19
2.6 2.7
2.8 kutub baru menempuh 180° mekanik, GGL induksi telah menempuh 360° listrik.
Apabila rotor telah menempuh satu putaran penuh 360° mekanik, GGL induksi telah menempuh dua siklus positif dan dua siklus negatif secara bergantian 720°
listrik sehingga dapat dikatakan bahwa derajat listrik sama dengan dua kali derajat mekanik pada mesin dua kutub.
Dengan cara yang sama pada mesin 6 kutub, derajat listrik sama dengan tiga kali derajat mekanik. Pada mesin 8 kutub, derajat listrik sama dengan empat kali derajat
mekanik. Jadi dapat dituliskan:
Dimana: θ
e
= Derajat listrik
° θ
m
= Derajat Mekanik ° ω
e
= Frekuensi sudut listrik rads ω
m
= Frekuensi sudut mekanik rads f
e
= Frekuensi listrik Hz f
m
= Frekuensi mekanik
Hz Tanpa memandang jumlah kutub, apabila dalam perputarannya, kumparan jangkar
telah dilalui sepasang kutub magnet rotor yang berlainan U-S ataupun S-U, maka GGL induksinya telah menempuh 180° listrik. Jadi, satu kutub pada kumparan
jangkar selalu berkisar 180° listrik tanpa memandang berapa jumlah kutub mesin tersebut.
2.6 Jenis-Jenis Kumparan dan Belitan Jangkar Pada Generator Sinkron
Kumparan coil adalah suatu konstruksi gulungan konduktor yang terdiri dari beberapa lilitan turn dan membentuk solenoida seperti pada gambar 2.14. Belitan
Universitas Sumatera Utara
20
winding adalah merupakan gabungan dari beberapa kumparan yang terhubung seri sehingga terdiri dari beberapa solenoida seperti pada gambar 2.15. Tegangan yang
dihasilkan pada suatu belitan merupakan penjumlahan tegangan masing-masing kumparan yang membentuk belitan tersebut. Setiap belitan pada stator bertindak
sebagai sebuah kutub apabila mengalir arus listrik.
Berdasarkan kisar kumparannya, kumparan jangkar dibagi atas dua yaitu kumparan kisar penuh full pitch coil dan kumparan kisar pendek fractional pitch
coil. Berdasarkan distribusi belitannya, belitan jangkar dibagi atas dua yaitu belitan terkonsentrasi concentrated winding dan belitan terdistribusi distributed winding.
Berdasarkan jumlah slot per kutub, belitan jangkar dibagi atas dua yaitu belitan fractional slot winding dan belitan integral slot winding. Berdasarkan jumlah
lapisannya, belitan jangkar dibagi atas dua yaitu belitan satu lapis single layer winding dan belitan dua lapis double layer winding.
¾ Kumparan Kisar Penuh dan Kumparan Kisar Pendek Kisar kutub pole pitch suatu alternator adalah jarak sudut antar sumbu kutub
magnet rotor yang berdekatan. Pada pembahasan sebelumnya, kisar kutub dalam derajat listrik
τ
pe
selalu sama dengan 180° listrik. Pada mesin dua kutub gambar 2.16, satu kutub berkisar 180° mekanik. Pada mesin 4 kutub gambar
2.17, satu kutub berkisar 90° mekanik. Pada mesin 6 kutub gambar 2.18, satu Gambar
2.14 Kumparan yang Terdiri
Dari Beberapa Lilitan Gambar
2.15 Belitan yang Terdiri
3 Kumparan
Universitas Sumatera Utara
21
2.9 kutub berkisar 60° mekanik sehingga kisar kutub dalam derajat mekanik sama
dengan: °
Dimana: P
= Jumlah kutub τ
pm
= Kisar kutub dalam derajat mekanik
U
U S
S τ
p
τ
p
τ
p
τ
p
Kisar kumparan coil pitch adalah jarak sudut bentangan antara dua sisi kumparan. Pada gambar 2.19 di bawah ini, kumparan jangkar menempati slot 1
dan slot 6. Kisar kumparan ini sebesar 5 slot 6-1. Kisar kumparan ini juga dapat dihitung berdasarkan jumlah gigi stator diantara kedua sisi kumparan.
Gambar 2.16
Rotor 2 Kutub
Gambar 2.17
Rotor 4 Kutub
Gambar 2.18
Rotor 6 Kutub
Gambar 2.19 Kumparan Jangkar yang Menempati Slot 1 dan Slot 6
Universitas Sumatera Utara
22
Gambar 2.20 Kumparan Kisar Penuh
Gambar 2.21 Kumparan Kisar Pendek
Jika suatu kumparan mempunyai kisar kumparan τ
c
yang sama dengan kisar kutub
τ
p
, maka disebut kumparan kisar penuh. Jika suatu kumparan mempunyai kisar kumparan yang lebih kecil dari kisar kutub, maka disebut
kumparan kisar pendek. Kisar kumparan dan kisar kutub dapat dinyatakan dalam jumlah slot
τ
ps
dan τ
cs
, derajat listrik τ
pe
dan τ
ce
, dan derajat mekanik τ
pm
dan τ
cm
.
