Motor Listrik (Electric motor)

MOTOR LISTRIK

 PENDAHULUAN

Sebelum masuk pada penjelasan mengenai motor sinkron dan generator AC, ada baiknya kita mengetahui dan mengenal dasar pengertian motor itu sendiri agar dapat memahami konsep cara kerja motor.

Dalam ilmu fisika (physical science), teknologi rekayasa kelistrikan (electrical engineering technology), dan teknologi rekayasa permesinan (automotive engineering technology), yang dinamakan mesin listrik (electrical machines) dibedakan atas 3 kelompok besar, yaitu:

·         Motor listrik atau generator mesin, disebut motor (pemuntir).

·         Generator listrik atau motor mesin, disebut generator (pembangkit).

·        
Transformator listrik atau transformer listrik, disingkat trafo (pengalih, pemindah).

Kategori Motor Listrik

Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll di industri dan digunakan juga pada peralatan listrik rumah tangga (seperti: mixer, bor listrik, kipas angin). Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri, sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.  

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum adalah sama, yaitu

• Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.
• Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. 
• Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.
• Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan. 

Motor listrik sudah menjadi kebutuhan kita sehari-hari untuk menggerakkan peralatan dan mesin yang membantu perkerjaan. Untuk memutar baling-baling pada kipas angin, digunakan motor listrik. Demikian juga, motor listrik digunakan pada peralatan rumah tangga lainnya seperti: hair dryer, blender, pompa air, mesin cuci, mesin jahit, bor listrik dll. Mesin-mesin pertanian terutama mesin pengolahan hasil pertanian dan mesin-mesin di industri pun banyak yang menggunakan tenaga putarnya dari motor listrik.

Pada motor bakar, motor listrik digunakan sebagai motor starter. Pada traktor pertanian, motor listrik dugunakan pada motor starter dan wiper.  Penggunaan motor listrik ini semakin berkembang karena memiliki keunggulan dibandingkan motor bakar, misalnya:

a) kebisingan dan getaran lebih rendah,

b) kecepatan putaran motor bisa diatur,

c) lebih bersih,

d) lebih kompak, dan

e) hemat dalam pemeliharaan.

JENIS MOTOR LISTRIK

Dibawah ini adalah bagan mengenai macam – macam motor listrik berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi yang terangkum dalam klasifikasi motor listrik.

Motor Arus Bolak – Balik (AC)

Motor AC / arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor". Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya.

 Gambar Motor Listrik

TEORI DASAR MOTOR SINKRON

1.    PRINSIP KERJA MOTOR SINKRON

      Kontruksi dari motor sinkron sama dengan kontruksi generator sinkron. Adapun cara kerja motor sinkron dapat diuraikan sebagai berikut :

           Bila kumparan stator atau armatur mendapatkan tegangan sumber bolak-balik (AC) 3 phasa, maka pada kumparan stator timbul fluks magnet putar. Fluks magnet putar ini setiap saat akan memotong kumparan stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul GGL armatur (E_am). Fluks putar yang dihasilkan oleh arus bolak-balik tidak seluruhnya tercakup oleh kumparan stator. Dengan perkataan lain, pada kumparan stator timbul fluks bocor dan dinyatakan dengan hambatan armatur (R_am) dan reaktansi armatur (X_am).

           Kumparan rotor terletak antara kutub-kutub magnit KU dan KS yang juga mempunyai fluks magnet. Kedua fluks magnet tersebut akan saling berinteraksi dan mengakibatkan rotor berputar dengan kecepatan putar rotor sinkron dengan kecepatan putar stator.

Pada motor DC, GGL armatur besarnya tergantung pada kecepatan putar rotor, sedangkan pada motor AC, GGL armatur besarnya tergantung pada faktor daya (PF) beban yang berupa kumparan stator.

      Pada motor DC, GGL armatur besarnya tergantung pada kecepatan putar rotor, sedangkan pada motor AC, GGL armatur besarnya tergantung pada faktor daya (PF) beban yang berupa kumparan stator.

       Untuk memperbesar kopel putar rotor (kecepatan putar rotor), kutub-kutub magnet yang terletak pada bagian rotor dililiti kumparan dan kumparan tersebut dialiri arus listrik DC dan arus ini disebut penguat (L_f).

         Dari kumparan rotor yang ikut berputar dengan kumparan stator (kecepatan sinkron) akan timbul fluks putar rotor yang bersifat reaktif terhadap fluks putar stator. Ini disebut reaktans pemagnet (X_M). Reaktans pemagnet bersama-sama dengan reaktans armatur (_Xam) disebut reaktans motor sinkron (X_sm). Dengan demikian rangkaian listrik dari motor sinkron adalah seperti tertera pada gambar berikut

Gambar 1. Rangkaian Listrik Motor Sinkron

Keterangan:

-       R_am            =          Hambatan armatur

-       X_sm            =          Reaktans sinkron

-       E_am            =          GGL armatur

-       I_L                =          Arus jala-jala

-       I_am             =          Arus armatur

-       V_t               =          Tegangan sumber bolak-balik

-       I_f                 =          Arus penguat medan

-       R_f               =          Kumparan penguat medan

Dari gambar di atas berlaku persaman:

Proses terjadinya perputaran rotor karena kumparan stator mendapat sumber arus AC 3 phasa, maka pada kumparan stator timbul fluks putar yang mempunyai kutub utara stator (N_s) dan kutub selatan (S_s). Andaikan saat awal fluks berputar searah jarum jam dengan kedudukan kutub utara stator pada titik A dan kutub selatan stator pada titik B, sedangkan kedudukan kutub-kutub magnet rotor yaitu kutub utara magnet pada titik A dan kutub selatan magnet pada titik B (perhatikan gambar a), maka kedua kutub magnet tersebut akan tolak-menolak. Kedudukan kutub-kutub fluks putar pada setengah periode berikutnya (gambar b), kutub selatan fluks putar stator pada titik A sedangkan kutub utara fliks putar pada titik B. Hal ini berlawanan dengan kedudukan kutub-kutub magnet rotor, yaitu kutub utara rotor pada titik A sedangkan kutub selatan rotor pada titik B. Hal ini membuat magnet rotor akan tertarik oleh arah fluks putar stator karena saling berlawanan tanda.

