BAB IV

MESIN INDUKSI SATU FASA

4.1.  Motor Satu Fasa

Jika dua lilitan stator dengan impedansi yang tidak sama dipisahkan sejauh 90 derajat listrik dan terhubung secara paralel ke sumber satu fasa, medan yang dihasilkan akan tampak berputar. Ini disebut dengan pemisahan fasa (phase splitting) , lihat Gambar 4.1.

Gambar 4.1. Rangkaian pengganti mesin satu fasa

Pada motor fasa terpisah (split-phase motor), dipergunakanlah lilitan starting untuk penyalaan. Belitan ini mempunyai resistansi yang lebih tinggi dan reaktansi yang lebih rendah dari belitan utama. Jika tegangan yang sama VT dikenakan pada belitan starting dan utama, arus pada belitan utama (IM) tertinggal dibelakang arus pada belitan starting (IS). Sudut antara kedua belitan mempunyai beda fasa yang cukup untuk menimbulkan medan putar untuk menghasilkan torque awal (starting torque). Ketika motor mencapai 70 hingga 80% dari kecepatan sinkron, saklar sentrifugal pada sumbu motor membuka dan melepaskan belitan starting. Motor satu fasa biasanya digunakan untuk aplikasi kecil seperti peralatan rumah tangga (contoh Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC (Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:

1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa (motor dan generator). 2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasa (telah dibahas pdalam BAB III)

Mesin induksi satu fasa : adalah mesin listrik (generator maupun motor) yang bekerja berdasarkan induksi dari tegangan bolak balik (AC) satu fasa. Contoh catu tegangan hanya satu fasa R-N atau S-N atau T-N yang lazimnya dari jala-jala 3 fasa atau generator satu fasa.

Pemakaian mesin satu fasa sehari-hari: fan, mesin kulkas, AC, water pump, mesin jahit, mesin bor dsb. Sedangkan generator digunakan pada perumahan dengan daya 3300 W ke bawah seperti banyak dipakai pada tambak udang, mesin pengarajin batu-batuan, dsb.

4.1. Fluks Arah Maju dan Mundur Fasa Tunggal

Prinsip kerja Motor AC Satu Fasa hampir sama dengan mesin induksi AC 3 fasa (asinkron maupun sinkron) belitan statornya yang menghasilkan medan putar karena 3 fasa, akan menghasilkan induksi pada rotor sangkar yang memunculkan torsi putar. Sedangkan pada mesin satu fasa medan putar akan diam, karena terjadi tarik menarik antara medan kanan dengan kiri atau maju dengan mundur yang sama kuatnya dan fasa sama sehingga posisi rotor diam. Agar rotor tidak diam, maka harus diberi bantuan torsi maju atau torsi mundur atau memperbesar salah satu fasa, sehingga salah satu tori lebih besar. Apabila salah satu torsi lebih besar ke arah maju atau kanan lebih besar dibandingkan ke arah mundur atau kiri, maka rotor akan berputar ke arah torsinya yang lebih besar.

Sumber tegangan AC satu fasa sinussoid pada mesin yang mempunyai impedansi Zu

menghasilkan fluks dengan torsi yang sinusoid pula dan induksi fluksnya (e = dF/dt).

Fe = Fem sin wt ………….. (4.1)

Putaran mekaniknya menghasilkan

Fm = Fmm sin Ø ……………… (4.2)

Fluks yang sinusoid ini hanya menghasilkan fluks (medan) pulsasi saja dan bukan fluks yang berputar terhadap ruang. Berikut ini diperhatikan masing-masing keadaan fluks (medan) terhadap ruang (pulsasi) (Gambar 1.2), terhadap waktu (sinusoid) dan kedudukan vektornya di ruang (Gambar 1.2c). Disamping itu karena rotor berputar maka ada gaya mekaniknya yang dinyatakan dalam bentuk sinusoid yaitu pada persamaan (1.2), sehingga perkalian dua vector tersebut menghasilkan bentuk:

Fme = Fe x Fm = (Fem sin wt)( Fmm sin Ø ) .......................... (4.3)

= (Fem Fmm /2){sin (wt+ Ø) + sin (wt - Ø)} .. (4.4)

Karena fluks maju sama dengan fluks mundur, maka mesin fasa saat star (diberi tegangan) tidak akan dapat bergerak. Agar dapat bergerak harus diberikan upaya bantu dalam bentuk mekanik, maupun elektrik.