Pada gambar di atas terdapat gambar kumparan kisar penuh dan kumparan kisar pendek pada mesin sinkron 4 kutub dan jumlah slot 36.
Pada gambar 2.20, kisar kumparan sama dengan kisar kutub dimana kisar ini sebesar 9 slot, 180° listrik, dan 90° mekanik.
Pada gambar 2.21, kisar kumparan lebih kecil dari kisar kutub. Kisar kumparan ini sebesar 6 slot yang lebih kecil dari kisar kutub yang berjarak 9 slot. Derajat
listrik dan derajat mekanik dari kisar kumparan ini adalah: °
° °
°
Universitas Sumatera Utara
23
2.10 Dapat dilihat dari kisar kutub maupun kisar kumparan, derajat listrik dua kali
lebih besar dari derajat mekanik. Hal ini sejalan dengan persamaan 2.6. Kisar kumparan pada jenis kisar pendek selain dinyatakan dalam jumlah slot,
derajat listrik, dan derajat mekanik, dapat juga dinyatakan dalam perbandingan antara kisar kumparan dengan kisar kutub. Pada gambar 2.21, perbandingan ini
sebesar
6 slot
9 slot
2 3
. Pada kumparan kisar penuh dan kisar pendek, kisar kutub dalam slot dapat juga dihitung berdasarkan:
Dimana: τ
ps
= Kisar kutub dalam slot S
= Jumlah seluruh slot pada stator P
= Jumlah kutub Pada gambar 2.20 dan 2.21, jumlah slot pada stator sama dengan 36 dan jumlah
kutub sama dengan 4. Maka kisar kutub dalam slot adalah 64 = 9 slotkutub.
Kumparan kisar pendek memiliki keunggulan terhadap kumparan kisar penuh, diantaranya:
1. Lebih hemat dalam penggunaan konduktornya dan penggunaan isolasinya karena jarak bentangan kumparannya kisar kumparan lebih pendek.
2. Karena lebih sedikit dalam penggunaan konduktornya, maka resistansi kumparan juga lebih kecil.
3. Mengurangi fluks bocor. 4. Penempatan kumparan kisar pendek ke dalam slot lebih mudah dilakukan.
5. Meningkatkan kekuatan mekanis dari kumparan. 6. Dapat mengurangi harmonisa sehingga mempertinggi kualitas tegangan
keluaran generator. 7. Dengan berkurangnya kadar harmonisa yang berfrekuensi tinggi maka rugi-
rugi inti juga menjadi lebih kecil karena rugi-rugi ini sebanding dengan frekuensi.
Universitas Sumatera Utara
24
2.11
2.12
2.13 ¾ Belitan Terkonsentrasi dan Belitan Terdistribusi
Pada belitan terkonsentrasi, dalam satu belitan kutub hanya terdapat satu kumparan, sedangkan pada belitan terdistribusi terdapat beberapa kumparan
pada setiap belitannya. Pada belitan terdistribusi, beberapa kumparan dalam tiap belitan ini terhubung secara seri sehingga tegangan induksi pada masing-masing
kumparan akan saling menjumlahkan. Setiap kumparan dalam satu belitan ini ditempatkan pada slot yang bersebelahanberdekatan. Slot bersebelahan yang
ditempati setiap kumparan dalam satu belitan ini membentuk suatu kelompok yang disebut grup fasa phase groupphase beltphase spread. Setiap kumparan
yang bersebelahan dalam tiap belitan ini berjarak 1 slot. Satu slot ini bisa dinyatakan dalam derajat listrik maupun derajat mekanik. Karena kisar kutub
selalu bernilai 180° listrik dan kisar kutub dapat dinyatakan dalam jumlah slot, maka satu slot dapat juga dinyatakan dalam derajat listrik berdasarkan
persamaan: °
° °
° Satu slot dalam derajat mekanik dapat dihitung dari:
°
Besaran α
e
dan α
m
disebut juga kisar slot slot pitch. Hubungan antara kisar slot dalam derajat listrik dengan kisar slot dalam derajat mekanik sesuai dengan
persamaan 2.6 adalah:
Keunggulan belitan terdistribusi terhadap belitan terkonsentrasi adalah: 1. Karena konduktor jangkar terdistribusi sepanjang permukaan stator, maka
pendinginan lebih mudah dilakukan. 2. Lebih mudah dalam proses pembuatannya.
Universitas Sumatera Utara
25
3. Biaya yang diperlukan lebih sedikit. 4. Belitan terkonsentrasi membutuhkan ukuran slot yang lebih dalam sehingga
meningkatkan reluktansi, fluks bocor, dan reaktansi jangkar. 5. Belitan terkonsentrasi tidak memakai seluruh permukaan bagian dalam stator
secara efisien. 6. Perbandingan jumlah konduktorjumlah inti besi pada belitan terdistribusi
lebih tinggi. 7. Kekuatan mekanisnya lebih besar.
