Konstruksi Umum Jenis-Jenis Motor Induksi Satu Fasa

BAB II MOTOR INDUKSI SATU FASA

II.1. Umum

Motor induksi adalah adalah motor listrik bolak-balik ac yang putaran rotornya tidak sama dengan putaran medan stator, dengan kata lain putaran rotor dengan putaran medan stator terdapat selisih putaran yang disebut slip. Pada umumnya motor induksi dikenal ada dua macam berdasarkan jumlah fasa yang digunakan, yaitu: motor induksi satu fasa dan motor induksi tiga fasa. Sesuai dengan namanya motor induksi satu fasa dirancang untuk beroperasi menggunakan suplai tegangan satu fasa. Motor induksi satu fasa sering digunakan sebagai penggerak pada peralatan yang memerlukan daya rendah dan kecepatan yang relatif konstan. Hal ini disebabkan karena motor induksi satu fasa memiliki beberapa kelebihan yaitu konstruksi yang cukup sederhana, kecepatan putar yang hampir konstan terhadap perubahan beban, dan umumnya digunakan pada sumber jala-jala satu fasa yang banyak terdapat pada peralatan domestik. Walaupun demikian motor ini juga memiliki beberapa kekurangan, yaitu kapasitas pembebanan yang relatif rendah, tidak dapat melakukan pengasutan sendiri tanpa pertolongan alat bantu dan efisiensi yang rendah.

II.2. Konstruksi Umum

Konstruksi motor induksi satu fasa hampir sama dengan konstruksi motor induksi tiga fasa, yaitu terdiri dari dua bagian utama yaitu stator dan rotor. Universitas Sumatera Utara Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk silinder dan simetris. Di antara rotor dan stator ini terdapat celah udara yang sempit. Gambar 2.1. Konstruksi Umum Motor Induksi Satu Fasa. Stator merupakan bagian yang diam sebagai rangka tempat kumparan stator yang terpasang. Stator terdiri dari : inti stator, kumparan stator, dan alur stator. Motor induksi satu fasa dilengkapi dengan dua kumparan stator yang dipasang terpisah, yaitu kumparan utama main winding atau sering disebut dengan kumparan berputar dan kumparan bantu auxiliary winding atau sering disebut dengan kumparan start. Universitas Sumatera Utara Rotor merupakan bagian yang berputar. Bagian ini terdiri dari : inti rotor, kumparan rotor dan alur rotor. Pada umumnya ada dua jenis rotor yang sering digunakan pada motor induksi, yaitu rotor belitan wound rotor dan rotor sangkar squirrel cage rotor.

