Motor AC

Motor AC : prinsip dasar

Posted by Billal Maydika Aslam on May 2, 2013

 

Kawan, motor AC juga merupakan perlatan yang sering kita temukan di lapangan, khususnya lapangan geothermal. Bagaimana motor ini bekerja? Prinsip apa yang mendasarinya? baca terus artikel ini ya!

Seperti motor DC, prinsip penggerak motor AC adalah gaya Lorentz yang ditimbulkan akibat adanya arus pada kumparan yang menembus medan magnet. Perbedaan paling mendasar antara kedua jenis motor ini adalah sumber arus yang digunakan. Pada motor AC, sumber arus yang digunakan adalah arus bolak-balik (alternating current) yang memiliki frekuensi tertentu. Penggunaan arus DC pada motor AC tidak akan memutar motor karena medan magnet yang ditimbulkan arus DC bersifat konstan, bahkan penggunaan arus DC dalam motor AC dapat menimbulkan bahaya akibat timbulnya bunga api (spark) atau panas karena arus DC yang mengalir ke kumparan sangat besar.
Secara umum, skema dari motor AC dapat disajikan sebagai berikut
        




Berdasarkan jenis rotor yang digunakan , Motor AC diklasifikasikan menjadi :

1. Motor Non-Synchronous

Motor non synchronous disebut juga motor induksi. Hal ini dsiebabkan karena arus yang mengalir pada lilitan rotor bukan dihasilkan dari sumber arus tertentu melainkan dihasilkan dari induksi elektromagnetik lilitan stator. Medan magnet putar pada stator akan menembus tegak lurus penghantar-penghantar pada rotor, sehingga terinduksi arus dan sesuai dengan hukum lentz rotor akan ikut berputar mengikuti medan magnet putar stator.
Hal tersebut dilukiskan dalam skematik berikut :
Mekanisme induksi dan penghasilan torka pada motor
                 
Besar medan magnet yang terinduksi pada air gap (celah) dapat dihitung dengan persamaan

Dimana K konstanta yang bergantung dari geometri, i_a arus pada stator
Gambaran potongan motor AC induksi

Beda fasa antara tegangan pada rotor dapat dihasilkan dengan konfigurasi lilitan tertentu pada stator. Pada umumnya digunakan tegangan induksi tiga fasa karena motor induksi tiga fasa adalah motor listrik paling efisien sejauh ini dan dapat diterapkan untuk kebutuhan daya yang besar.
Untuk menghasilkan arus induksi tiga fasa, lilitan pada stator ditempatkan berjarak 120^o satu sama lain. Konfigurasi tersebut dapat digambarkan dalam skema berikut:

Sehingga dihasilkan induksi 3 fasa dengan besar arus masing-masing

 

            Kecepatan motor yang dihasilkan bergantung dari frekuensi tegangan dan jumlah kutub (pole) dari stator, kecepatan ini disebut kecepatan synchronous. Kecepatan synchronous dapat dihitung dengan persamaan

Dimana f frekuensi dari tegangan dan P jumlah pole pada stator.
Pada motor induksi terdapat perbedaan kecepatan rotasi relatif antara medan magnet putar stator dan rotor yang disebut slip. Bertambahnya beban akan memperbesar torsi beban motor, sehingga memperbesar arus induksi pada rotor dan slip antara medan magnet putar stator dan putaran rotor juga bertambah, akibatnya putaran rotor cenderung menurun.
Besar slip dihitung dengan persamaan :

Dimana w_s kecepatan putaran rotor dan w_m kecepatan putaran motor (rotor)
Profil Torka-Kecepatan dari motor , sebagaimana dideskripsikan diatas dapat digambarkan dalam grafik berikut

Dimana starting/stall torque adalah besar torka tanpa keadaan pembebanan, breakover torque adalah torka maksimal yang dapat dihasilkan motor.
Desain Motor AC Induksi

 Gambar klasifikasi motor induksi

                                    Contoh desain motor AC induksi tiga fasa yang paling umum dipakai adalah desain motor squirrel-cage (sangkar tupai). Pada motor jenis ini, rotor yang digunakan berbahan alumunium/tembaga yang terdiri dari beberapa batang disusun secara radial menyerupai kulit tabung dan dilas dengan cakram (shorting ring) alumunium/tembaga pada kedua ujungnya sehingga terlihat menyerupai sangkar. Skema desain motor tipe sangkar tupai dapat dilihat pada gambar berikut

Besar tegangan yang diinduksi rotor tipe squirrel cage dapat dihitung dengan persamaan

Dimana B adalah densitas fluks magnet, l panjang konduktor pada rotor dan u adalah kecepatan relatif rotor terhadap stator. Torka dihasilkan akibat perbedaan tegangan pada lilitan rotor karena adanya perbedaan densitas fluks magnet sepanjang rotor squirrel cage. Mekanisme penghasilan torka dapat dilihat pada gambar berikut