8. Mengurangi reaksi jangkar. 9. Dapat mengurangi harmonisa sehingga mempertinggi kualitas tegangan
keluaran generator. Pada gambar 2.22 dan 2.23 diberikan gambar belitan terkonsentrasi dan
belitan terdistribusi pada alternator 4 kutub dan 24 slot. Kisar slot dalam gambar kedua belitan ini adalah:
° °
° °
° °
Misalkan kumparan fasa R digambarkan dengan garis ungu, kumparan fasa S digambarkan dengan garis biru, dan kumparan fasa T digambarkan dengan garis
merah. Dengan demikian pada gambar 2.22 dan 2.23, kumparan fasa R menempati slot bernomor 1, 2, 7, 8, 13, 14, 19, 20. Kumparan fasa S menempati
slot bernomor 5, 6, 11, 12, 17, 18, 23, 24. Kumparan fasa T menempati slot bernomor 3, 4, 9, 10, 15, 16, 21, 22.
Pada gambar 2.23, slot 1, 2 dan slot 7, 8 merupakan grup fasa R dari sebuah kutub, begitu juga dengan slot 13, 14 dan slot 19, 20 merupakan grup fasa dari
sebuah kutub lainnya pada fasa R. Slot 5, 6 dan slot 11, 12 merupakan grup fasa S dari sebuah kutub, begitu juga dengan slot 17, 18 dan slot 23, 24 merupakan
grup fasa dari sebuah kutub lainnya pada fasa S. Slot 9, 10 dan slot 15, 16 merupakan grup fasa T dari sebuah kutub, begitu juga dengan slot 21, 22 dan
Universitas Sumatera Utara
26
2.14 slot 3, 4 merupakan grup fasa dari sebuah kutub lainnya pada fasa T. Maka
kumparan pada gambar 2.23 memiliki total 12 grup fasa.
Jumlah slotkutubfasa atau kumparankutubfasa ataupun kumparanbelitan pada belitan terdistribusi dapat ditentukan dari:
Dimana: q
= Jumlah slotkutubfasa atau kumparankutubfasa ataupun kumparanbelitan
S = Jumlah seluruh slot pada stator P = Jumlah kutub
Φ = Jumlah fasa
Sejumlah q kumparanbelitan ini ditempatkan pada q slot yang berdekatan membentuk grup fasa. Karena 1 slot membentang
α
e
derajat listrik, maka 1 grup fasa selalu membentang q
α
e
derajat listrik. Dengan menggunakan persamaan 2.11 dan 2.14, maka:
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16
17 18
19 20
21 22
23 24
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16
17 18
19 20
21 22
23 24
Gambar 2.22 Belitan Terkonsentrasi
Gambar 2.23 Belitan Terdistribusi
Dengan 2 Kumparanbelitan
Universitas Sumatera Utara
27
2.16 2.17
° °
Berdasarkan persamaan 2.15, pada mesin 3 fasa Φ = 3, 1 grup fasa selalu
membentang 60° listrik, sedangkan pada mesin 1 fasa Φ = 1, 1 grup fasa selalu
membentang 180° listrik. Karena 1 slot membentang
α
m
derajat mekanik, maka 1 grup fasa selalu membentang q
α
m
derajat mekanik, dimana: °
Derajat mekanik bentangan grup fasa pada gambar 2.23 dapat dihitung dengan persamaan 2.16, yaitu: membentang
°
= 30° mekanik atau dapat juga dihitung sesuai dengan persamaan 2.17, yaitu:
° °
mekanik. Pada gambar 2.22 dan 2.23, kutub pada fasa R berjarak 4 slot dengan kutub
pada fasa S yang berdekatan. Demikian juga dengan kutub pada fasa S berjarak 4 slot dengan kutub pada fasa T yang berdekatan Sehingga kutub pada fasa R
berjarak 8 slot dengan kutub pada fasa T yang berdekatan. Karena satu slot berkisar 30° listrik, maka 4 slot berkisar 120° listrik dan 8 slot berkisar 240°
listrik. Dengan demikian kumparan pada fasa R ditempatkan dengan perbedaan 120° listrik dari kumparan fasa S. Begitu juga dengan kumparan fasa S yang
ditempatkan dengan perbedaan 120° listrik dari kumparan fasa T sehingga kumparan fasa R berbeda 240° listrik dari kumparan fasa T. Ini berlaku untuk
semua konfigurasi kumparan jangkar mesin berputar 3 fasa. Belitan terdistribusi secara keseluruhan terbagi atas dua, yaitu: belitan gelung
lap winding dan belitan gelombang wave winding. Belitan terdistribusi pada mesin sinkron selalu menggunakan belitan gelung. Belitan terdistribusi pada
2.15
Universitas Sumatera Utara
28
mesin sinkron terbagi atas dua, yaitu: belitan konsentris sepusat dan belitan berantai.