II.3. Prinsip Kerja Motor Induksi Satu Fasa

II.3.1. Teori Medan Putar Silang Prinsip kerja motor induksi satu fasa dapat dijelaskan dengan menggunakan teori medan putar silang cross-field theory. Jika motor induksi satu fasa diberikan tegangan bolak-balik satu fasa maka arus bolak-balik akan mengalir pada kumparan stator. Arus pada kumparan stator ini menghasilkan medan magnet seperti yang di tunjukkan oleh garis putus-putus pada Gambar 2.2. C A Belitan rotor Belitan stator Gambar 2.2. Medan Magnet Stator Berpulsa Sepanjang Garis AC. Arus stator yang mengalir setengah periode pertama akan membentuk kutub utara di A dan kutub selatan di C pada permukaan stator. Pada setengah periode berikutnya, arah kutub-kutub stator menjadi terbalik. Meskipun kuat medan magnet stator berubah-ubah yaitu maksimum pada saat arus maksimum Universitas Sumatera Utara dan nol pada saat arus nol serta polaritasnya terbalik secara periodik, aksi ini akan terjadi hanya sepanjang sumbu AC. Dengan demikian, medan magnet ini tidak berputar tetapi hanya merupakan sebuah medan magnet yang berpulsa pada posisi yang tetap stationary. Seperti halnya pada transformator, tegangan terinduksi pada belitan sekunder, dalam hal ini adalah kumparan rotor. Karena rotor dari motor induksi satu fasa pada umumnya adalah rotor sangkar dimana belitannya terhubung singkat, maka arus akan mengalir pada kumparan rotor tersebut. Sesuai dengan hukum Lenz, arah dari arus ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2 adalah sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan melawan medan magnet yang menghasilkannya. Arus rotor ini akan menghasilkan medan magnet rotor dan membentuk kutub-kutub pada permukaan rotor. Karena kutub-kutub ini juga berada pada sumbu AC dengan arah yang berlawanan terhadap kutub-kutub stator, maka tidak ada momen putar yang dihasilkan pada kedua arah sehingga rotor tetap diam. Dengan demikian, motor induksi satu fasa tidak dapat diasut sendiri dan membutuhkan rangkaian bantu untuk menjalankannya. Arah putaran B D C A Gambar 2.3. Motor Dalam Keadaan Berputar Universitas Sumatera Utara Misalkan sekarang motor sedang berputar. Hal ini dapat dilakukan dengan memutar secara manual dengan tangan atau dengan rangkaian bantu. Konduktor-konduktor rotor akan memotong medan magnet stator sehingga timbul gaya gerak listrik pada konduktor-konduktor tersebut. Hal ini diperlihatkan pada Gambar 2.3 yang menunjukkan rotor sedang berputar searah jarum jam. Jika fluks rotor seperti yang diperlihatkan pada Gambar 2.3 mengarah ke atas sesuai dengan kaidah tangan kanan Fleming, arah gaya gerak listrik ggl rotor akan mengarah keluar kertas pada setengah bagian atas rotor dan mengarah ke dalam kertas pada setengah bagian bawah rotor. Pada setengah periode berikutnya arah dari gaya gerak listrik yang dibangkitkan akan terbalik. Gaya gerak listrik yang diinduksikan ke rotor adalah berbeda dengan arus dan fluks stator. Karena konduktor-konduktor rotor terbuat dari bahan dengan tahanan rendah dan induktansi tinggi, maka arus rotor yang dihasilkan akan tertinggal terhadap gaya gerak listrik rotor mendekati 90 o . Gambar 2.4 menunjukkan hubungan fasa dari arus dan fluks stator, gaya gerak listrik, arus dan fluks rotor. 90 Tegangan induksi rotor Fluks dan arus stator Fluks dan arus rotor

