 kutub terdiri dari: 
               1. Perencanaan ukuran utama. 
               2. Perencanaan stator. 
               3. Perencanaan belitan stator.
               4. Perencanaan rotor.