• Belitan Konsentris Pada belitan konsentris sepusat, tiap-tiap kumparan dililitkan sedemikian
sehingga memiliki pusat kumparan yang berimpit ataupun sepusat seperti pada gambar 2.24 yang pusat kumparannya dinyatakan dengan titik A.
1 2
3
A
Belitan konsentris dilitkan sehingga berbentuk spiral. Setiap kumparan pada belitan konsentris memiliki kisar kumparan yang berbeda. Kumparan
terdalam memiliki kisar kumparan yang terkecil, sedangkan kumparan terluar memiliki kisar kumparan yang terbesar. Terkadang semua kumparan pada
belitan konsentris merupakan kumparan kisar pendek, terkadang juga kumparan terluar merupakan kumparan kisar penuh, sedangkan kumparan di
dalamnya merupakan kumparan kisar pendek. Kumparan terdalam terlebih dahulu dimasukkan ke dalam slot stator kemudian diikuti kumparan
berikutnya yang lebih luar dan seterusnya sampai dengan kumparan terluar dimana kumparan ini dimasukkan terakhir kalinya. Jumlah lilitan pada setiap
kumparan dalam belitan konsentris biasanya berbeda. Belitan konsentris digunakan pada sebagian besar belitan stator mesin berputar ac satu fasa dan
juga pada beberapa mesin berputar tiga fasa. Gambar
2.24 Belitan Konsentris Dengan 3 Kumparanbelitan
Universitas Sumatera Utara
29
Pada alternator 3 fasa, belitan konsentris biasanya digunakan sebagai belitan jangkar mesin berdaya kecil. Belitan jangkar alternator satu fasa selalu
merupakan belitan konsentris. Selain digunakan pada belitan jangkar alternator, belitan konsentris juga sering dipakai pada belitan medan rotor
silinder. Belitan konsentris biasanya disusun dalam bentuk belitan berlapis tunggal single layer winding.
• Belitan Berantai Pada belitan berantai, tiap-tiap kumparan dilitkan sedemikian sehingga
memiliki pusat kumparan yang bersebelahan. Setiap pusat kumparan berjarak satu slot. Belitan berantai dilitkan sehingga berbentuk rantai. Berbeda dengan
belitan konsentris, setiap kumparan memiliki kisar kumparan yang sama. Karena konduktor kumparan pada belitan berantai dapat dimasukkan satu per
satu, maka belitan berantai cocok digunakan pada slot setengah tertutup semiclosed slot.
Pada gambar 2.25 di bawah ini, titik A merupakan pusat kumparan 1, titik B merupakan pusat kumparan 2, titik C merupakan pusat kumparan 3. Karena
ketiga kumparan ini bersebelahan dengan jarak 1 slot, maka titik A dan titik B juga akan berjarak 1 slot begitu juga dengan titik B dan titik C.
Gambar 2.25 Belitan Berantai Dengan 3 Kumparanbelitan
Universitas Sumatera Utara
30
¾ Belitan Satu Lapis dan Belitan Dua Lapis Pada belitan satu lapis hanya terdapat satu sisi kumparan pada tiap slotnya,
sedangkan pada belitan dua lapis terdapat dua sisi kumparan yang berbeda pada tiap slot.
• Belitan Dua Lapis Pada Belitan dua lapis, satu sisi kumparan diletakkan pada setengah bagian
pada sisi atas slot, sedangkan sisi kumparan lainnya diletakkan pada setengah bagian pada sisi bawah slot seperti pada gambar di bawah ini:
Sisi atas slot adalah daerah yang dekat dengan celah udara. Konduktor penyusun kumparan jangkar ini harus dibentuk terlebih dahulu menjadi
kumparan sebelum diletakkan di dalam slot. Karena satu slot mengandung dua sisi kumparan yang berbeda, maka kedua sisi kumparan ini dalam satu
slot harus diisolasi dengan baik. Belitan dua lapis digunakan dalam mesin yang berdaya lebih besar. Pada
Belitan dua lapis ada 2 hal penting yang harus diperhatikan, yaitu: 1. Pada umumnya, jumlah slot pada stator merupakan kelipatan dari
perkalian antara jumlah fasa dengan jumlah kutub . Sebagai
contoh pada mesin 4 kutub, 3 fasa, bernilai 12 sehingga jumlah
slot yang mungkin digunakan adalah merupakan kelipatan dari 12, yakni: 12, 24, 36, 48, dan seterusnya.