I, V,

φ t ω Gambar 2.4. Fluks Rotor Tertinggal Terhadap Fluks Stator Sebesar 90 ° Universitas Sumatera Utara Sesuai dengan kaidah tangan kanan Fleming, arus rotor ini akan menghasilkan medan magnet, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.5 karena medan rotor ini terpisah sebesar 90 o dari medan stator, maka disebut sebagai medan silang cross-field. Nilai maksimum dari medan ini seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 2.5, terjadi pada saat seperempat periode setelah gaya gerak listrik rotor yang dibangkitkan adalah telah mencapai nilai maksimumnya. Karena arus rotor yang mengalir disebabkan oleh suatu gaya gerak listrik bolak- balik maka medan magnet yang dihasilkan oleh arus ini adalah juga bolak-balik dan aksi ini terjadi sepanjang sumbu DB lihat Gambar 2.5. Arah putaran B D C A Gambar 2.5. Medan Silang yang Dibangkitkan Arus Stator Karena medan silang beraksi pada sudut 90 o terhadap medan magnet stator dengan sudut fasa yang juga tertinggal 90 o terhadap medan stator, kedua medan bersatu untuk membentuk sebuah medan putar resultan yang berputar dengan kecepatan sinkron yang ditunjukkan pada Gambar 2.6. Universitas Sumatera Utara a b c d e f g h i φ t ω s φ r φ a b c d e R r Φ = Φ R s Φ = Φ s Φ s Φ s Φ s Φ R r Φ = Φ R r Φ = Φ R Φ R Φ R Φ R Φ r Φ r Φ r Φ R s Φ = Φ f g h i Gambar 2.6. Phasor Medan Putar yang Dihasilkan Oleh Belitan Stator dan Rotor. II.3.2. Teori Medan Putar Ganda Teori medan putar ganda double revolving-field theory adalah suatu metode lain untuk menganalisis prinsip perputaran motor induksi satu fasa disamping teori medan putar silang. Menurut teori ini, medan magnet yang berpulsa dalam waktu tetapi diam dalam ruangan dapat dibagi menjadi dua medan magnet, dimana besar kedua medan magnet ini sama dan berputar dalam arah yang berlawanan. Dengan kata lain, suatu fluks sinusoidal bolak-balik dapat diwakili oleh dua fluks yang berputar, yang masing-masing nilainya sama dengan setengah dari nilai fluks bolak-balik tersebut dan masing-masing berputar secara sinkron dengan arah yang berlawanan. Universitas Sumatera Utara Pada Gambar 2.7.a menunjukkan suatu fluks bolak-balik yang mempunyai nilai maksimum m φ . Komponen fluksnya A dan B mempunyai nilai yang sama yaitu m φ 2, berputar dengan arah yang berlawanan dan searah jarum jam, seperti ditunjukkan anak panah. A= m 2 B= m 2 + m y y y y A B m sin - + y y A B m 2 m 2 a b c - m y y A B y y A B d e Gambar 2.7. Konsep Medan Putar Ganda. Pada beberapa saat ketika A dan B telah berputar dengan sudut + θ dan –θ seperti pada Gambar 2.7.b, maka besar fluks resultan adalah : θ φ φ φ φ φ 2 cos 2 . 2 2 4 2 2 2 m m m m r − + = ................................................2.1 θ φ φ sin m r = weber dimana : r φ = fluks resultan weber m φ = fluks maksimum weber θ = sudut ruang Universitas Sumatera Utara Setelah seperempat periode putaran, fluks A dan B akan berlawanan arah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.c, sehingga resultan fluksnya sama dengan nol. Setelah setengah putaran, fluks A dan B akan mempunyai resultan sebesar -2 x m φ 2 = - m φ , seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.d. Setelah tiga perempat putaran, resultan akan kembali nol seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.7.e dan demikianlah seterusnya. Jika nilai-nilai dari fluks resultan digambarkan terhadap θ diantara θ = 0 o sampa i θ = 360 o , maka akan didapat suatu kurva seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.8. . o 90 o 180 o 270 o 360 o F lu k s Gambar 2.8. Kurva Fluks Resultan Terhadap θ Pada saat rotor berputar sesuai dengan arah momen putar medan maju dengan kecepatan tertentu, maka besar slip terhadap momen putar medan maju s f yang terjadi adalah : s n n n s s r s f = − = ……………………………..........................2.2 Universitas Sumatera Utara dimana : n s = kecepatan sinkron rpm n r = kecepatan putaran rotor rpm Sedangkan slip terhadap momen mundur s b dengan rotor menentang arah momen putar mundur adalah : s r s s s r s b n n n n n n n s − − = − − = 2 s s b − = 2 ………………………………................................2.3 Masing-masing dari komponen fluks tersebut memotong konduktor rotor sehingga menginduksikan ggl dan pada akhirnya menghasilkan torsi sendiri. Kedua torsi mempunyai arah saling berlawanan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9 . pada keadaan diam kedua komponen torsi tersebut adalah sama besar, sehingga torsi asut adalah nol. Pada saat motor berputar, besar kedua komponen torsi tersebut tidaklah sama sehingga torsi resultan membuat motor tetap berputar pada putarannya. Kecepatan Torsi n s -n s Torsi arah maju Torsi arah mundur Torsi resultan Gambar 2.9. Karakteristik Torsi - Kecepatan Motor Induksi Satu Fasa Universitas Sumatera Utara