Gambar 2. Proses Terjadinya Perputaran Motor

Pada setengah periode berikutnya (ganbar c), kutub utara stator pada titik A sedangkan kutub selatan stator pada titik B, demikian juga kutub utara rotor pada titik A dan kutub selatan rotor pada titik B. Sehingga pada periode berikutnya, rotor akan berputar sinkron dengan arah perputaran fluks stator.

1.    EKSITASI PADA MOTOR SINKRON

Pada motor sinkron, sifat GGL armatur (stator) yang timbul akibat adanya fluks rotor adalah menentang tegangan sumber V_t. Besar GGL armatur hanya tergantung pada arus eksitasi rotor (tidak seperti pada motor DC yang tergantung pada kecepatan). Dengan adanya GGL armatur (E_a) dan tegangan sumber (V), maka pada armatur timbul tegangan armatur resultan (E_R) yang besarnya merupakan jumlah vektor V dan E_a.

Gambar 3. Motor tanpa beban

Pada gambar di atas menunjukkan motor berputar tanpa beban dan tanpa adanya rugi-rugi. Dari gambar tersebut terlihat bahwa arah vektor E_a berlawanan dengan arah vektor V dan sama besar atau ditulis V = -E_a. Hasil penjumlahan dari kedua vektor tegangan tersebut adalah E_R = 0. dalam keadaan ini, motor bekerja mengambang.

Gambar 2.4. Motor tanpa beban dengan rugi-rugi

Bila motor tanpa beban tetapi mempunyai rugi-rugi, maka E_a akan bergeser dengan sudut yang kecil sebesar d terhadap V karena adanya rugi-rugi I_a.R_a dan I_a.X_sm (besar E_a tidak berubah karena eksitasi konstan).

Gambar 2.5. Motor berbeban

Apabila moor terbebani, sudut d akan naik menjadi d₁, sedangkan E_R juga akan naik menjadi E_R1 (E_a besarnya tetap karena eksitasi konstan).

1.1.        Efek Eksitasi Konstan

a. Eksitasi Normal

Pada kondisi eksitasi normal, motor akan bekerja pada beban lagging. Karena adanya rugi-rugi pada R_am dan X_sm, maka besar E_a = V.

b. Eksitasi Kurang (under exitation)

Arus eksitasi (I_f) yang dibutuhkan oleh motor kurang besarnya terhadap motor yang bekerja pada eksitasi normal. Dalam hal ini, beban motor bersifat induktip. Akibatnya motor bekerja pada faktor dya tertinggal (lagging power factor) atau I_a tertinggal terhadap V. Dalam keadaan ini E_a <>

c. Eksitasi Lebih (over exitation)

Jika Arus eksitasi (I_f) berlebihan besarnya terhadap motor, maka kumparan stator akan menarik arus pemagnet dari sumber listrik. Dalam hal ini, beban motor bersifat kapasitip dan akibatnya motor bekerja pada faktor daya mendahului (leading power factor). Dalam keadaan ini, E_a > V dan disebut motor bekerja pada eksitasi lebih.

d. Unity

Untuk E_a > V dan I_a sephasa dengan V, dalam keadaan ini motor mempunyai beban sama dengan satu (unity).

1.1.        Efek Eksitasi Pada Beban Konstan

1. Penurunan eksitasi

Gambar 2.6. Penurunan eksitasi

Bila penurunan eksitasi terjadi, maka E_a akan turun menjadi E_a1 pada sudut beban sama dengan a₁. Tegangan resultan E_R1 menyebabkan arus I_a1 lagging walaupun magnitude I_a1 > I_a.

Adapun daya yang dibutuhkan untuk memikul beban sebesar V.I_a. Dalam hal ini, daya motor untuk memikul beban konstan masih kurang karena komponen I_a1 cos q₁ <>a sehingga V.I_a1 cos q₁ <>a. Akibatnya memerlukan kenaikan sudut beban a₁ ke a₂. Hal ini menyebabkan kenaikan E_a1 menjadi E_a2 dan kenaikan E_R1 menjadi E_R2. Konsekuensinya I_a1 naik menjadi I_a2 sehingga didapat I_a2 cos q₂ = I_a. Dengan demikian telah dicapai daya armatur yang sama pada motor beban konstan.

b. Kenaikan eksitasi 

Gambar 2.7. Kenaikan eksitasi

Efek dari kenaikan eksitasi, E_a naik menjadi E_a1 pada a = a₁. tegangan resultan E_R1 yang timbulmenyebabkan Ia1 mendahului terhadap V_t yang I_a1 > I_a. Karena itu memerlukan penurunan a₁ ke a₂ dan diikuti oleh penurunan E_a1 ke E_a2 dan akhirnya diikuti juga dengan penurunan E_R1 ke E_R2.

Konsekuensinya, I_a1 turun menjadi I_a2 sampai dengan komponen I_a2 cos q₂ = I_a, sehingga daya cukup untuk memikul beban. Jadi pada beban konstan, variasi eksitasi hanya pada sudut beban.