Gambar 2.26 Belitan Dua Lapis
Universitas Sumatera Utara
31
2. Jumlah kumparan coil sama dengan jumlah slot. • Belitan Satu Lapis
Karena hanya ada satu sisi kumparan dalam satu slot seperti pada gambar di bawah ini, maka proses pemasangan, penyusunan kumparan di dalam slot
dan penyambungannya lebih mudah dan ekonomis serta tidak diperlukan isolasi antar sisi kumparan yang berlainan seperti pada kumparan berlapis
ganda. Belitan jenis ini digunakan untuk belitan jangkar alternator dengan daya sampai dengan 7,5 kW.
Berdasarkan jumlah belitanfasa coil group dengan jumlah kutub yang digunakan, belitan satu lapis dapat dibedakan menjadi half coil winding dan
whole coil winding. Pada half coil winding, jumlah belitanfasa sama dengan setengah dari jumlah kutub, sedangkan pada whole coil winding, jumlah
belitanfasa sama dengan jumlah kutub. Belitan half coil winding tidak dapat digunakan dalam mesin berkutub dua.
Whole Coil Winding Belitan Whole Coil Winding ditunjukkan pada gambar 2.28 di bawah
ini: Gambar
2.27 Belitan Satu Lapis
Universitas Sumatera Utara
32
Pada belitan ini, belitan pada tiap fasa selalu mencakup seluruh keliling permukaan stator. Arah arus listrik yang mengalir pada setiap belitan yang
berdekatan dibuat berlawanan arah sehingga menurut kaidah tangan kanan tentang penentuan arah medan magnet dari sebuah kumparan yang dialiri
arus, akan terbentuk polaritas kutub yang berlawanan pada setiap belitan yang berdekatan.
Gambar 2.28a Belitan Whole Coil Winding 4
Kutub Dengan Arus Mengalir dari A ke B
Gambar 2.28b Belitan Whole Coil Winding 4
Kutub Dengan Arus Mengalir dari B ke A
Universitas Sumatera Utara
33
Agar arah arus listrik berlawanan maka setiap sisi terminal belitan berdekatan yang dihubungkan haruslah sisi terminal belitan yang sama.
Pada gambar 2.28, terminal kiri belitan pertama ditandai dengan A. Terminal kanan belitan pertama dihubungkan dengan terminal kanan
belitan kedua. Terminal kiri belitan kedua dihubungkan dengan terminal kiri belitan ketiga. Terminal kanan belitan ketiga dihubungkan dengan
terminal kanan belitan keempat. Terminal kiri belitan keempat ditandai dengan B. Karena kumparan jangkar dialiri arus bolak-balik, maka pada
setengah periode pertama arus akan mengalir dari A ke B, sedangkan pada setengah periode berikutnya arus akan mengalir dari B ke A sehingga akan
terbentuk kutub yang polaritasnya berlawanan dengan pada saat arus mengalir dari A ke B.
Belitan Half Coil Winding Belitan Half Coil Winding ditunjukkan pada gambar 2.29. Pada belitan
ini, seluruh belitan pada tiap fasa hanya mencakup setengah keliling permukaan stator. Arah arus listrik yang mengalir pada setiap belitan yang
berdekatan dibuat searah sehingga menurut kaidah tangan kanan, akan terbentuk polaritas kutub yang sama pada semua belitan tiap fasa. Agar
arah arus listrik searah maka setiap sisi terminal belitan berdekatan yang dihubungkan haruslah sisi terminal belitan yang berbeda. Pada gambar
2.29, terminal kiri belitan pertama ditandai dengan A. Terminal kanan belitan pertama dihubungkan dengan terminal kiri belitan kedua. Terminal
kanan belitan kedua ditandai dengan B.
Universitas Sumatera Utara
34
Bagian dari stator yang tidak ditempati belitan, akan terbentuk kutub magnet yang berlawanan polaritas dengan kutub yang dibentuk belitan
tersebut. Hal ini dikarenakan semua belitan membentuk polaritas yang sama dan akan saling berinteraksi sehingga garis-garis gaya magnetnya
akan saling bertolak dan saling menjauhi sehingga akan terkumpul garis- garis gaya magnet pada bagian stator yang tidak ditempati belitan. Gambar
Gambar 2.29a Belitan Half Coil Winding 4
Kutub Dengan Arus Mengalir dari A ke B
Gambar 2.29b Belitan Half Coil Winding 4
Kutub Dengan Arus Mengalir dari B ke A
Universitas Sumatera Utara
35
2.28 dan 2.29 di atas hanya menunjukkan susunan kutub pada salah satu fasa untuk mempermudah penjelasan.
Pada gambar 2.30a, belitan membentuk kutub selatan sehingga garis- garis medan magnet akan bertolak dan akan terbentuk dua kutub utara
tambahan pada bagian stator yang tidak ditempati kumparan. Pada gambar 2.30b, belitan membentuk kutub utara sehingga garis-garis gaya magnet
akan bertolak dan akan terbentuk dua kutub selatan tambahan pada bagian stator yang tidak ditempati belitan. Pada gambar 2.30, terlihat bahwa total
fluks magnet yang dihasilkan oleh satu belitan akan terbagi dua. Masing- masing menuju ke bagian stator yang tidak ditempati belitan.