II.4. Jenis-Jenis Motor Induksi Satu Fasa

Cara paling mudah untuk menjalankan motor induksi satu fasa adalah dengan menambahkan sebuah kumparan bantu pada kumparan utama di bagian stator sehingga motor dapat dijalankan. Jika dua kumparan terpisah 90 o listrik pada stator motor dan eksitasi dengan dua ggl bolak-balik yang berbeda fasa sebesar 90 o listrik, dihasilkan medan magnet putar. Jika dua kumparan terpisah demikian dihubungkan paralel ke suatu sumber fasa, medan yang dihasilkan akan bolak-balik, tetapi tidak berputar Karena kedua kumparannya ekivalen dengan satu kumparan fasa. Akan tetapi, jika suatu impedansi dihubungkan seri dengan salah satu kumparan ini, arusnya akan berbeda fasa. Dengan pemilihan impedansi yang cocok, arus dapat dibuat agar berbeda fasa sampai 90 o listrik, sehingga menghasilkan medan putar sama seperti medan dari motor dua fasa. Inilah prinsip dari pemisahan fasa phase splitting. Pada keadaan berputar, motor induksi satu fasa dapat menghasilkan momen putar hanya dengan satu kumparan. Sehingga dengan bertambahnya kecepatan motor kumparan bantu dapat dilepas dari rangkaian. Pada kebanyakan motor, hal ini dilakukan dengan menghubungkan sebuah saklar sentrifugal yang bekerja melepaskan hubungan kumparan bantu sistem. Motor induksi satu fasa dikenal dengan beberapa nama. Penerapannya menjelaskan cara-cara yang dipakai untuk menghasilkan perbedaan fasa antara arus yang mengalir pada kumparan utama dan arus yang mengalir pada kumparan bantu. Universitas Sumatera Utara II.4.1. Motor Fasa Terpisah Gambar rangkaian motor induksi fasa terpisah ditunjukkan pada Gambar 2.10.a. Kumparan bantu memiliki perbandingan tahanan terhadap reaktansi yang lebih tinggi daripada kumparan utama, sehingga kedua arus akan berbeda fasa seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10.b. Perbandingan tahanan terhadap reaktansi yang tinggi dapat dengan menggunakan kawat yang lebih murni pada kumparan bantu. Hal ini diizinkan karena kumparan bantu hanya dipakai pada saat start. Saklar sentrifugal akan memisahkan dari rangkaian segera setelah dicapai kecepatan sinkron sekitar 70 sampai 80 persen kecepatan sinkron. Karakteristik momen putar vs kecepatan dari motor ini ditunjukkan pada Gambar 2.10.c. Gambar ini memperlihatkan nilai torsi masing-masing kecepatan motor, mulai dari posisi diam sampai kecepatan nominal, dan seterusnya sampai kecepatan sinkron. Torsi start adalah torsi yang tersedia bila motor mulai berputar dari posisi diam. Torsi beban penuh adalah torsi yang dihasilkan bila motor berputar pada keluaran nominal. Bila beban terus berangsur-angsur diperbesar dari keadaan dimana motor berputar pada keluaran nominal untuk melayani beban dan torsi maksimum dari poros motor yang dapat digunakan dapat dilampaui, maka motor menjadi tidak mampu melayani beban dan berhenti. Nilai maksimum dari torsi dalam hal ini disebut torsi maksimum T maks . Universitas Sumatera Utara Rotor Kumparan Bantu Kumparan Utama I Ia Im V Im V Ia I α a b 100 200 300 25 50 75 100 Pe rs e n T o rs i Persen Kecepatan Sinkron Operasi Saklar Sentrifugal Kumparan Utama Kumparan Bantu dan Kumparan Utama Torsi Start Titik Operasi Torsi Beban Penuh Kecepatan Beban Penuh Torsi Maksimum Kecepatan Sinkron c Gambar 2.10. Motor Fasa Terpisah II.4.2. Motor Kapasitor Start Konstruksi motor kapasitor start ditunjukkan pada Gambar 2.11a. Untuk mendapatkan torsi putar awal yang lebih besar, yaitu : dengan cara menghubungkan sebuah kapasitor yang dipasang secara seri dengan kumparan