Jenis desain motor AC induksi yang juga sering digunakan adalah jenis wound-rotor (rotor belitan) motor. Pada motor ini lilitan pada rotor terhubung dengan cincin belah menuju rangkaian hambatan luar. Rangkaian hambatan luar terdiri dari beberapa resistor variabel sehingga memungkinkan pengaturan besar hambatan pada motor. Akibatnya arus yang lewat dapat diatur besarnya dan kecepatan putaran dari motor akan berubah. Skematik dan gambar dari wound-rotor motor disajikan dalam gambar berikut :
     
Pemilihan Motor Induksi
Dalam memilih jenis motor induksi yang akan digunakan di lapangan , hal-hal yang menjadi konsiderasi kita adalah :

• Efisiensi
• Torka awal (starting-torque)
• Torka maksimal (Pull-out torque)
• Faktor daya (power factor)
• Arus awal (starting current)

 2. Motor Synchronous

Synchronous Motor adalah motor AC tiga-fasa yang dijalankan pada kecepatan sinkron, tanpa slip. Motor Synchronous banyak dipakai untuk hampir semua peralatan pembangkitan listrik (generator) dan aplikasi yang membutuhkan ketelitian kecepatan putaran dan putran konstan. Motor Synchronous biasanya digunakan untuk kebutuhan daya yang lebih besar namun kecepatan lebih rendah dibanding motor induksi. Kecepatan putaran motor synchronous tidak berubah terhadap beban kerja (asumsi sumber arus AC memiliki frekuensi konstan) melainkan pada kecepatan synchronous yang bernilai :

Dimana w adalah frekuensi dari sumber arus AC dan P adalah jumlah kutub dari stator.  Namun perlu diperhatikan bahwa kecepatan motor akan keluar dari nilai kecepatan sinkron jika beban yang ditanggung terlalu besar.
Desain rotor dari motor synchronous sama dengan stator motor induksi namun arus yang mengalir pada rotor motor synchronous adalah arus DC. Arus DC yang mengalir pada lilitan rotor ini berasal dari sumber arus luar yang terhubung dengan cincin belah (slip rings) yang terpasang pada shaft. Terdapat insulasi antara shaft dengan cincin belah.
Untuk menyuplai arus DC ke rotor, digunakan generator AC kecil yang disebut exciter yang dipasang pada shaft. Digunakan diode untuk menyearahkan arus AC menjadi DC. Penggunaan metode exciter mengurangi maintenance pada sikat dan cincin belah.
Motor sinkron memiliki kekurangan dalam melakukan start dengan sendirinya karena tidak memiliki torsi start awal. Oleh karena itu motor sinkron membutuhkan alat bantu dalam start awal untuk menjalankan motor
Skema penampang melintang dari motor synchronous disajikan berikut ini :
 

Profil Torka-Kecepatan Motor
Motor sinkron memiliki torka awal nol karena sudut awal antara torka dengan lengan gaya sama dengan nol.
 
Penyalaan Motor Sinkron        
           Sebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc yang terpasang pada shaft. Ketika motor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikan kepada belitan stator. Motor dc saat ini berfungsi sebagai generator dc dan memberikan eksitasi medan dc kepada rotor.Pada saat kondisi ini tercapai, beban mekanis dapat dipindahkan ke motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakan dengan menggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yang dipasang di hadapan kutub rotor. Motor kemudian dinyalakan seperti halnya motor induksi hingga mencapai –95% kecepatan sinkron, saat mana arus searah diberikan, dan motor mencapai sinkronisasi. Torque yang diperlukan untuk menarik motor hingga mencapai sinkronisasi disebut pull-in torque

Keuntungan dari Motor Sinkron
Biaya awal dari sebuah synchronous motor lebih besar dibandingkan motor
induksi AC biasa, karena ada biaya untuk kerusakan rotor dan sinkronisasi sirkuit.
Biaya ini biasanya karena faktor-faktor sebagai berikut:

• Pengaturan ketepatan kecepatan membuat synchronous motor sebagai pilihan ideal untuk proses industri tertentu dan sebagai penggerak utama generator.
• Synchronous motor memiliki kecepatan atau karakterisik torsi yang cocok untuk penggerak langsung dari mesin bertenaga kuda yang besar, beban RPM rendah seperti kompresor maju-mundur.
• Synchronous motor beroperasi pada faktor daya yang ditingkatkan, dengan demikian dapat meningkatkan faktor daya sistem secara keseluruhan dan menghilangkan atau mengurangi utilitas faktor daya. Peningkatan factor daya juga mengurangi dropnya tegangan sistem dan dropnya tegangan pada terminal motor.

Kelemahan Penggunaan Motor Sinkron

• Motor sinkron tidak dapat digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan perubahan kecepatan karena kecepatan motor sinkron relatif konstan
• Membutuhkan eksitasi yang berasal dari sumber arus luar agar dapat beroperasi
• Motor tidak dapat dinyalakan dari kondisi terbebani karena torsi awal motor nol
• Dapat berhenti tiba-tiba jika beban yang diterima motor terlampau besar.