Karena belitan jangkar dialiri arus bolak-balik, maka pada setengah periode pertama arus akan mengalir dari A ke B, sedangkan pada setengah
periode berikutnya arus akan mengalir dari B ke A sehingga akan terbentuk kutub yang polaritasnya berlawanan dengan pada saat arus
mengalir dari A ke B. Arus bolak-balik yang mengalir pada semua belitan pada setiap fasa akan membentuk kutub-kutub yang selalu berganti
polaritasnya. Resultan medan magnet dari semua kutub pada ketiga fasa belitan akan membentuk medan putar.
Gambar 2.30a Belitan Half Coil
Winding Berkutub Selatan
Gambar 2.30b Belitan Half Coil
Winding Berkutub Utara
Universitas Sumatera Utara
36
Keunggulan Belitan dua lapis terhadap kumparan satu lapis adalah: 1. Memudahkan dalam proses pembuatan kumparannya dan biaya lebih
rendah. 2. Sambungan ujung kumparan yang lebih sederhana.
3. Memungkinkan dalam menggunakan kumparan kisar pendek dan kumparan fractional slot winding.
4. Reaktansi bocor yang lebih kecil. 5. Kualitas gelombang tegangan keluaran yang lebih baik.
¾ Belitan fractional slot winding dan Belitan integral slot winding Pada Belitan integral slot winding, perbandingan jumlah slot terhadap jumlah
kutub merupakan bilangan bulat. Pada Belitan fractional slot winding, perbandingan jumlah slot terhadap jumlah kutub merupakan bilangan pecahan.
Keunggulan Belitan fractional slot winding terhadap Belitan integral slot winding adalah:
1. Mengurangi harmonisa slot dan harmonisa akibat reaksi jangkar. 2. Mengurangi harmonisa frekuensi tinggi pada gelombang medan magnet
dan tegangan. 3. Jumlah slot dan kumparan yang digunakan lebih sedikit.
4. Memungkinkan pemilihan kisar kumparan yang lebih bervariasi. Walaupun jumlah slot per kutub pada Belitan fractional slot winding merupakan
bilangan pecahan, jumlah slot per fasa tetap merupakan bilangan bulat agar keseimbangan tegangan induksi tiap fasa bisa tercapai. Belitan jenis ini dapat
digunakan pada mesin satu fasa dan mesin tiga fasa, tetapi penggunaan yang lebih umum adalah pada tiga fasa.
Apabila S menyatakan jumlah slot pada stator dan P menyatakan jumlah
kutub maka pada mesin 3 fasa, jumlah slot per kutub per fasa sama dengan
⁄
.
Universitas Sumatera Utara
37
2.18 2.19
Jika k merupakan faktor persekutuan terbesar FPB antara nilai S3 dan P, maka
jumlah slot per kutub per fasa dapat ditulis: ⁄
. .
⁄ ;
Perbandingan S
k
P
k
ini disebut perbandingan karakteristik dari belitan fractional slot winding. S
k
menyatakan jumlah kumparanfasa yang terdistribusi diantara P
k
kutub berturut-turut. Apabila kita menelusuri permukaan stator dengan lengkap
sehingga membentuk satu putaran penuh, maka faktor k menyatakan jumlah
pengulangan pola susunan kumparan dalam slot yang dijumpai pada penelusuran
tersebut. Karena sejumlah k belitan ini memiliki susunan yang persis sama,
maka mereka dapat dihubungkan secara seri maupun paralel. Sesuai dengan itu,
faktor k juga merupakan jumlah rangkaian paralel yang mungkin diperoleh dari
suatu belitan fractional slot winding. Kekurangan pada Belitan fractional slot winding adalah:
1. Hanya efektif jika digunakan pada belitan dua lapis double layer windings, karena pemakaian belitan ini pada belitan satu lapis akan
membutuhkan biaya yang besar. 2. Jumlah rangkaian paralel pada belitan jangkar yang mungkin diperoleh
adalah terbatas. Pola susunan kumparan pada belitan fractional slot winding lebih rumit
daripada belitan integral slot winding. Pada belitan fractional slot winding, jumlah kumparan pada setiap belitan tidak selalu sama. Untuk mempermudah
dalam penentuan penyusunan kumparan pada belitan fractional slot winding, digunakan metode tabulasi. Sebagai contoh, berikut akan dibahas susunan
kumparan jangkar suatu alternator 3 fasa, 48 slot, dan 10 kutub dengan belitan dua lapis. Jumlah slot per fasa adalah: 48 3 =16. FPB antara jumlah slot per fasa
Universitas Sumatera Utara
38
16 dengan jumlah kutub 10 adalah 2 sehingga nilai k sama dengan 2. Selanjutnya,
Nilai perbandingan 85 ini menunjukkan bahwa terdapat 8 kumparanfasa yang tersebar di antara 5 kutub yang berurutan. Ini berarti bahwa ada 3 kutub belitan
pada stator yang terdiri dari 2 kumparan dan 2 kutub pada stator yang terdiri dari 1 kumparan pada setiap 5 kutub yang berurutan. Karena nilai k = 2, maka pola
penyusunan kumparan pada kelima kutub pertama diulangi lagi pada kelima kutub berikutnya sehingga jumlah kutub pada stator menjadi 10 dan jumlah
kumparan pada seluruh fasa menjadi . Namun belum jelas
apakah kutub pertama pada stator terdiri dari 2 kumparan ataupun 1 kumparan begitu juga pada kutub berikutnya. Jadi, penyebaran ke-8 kumparan ini diantara
5 kutub yang berurutan belum pasti. Untuk mengatasi kesulitan ini, digunakan sebuah tabel sederhana.