bantu seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.b. Hal ini akan menaikkan sudut fasa antara arus kumparan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.c. Karakteristik momen putar-kecepatan putar dari motor ini dapat ditunjukkan pada Gambar 2.11.d. Karena kapasitor dipakai hanya untuk pada saat start, jenis Universitas Sumatera Utara kapasitor yang dipakai adalah kapasitor elektrolit. Motor ini menghasilkan momen putar start yang lebih tinggi. Saklar Sentrifugal Kapasitor Start Rotor Kumparan Bantu Kumparan Utama I Ia Im V a b V Ia Im α I Persen Kecepatan Sinkron 25 50 75 100 P e rs e n T o rs i Operasi Saklar Sentrifugal Tstart Tmax Kec. Beban Penuh T Beban Penuh c d Gambar 2.11. Motor Kapasitor Start Universitas Sumatera Utara II.4.3. Motor Kapasitor Permanen Konstruksi dari motor kapasitor permanen ditunjukkan pada Gambar 2.12a. gambar rangkaian ekivalen motor ini seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12.b. kapasitor dihubungkan seri dengan kumparan bantu dan tidak dilepas setelah pengasutan dilakukan dan tetap tinggal pada rangkaian. Hal ini menyederhanakan konstruksi dan mengurangi biaya serta memperbaiki ketahanan motor karena saklar sentrifugal tidak digunakan. Faktor daya, denyutan momen putar, dan efisiensi akan lebih baik karena motor berputar seperti motor dua fasa. Sudut fasa antar kumparan ditunjukkan pada Gambar 2.12.c. Jenis kapasitor yang digunakan adalah kapasitor kertas. Karakteristik momen putar – kecepatan motor ini ditunjukkan pada Gambar 2.12.d. C Rotor Kumparan Bantu Kumparan Utama I Ia Im V a b V Ia I Im α 100 200 300 Persen Kecepatan Sinkron 25 50 75 100 Pe rs e n T o rs i Tmax T start Kecepatan Beban Penuh c d Gambar 2.12. Motor Kapasitor Permanen Universitas Sumatera Utara II.4.4. Motor Kapasitor Start – Kapasitor Run Motor ini mempunyai dua buah kapasitor, satu digunakan pada saat start dan satu lagi digunakan pada saat berputar, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.13.a. Secara praktis keadaan start dan berputar yang optimal dapat diperoleh dengan menggunakan dua buah kapasitor elektrolit. Kapasitor Run secara permanen dihubungkan seri dengan kumparan bantu dengan nilai yang lebih kecil dan dipakai kapasitor kertas. Sudut fasa antar kumparan sama seperti pada motor kapasitor permanen seperti pada Gambar 2.13.b. Karakteristik momen putar- kecepatan dari motor ini ditunjukkan pada Gambar 2.13.c. Rotor Kumparan Bantu Kumparan Utama I Ia Im C Run C Start V S V Ia I Im α a b Persen Kecepatan Sinkron 25 50 75 100 Pe rs e n T o rs i Operasi Saklar Sentrifugal Tmax Tstart T Beban Penuh Kec. Beban Penuh c Gambar 2.13. Motor Kapasitor Start – Kapasitor Run Universitas Sumatera Utara II.4.5. Motor Shaded Pole Motor ini mempunyai kutub tonjol dan sebagian dari masing-masing kutub dikelilingi oleh lilitan rangkaian terhubung singkat yang terbuat dari tembaga yang disebut kumparan terarsir seperti pada Gambar 2.14.a. Arus imbas yang terdapat pada kumparan yang terarsir menyebabkan fluksi yang berada pada bagian lain. Hasilnya seperti medan putar yang bergerak dalam arah dari daerah kutub yang tidak terarsir ke bagian kutub yang terarsir dan menimbulkan momen putar saat dihidupkan yang kecil. Karakteristik motor shaded pole ditunjukkan pada Gambar 2.14.b. Rotor Kumparan Utama Kutub Terarsir T start 100 200 Persen Kecepatan Sinkron 25 50 75 100 Pe rs e n T o rs i Tmax T Beban Penuh Kec. Beban Penuh a b Gambar 2.14. Motor Shaded Pole

II.5. Rangkaian Ekivalen Motor Induksi Satu Fasa