Gambar 4.2. Susunan motor satu fasa, (a) fasa maju dan mundur, (b) gerak rotor satu fasa dengan hasil fluks magnet dan mekanik, (c) vektor tarik maju dan mundur

Bentuk (Fem Fmm /2){sin (wt+ Ø) + sin (wt - Ø)} menghasilkan torsi depan dengan fluks dengan sudut fasa + dan lainnya – sehingga saling berlawanan, yang berakibat saling tarik atau saling mendorong. Apabila kondisi pada motor satu fasa ini dibiarkan saja, maka akan panas dan tidak bisa berputar. Torsi yang dihasilkan sesuai dengan total torsi listrik dan torsi mekanik yang berbentuk sinussoidal. Untuk generator maka bentuk merupakan lawan MOTOR

Agar dapat berputar maka torsi ke salah satu sisi ditambah sehingga lebih tinggi dan akan berputar hanya sesaat saja yang sesudah berputar torsi bantu dihentikan ke torsi normal. Untuk memperoleh torsi bantuan ini dapat dilakukan dengan merubah fasa (lihat Bab I) yaitu dengan menambah lilitan bantu (Zb):

1. Secara mekanik, dengan mendorong atau menarik ke salah satu arah kiri atau kanan, maka akan berputar sesuai dengan penambahan tori (torsi yang besar).

2. Dengan menambah torsi melalui perubahan fasa secara listrik yaitu: menambah kapasitor, lilitan maupun gabungan tahanan, lilitan dan kapasitor untuk menambah fasa (+ 90o, - 90o atau < dan < 90o )

Motor Fasa Tidak Seimbang

Gambar 4.3. Motor satu fasa tak seimbang dengan tambahan lilitan bantu

xxxx

xx

oo

o

oo

o

oo

oo

o

o

o

o

o

o

o

x

x

xx

xx x x

xx

x

x

x

x

o

o

o

U

Im Ia

B

Karena sulitnya untuk start motor/generator satu fasa, maka dibentuk motor tak seimbang yang ditambahkan lilitan bantu atau kapasitor, liltan dan tahanan bantu paralel lilitan utama. Motor fasa tidak seimbang mempunyai dua kumparan stator, yaitu kumparan utama (U) dan kumparan Bantu (B) yang diletakkan dengan perbedaan sudut 90 derajat listrik. Kumparan bantu mempunyai tahanan lebih kecil daripada kumparan utama, sedang reaksitansinya dibuat lebih kecil. Dengan demikian, terdapat perbedaan fasa antara arus kumparan Im dengan arus kumparan bantu Ia (Ia mendahului Im). Motor berfungsi sebagai motor dua fasa tidak seimbang, akibatnya terjadi medan putar pada stator yang mengakibatkan motor berputar. Kumparan bantu diputus hubungannya (saklar S terbuka) ketika motor mencapai putaran sekitar 75% kecepatan sinkron. Biasanya digunakan saklar yang terbuka oleh adanya gaya sentripugal pada rotor.

Pada saat start motor satu fasa dib

Pembahasan dalam bab ini di titik beratkan pada motor listrik AC 1 fasa, yang terdiri dari:

• Motor Kapasitor • Motor Shaded Pole • Motor Universal

Dari bahasan di atas, maka motor satu fasa memiliki dua belitan stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1-Z2), lihat gambar 4.4.

Gambar 4.4. Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu fasa dan rotor sangkar

Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama. Grafik arus belitan bantu Ibantu dan arus belitan utama Iutama berbeda fasa

sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.

Gambar 4.5. Grafik gelombang arus medan bantu dan arus medan utama dan medan magnet pada Stator Motor satu fasa

Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus Ibantu menghasilkan fluks magnet Φ tegak lurus, beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama Iutama. yang bernilai positip. Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar 45° dengan arah berlawanan jarum jam. Kejadian ini berlangsung terus sampai satu siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan statornya.

Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk batang-batang kawat yang ujung-ujungnya dihubung singkatkan dan menyerupai bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar.Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi, interaksi antara medan putar stator dan medan magnet rotor akan menghasilkan torsi putar pada rotor.

4.2. Motor Kapasitor

Motor kapasitor satu phasa banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga seperti motor pompa air, motor mesin cuci, motor lemari es, motor air conditioning. Konstruksinya sederhana dengan daya kecil dan bekerja dengan tegangan suplai PLN 220 V, oleh karena itu menjadikan motor kapasitor ini banyak dipakai pada peralatan rumah tangga.

Dengan dipasangnya kapasitor pada rangkaian kumparan bantu, akan diperoleh beda fasa 90o antara arus kumparan utama Im dan arus kumparan bantu Ia (Ia mendahului 90o dari Im); dan karenanya diperoleh kopel mula yang lebih besar (Gambar 4.6). Berbagai alat seperti kompressor,pompa, mesin pendingin yang banyak dipakai di rumah memang memerlukan kopel mula yang relatif lebih besar, sehingga kapasitor motor cocok digunakan.

Gambar 4.6. Motor kapasitor

Belitan stator terdiri atas belitan utama dengan notasi terminal U1-U2, dan belitan bantu dengan notasi terminal Z1-Z2 Jala-jala L1 terhubung dengan terminal U1, dan kawat netral N terhubung dengan terminal U2. Kondensator kerja berfungsi agar perbedaan sudut phasa belitan utama dengan belitan bantu mendekati 90°. Pengaturan arah putaran motor kapasitor dapat dilakukan dengan (lihat Gambar 4.6):

• Untuk menghasilkan putaran ke kiri (berlawanan jarum jam) kondensator kerja CB disambungkan ke terminal U1 dan Z2 dan terminal Z1 dikopel dengan terminal. • Putaran ke kanan (searah jarum jam) kondensator kerja disambung kan ke terminal Z1 dan U1 dan terminal Z2 dikopel dengan terminal U1

.Motor kapasitor dengan daya diatas 1 KW di lengkapi dengan dua buah kondensator dan satu buah saklar sentrifugal. Belitan utama U1-U2 dihubungkan dengan jala-jala L1 dan Netral N. Belitan bantu Z1-Z2 disambungkan seri dengan kondensator kerja CB, dan sebuah kondensator starting CA diseri dengan kontak normally close (NC) dari saklar sentrifugal, lihat gambar 4.7.

Awalnya belitan utama dan belitan bantu mendapatkan tegangan dari jala-jala L1 dan Netral. Kemudian dua buah kondensator CB dan CA, keduanya membentuk loop tertutup sehingga rotor mulai berputar, dan ketika putaran mendekati 70% putaran nominalnya, saklar sentrifugal akan membuka dan kontak normally close memutuskan kondensator bantu CA.

U

Im Ia

B

Gambar 4.7. Pengawatan dengan Dua Kapasitor dan Karakteristik Torsi Motor kapasitor

Fungsi dari dua kondensator yang disambungkan parallel, CA+CB, adalah untuk meningkatkan nilai torsi awal untuk mengangkat beban. Setelah putaran motor mencapai 70% putaran, saklar sentrifugal terputus sehingga hanya kondensator kerja CB saja yang tetap bekerja. Jika kedua kondensator rusak maka torsi motor akan menurun drastis, lihat gambar 7 tosrsi

4.3. Motor Shaded Pole

Motor shaded pole atau motor phasa terbelah termasuk motor satu phasa daya kecil, dan banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga sebagai motor penggerak kipas angin, blender. Konstruksinya sangat sederhana, pada kedua ujung stator ada dua kawat yang terpasang dan dihubung singkatkan fungsinya sebagai pembelah phasa.Belitan stator dibelitkan sekeliling inti membentuk seperti belitan transfor mator. Rotornya berbentuk sangkar tupai dan porosnya ditempatkan pada rumah stator ditopang dua buah bearing. Torsi putar dihasilkan oleh adanya pembelahan phasa oleh kawat shaded pole. Konstruksi yang sederhana, daya yang kecil, handal, mudah dioperasikan, bebas perawatan dan cukup di suplai dengan Tegangan AC 220 V, jenis motor shaded pole banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga kecil.