Pada tabel ini, jumlah baris dibuat sama dengan P
k
5, sedangkan jumlah kolom dibuat sama dengan jumlah 3S
k
24. Tandai dengan silang x mulai dari baris pertama kolom pertama kemudian tandai lagi pada setiap P
k
5 kolom berikutnya pada baris yang sama. Kutub kedua ditandai mulai dari baris kedua
kolom kedua dan ditandai lagi pada setiap 5 kolom berikutnya pada baris yang sama. Begitu juga kutub ketiga ditandai mulai dari baris ketiga kolom ketiga dan
seterusnya. Tabel selengkapnya diperlihatkan di bawah ini:
Kutub P
k
Fasa R Fasa T
Fasa S I
x x
x x
x II
x x
x x
x III
x x
x x
x
Universitas Sumatera Utara
39
IV x
x x
x x
V x
x x
x Dari tabel di atas terlihat bahwa pada fasa R, kutub pertama terdiri dari 2
kumparan ada dua tanda silang pada baris pertama fasa R, kutub kedua terdiri dari 2 kumparan ada dua tanda silang pada baris kedua fasa R, kutub ketiga
terdiri dari 2 kumparan, kutub keempat terdiri dari 1 kumparan, kutub kelima terdiri dari 1 kumparan sehingga ditulis dengan pola 22211. Demikian juga
dengan fasa S yang berpola 21122 dan fasa T yang berpola 12221. Sesuai dengan itu, pola susunan kumparan ini dapat ditabulasikan dalam bentuk tabel
sebagai berikut:
Kutub I II III
IV V Fasa R
2 2
2 1
1 Fasa T
2 1
1 2
2 Fasa S
1 2
2 2
1 Dengan nilai k sama dengan 2 yang berarti ada dua pola susunan kumparan yang
sama. Ini berarti susunan kumparan pada kutub I-V diulang lagi dari kutub VI-X yang jika ditabulasikan, akan menghasilkan:
Kutub VI VII VIII IX X
Fasa R 2
2 2
1 1
Fasa T 2
1 1
2 2
Fasa S 1
2 2
2 1
Pola susunan kumparan dalam slot dapat ditabulasikan sebagai berikut:
Universitas Sumatera Utara
40
Nomor Slot 1 2 3 4 5
6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Kumparan R R T T S R R T S
S R R T S S R T T S
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 S R T T S R R T T S R R T S S R R T S S
40 41 42 43 44 45 46 47 48 R T T S S R T T S
Susunan kumparan di atas hanya memperlihatkan sisi kumparan pada setengah bagian sisi atas slot saja top layer. Pola susunan pada setengah bagian sisi
bawah slot bottom layer sama dengan pada setengah bagian sisi atas yang telah digeser sejauh kisar kumparan coil pitch yang direncanakan.
Kisar kutub pada kumparan ini adalah: τ
ps
S P
48 1
4,8 Slot Sedangkan kisar slot dalam derajat listrik adalah:
° °
4,8 , °
Karena kisar kutub bukan merupakan bilangan bulat 4,8, maka penggunaan kumparan kisar penuh tidak bisa digunakan pada belitan fractional slot winding.
Jika digunakan kumparan kisar pendek, maka kisar kumparan dapat dipilih sebesar 3 slot ataupun 4 slot.
Seperti pada belitan lainnya, setiap fasa pada belitan fractional slot winding harus mempunyai perbedaan 120° listrik. Jika S
RS
adalah jarak dinyatakan dalam jumlah slot antara terminal fasa R dan S dan S
RT
adalah jarak antara terminal fasa R dan T, agar berbeda 120° listrik maka:
Universitas Sumatera Utara
41
2.20 2.21
2.22
2.23
2.24
2.25 Dimana:
α
e
= Kisar slot dalam derajat listrik x = Bilangan bulat 0, 1, 2, 3, 4, ...
Jika nilai x merupakan bilangan genap 0, 2, 4, ..., maka polaritas tegangan pada kutub pertama fasa R harus sama dengan polaritas tegangan pada kutub pertama
fasa S dan atau T. Jika nilai x merupakan bilangan ganjil 1, 3, 5, ..., maka polaritas tegangan pada kutub pertama fasa R harus berlawanan dengan polaritas
tegangan pada kutub pertama fasa S dan atau T. Adapun maksud dari kutub pertama adalah belitan kutub pertama pada stator yang salah satu sisi
kumparannya terhubung ke sumber tegangan secara langsung. Polaritas ini harus dipertimbangkan sewaktu melakukan sambungan antar fasa.
Jumlah slotkutubfasa pada persamaan 2.18 dapat dibuat menjadi:
Karena 180° sama dengan π radian, persamaan 2.11 dapat ditulis menjadi:
Substitusi persamaan 2.23 ke persamaan 2.22 maka akan menghasilkan:
Substitusi persamaan 2.24 ke persamaan 2.20 dan 2.21 maka akan menghasilkan:
Universitas Sumatera Utara
42
2.26 S
RS
dan S
RT
haruslah berupa bilangan bulat. P
k
tidak pernah sama dengan 3 atau kelipatannya. Karena jika P
k
sama dengan 3 atau kelipatannya, maka nilai S
RS
dan S
RT
tidak akan bulat. Pada contoh sebelumnya, S
k
= 8 dan P
k
= 5 sehingga:
Jika x = 1, maka S
RS
= 8 yang berarti letak terminal R harus berjarak 8 slot dari terminal S. Karena x = 1 merupakan bilangan ganjil, maka polaritas tegangan
kutub pertama fasa R harus berlawanan dengan pada kutub pertama fasa S sehingga sisi kumparan pada kutub pertama fasa R yang dihubungkan ke
terminal R harus berlawanan dengan sisi kumparan pada kutub pertama fasa S yang dihubungkan ke terminal S. Pada gambar 2.31 dan 2.32, sisi kanan kutub
pertama fasa R dihubungkan langsung dengan sumber tegangan, sedangkan sisi kutub pertama fasa S yang dihubungkan langsung dengan sumber tegangan
haruslah berlawanan dengan halnya fasa R yaitu sisi sebelah kiri. Selanjutnya:
Jika x = 2, maka S
RT
= 16 yang berarti letak terminal R harus berjarak 16 slot dari terminal T. Karena x = 2 merupakan bilangan genap, maka polaritas
tegangan kutub pertama fasa R harus sama dengan pada kutub pertama fasa T sehingga sisi kumparan pada kutub pertama fasa R yang dihubungkan ke
terminal R harus sama dengan sisi kumparan pada kutub pertama fasa T yang dihubungkan ke terminal T. Pada gambar 2.31 dan 2.32, sisi kanan kutub
pertama fasa R dihubungkan langsung dengan sumber tegangan, sedangkan sisi kutub pertama fasa T yang dihubungkan langsung dengan sumber tegangan
haruslah searah dengan halnya fasa R yaitu sisi sebelah kanan. Susunan belitan
Universitas Sumatera Utara
43
fractional slot winding pada mesin ini dapat diberikan pada gambar 2.31 dan 2.32. Pada kedua gambar ini, kumparan fasa R ditandai dengan warna merah,
kumparan fasa S ditandai dengan warna ungu, dan kumparan T ditandai dengan warna biru. Setiap kutub ini dihubungkan dengan kutub terdekatnya sedemikian
sehingga apabila arus mengalir, akan terbentuk polaritas kutub yang berlawanan pada belitan yang berdekatan. Sambungan antar kutubantar belitan digambarkan
dengan garis putus hanya digambar pada fasa R agar gambar tidak terlalu rumit. Pada gambar 2.32, hubungan antar sisi kumparan hanya digambar pada
fasa R. Ujung R-R’, S-S’, dan T-T’ berturut-turut merupakan terminal awal dan akhir pada belitan fasa R, S, dan T. Terminal-terminal ini dapat dihubungkan
sehingga membentuk hubungan Y ataupun Δ.
Pada gambar 2.31, kisar kumparan sebesar 3 slot. Karena satu slot sama dengan 37,5° listrik, maka kisar kumparan dalam derajat listrik:
, ° , °
Kisar kumparan pada gambar 2.31 memiliki perbandingan dengan kisar kutub sebesar
, Pada gambar 2.32, kisar kumparan sebesar 4 slot maka kisar kumparan dalam
derajat listrik: , °
° Kisar kumparan pada gambar 2.32 memiliki perbandingan dengan kisar kutub
sebesar ,
Universitas Sumatera Utara
44
Gambar 2.31 Belitan Fractional Slot Winding
Mesin 48 Kutub, 10 Slot, dengan kisar kumparan
Sebesar 3 slot
Universitas Sumatera Utara
45
Gambar 2.32 Belitan Fractional Slot Winding
Mesin 48 Kutub, 10 Slot, dengan kisar kumparan
Sebesar 4 slot
Universitas Sumatera Utara
3
s a
h f
I
d f
l
G s
m
3.1 Umum