Gambar 4.8. motor shaded pole, Motor fasa terbelah.

Irisan penampang motor shaded pole memperlihatkan dua bagian, yaitu bagian stator dengan belitan stator dan dua kawat shaded pole. Bagian rotor sangkar ditempatkan di tengah-tengah stator, lihat gambar 4.9.

4.4. Motor Universal

Motor Universal termasuk motor satu phasa dengan menggunakan belitan stator dan belitan rotor. Motor universal dipakai pada mesin jahit, motor bor tangan. Perawatan rutin dilakukan dengan mengganti sikat arang yang memendek atau pegas sikat arang yang lembek. Kontruksinya yang sederhana, handal, mudah dioperasikan, daya yang kecil, torsinya yang cukup besar motor universal dipakai untuk peralatan rumah tangga (lihat gambar 4.8).

Gambar 4.9. Komutator pada motor universal terdiri dari stator dan rotor motor universal

Bentuk stator dari motor universal terdiri dari dua kutub stator. Belitan rotor memiliki dua belas alur belitan dan dilengkapi komutator dan sikat arang yang menghubungkan secara seri antara belitan stator dengan belitan rotornya. Motor universal memiliki kecepatan tinggi sekitar 3000 rpm. Aplikasi motor universal untuk mesin jahit, untuk mengatur kecepatan dihubungkan dengan tahanan geser dalam bentuk pedal yang ditekan

Oleh karena mesin satu fasa bentuknya yang sederhana dan harganya yang relatif murah, mesin satu fasa banyak dipakai untuk keperluan motor kecil di dalam rumah tangga seperti kipas angin, pompa, mesin pendingin, air conditioning, dan lain-lain.

Untuk menghitung beban yang diberikan maka dihitung dahulu perbedaan fasa yang timbul, misal 90o. Contoh :

Satu motor satu fasa mempunyai impedasi utama Zu =12 + j 16, dijalankan pada tegangan 220V< 30o. Agar dapat berputar diberikan lilitan bantu kapasitor, yang besarnya adalah : Zb : 5 + j (6 – XC). Berapa besarnya kapasitor yang dipasang ?, arus start dan arus running? Serta daya start.

Agar mesin satu fasa dapat berputar, maka dibuat antara fasa maju dan mundur berbenda misal 180o, dengan menambahkan lilitan bantu.maka perbedaan antara fasa utama dengan fasa bantu adalah 45o, jadi:

Sudut fasa utama adalah fu = arc tg 16/12 = 53.13o

Misal beda fasa adalah 45o , sehingga fasa yang muncul adalah

53.13o – 45o = 8.13o = arc tg (6-XC)/5

(6-XC)/5 = tg 8.13 = 0,143

6-XC = 0, 71

XC = 5.29 = 1/ (2 x 3.14 x 60 x C)

C = 1/(2 x 3.14 x 60 x 5.29) F = 501 F

Maka besarnya Zb = 5 + j (6 – Xc) = 5 + j (6 + 5,29)

Besarnya arus start adalah Is = 220 < 30o / Zu + 220< 30o/Zb

Besarnya arus running adalah IR = 220<30o /Zu

Besarnya daya yang dipakai untuk start adalah

Pstart = Ps = (220 < 30o ) x (220 < 30o / Zu) cos fu

+220 < 30o ( 220< 30o/Zb) cos fb

Prunning = Putama

= (220 < 30o ) x (220 < 30o / Zu) cos fu

4.5. Generator Satu Fasa

Pada generator satu fasa, untuk start digunakan sistem tarikan pada pembangkit pemantik penggerak utama adalah motor bakar, ataupun sistem pemantik elektrik yaitu dengan CDI, yang dibantu dengan aku sebagai pemantik prime mover (lihat Gambar 4.9).

Gambar 4.10. Sistem pembangkit listrik satu fasa

Permakaian generator satu fasa sampai daya dibawah 3 KW diantaranya untuk perumahan, home industry (pemecah batu, pengolahan keramik), tambak ikan dsb.

RUJUKAN

Zuhal, 1998, Dasar Listrik dan Elektronika Daya, Gramedia, Jakarta