LISTRIK MESIN

Motor Arus Bolak-Balik (Motor AC)

Motor arus bolak-balik (motor AC) ialah suatu mesin yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus bolak-balik (listrik AC) menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa putaran daripada rotor. Motor listrik arus bolak-balik dapat dibedakan atas beberapa jenis. Pembagian motor listrik disini didasarkan pada bermacam-macam tinjauan.

A. Hubungan putaran motor dengan frekuensi

Bila ditinjau dari hubungan antara putaran dan frekuensi/putaran fluks magnet pada stator, maka motor AC dapat dibedakan atas :

1. Motor Sinkron (motor serempak)

Disebut motor sinkron, karena putaran motor sama dengan putaran fluk magnet pada stator, sesuai dengan persamaan :

Dimana :

n = jumlah putaran tiap menit (r.p.m)

F = frekuensi

P = jumlah kutub

Pada motor sinkron, motor tidak dapat berputar dengan sendirinya walaupun pada lilitan statornya telah dihubungkan dengan sumber tegangan. Agar motor sinkron dapat berputar, diperlukan penggerak permulaan. Sebagai penggerak permulaan biasanya dikerjakan oleh mesin lain.

1. Motor Asinkron (motor tak serempak)

Disebut motor asinkron, karena putaran motor tidak sama dengan putaran fluk magnit stator, atau dengan kata lain bahwa antara rotor dengan fluks magnit stator terdapat selisih perputaran yang disebut slip. Jadi pada motor asinkron jumlah putaran motor dapat ditulis dengan persamaan :

B. Cara penerimaan tegangan dan arus

Ditinjau dari segi cara rotor menerima tegangan atau arus listrik, motor AC dikelompokkan menjadi 2 jenis, yaitu :

1. Motor AC yang rotornya menerima tegangan secara langsung

Motor jenis ini biasanya dijumpai pada motor universal, motor DC. Pada motor jenis ini, tegangan listrik diberikan secara langsung dari sumber tegangan melalui suatu sambungan listrik secara langsung (bukan berdasarkan prinsip induksi)

1. Motor Induksi

Disebut motor induksi, karena dalam hal penerimaan tegangan dan arus listrik pada rotor dilakukan dengan prinsip induksi listrik. Sehingga tidak ada sambungan langsung antara bagian rotor dengan sumber tegangan listrik.

C. Jumlah phasa tegangan sumber

Ditinjau dari jumlah phase tegangan sumber yang digunakan untuk mensuplai motor, maka motor listrik AC dapat dikelompokkan menjadi 2 jenis, yaitu :

1. Motor 1 phasa

Dinamakan motor 1 phasa, karena untuk menghasilkan tenaga mekanik, pada motor tersebut dimasukkan tegangan 1 phasa. Di dalam hal praktek kita sering menjumpai motor 1 phasa dengan lilitan 2 phasa. Dikatakan demikian karena dalam motor 1 phasa, lilitan stator-nya terdiri dari 2 jenis lilitan, yaitu lilitan pokok dan lilitan bantu. Kedua jenis lilitan tersebut dibuat sedemikian rupa sehingga walaupun arus yang mengalir pada motor adalah arus/tegangan 1 phasa, tetap akan mengakibatkan arus yang mengalir pada masing-masing lilitan mempunyai perbedaan lhasa. Atau dengan kata lain, bahwa arus yang mengalir pada lilitan pokok dan lilitan bantu tidak sephasa. Motor 1 phase yang seperti ini disebut motor phase belah.

1. Motor 3 phasa

Disebut motor 3 phasa, karena untuk menghasilkan tenaga mekanik tegangan yang dimasukkan ke motor adalah tegangan 3 phasa. Ditinjau dari jenis rotor yang digunakan, motor jenis ini dikelompokkan dalam 3 jenis, yaitu :

1. 1. Motor dengan rotor lilit
   2. Motor dengan rotor sangkar tupai
   3. Motor kolektor

Sebagai alat penggerak, motor-motor listrik lebih unggul daripada alat-alat penggerak jenis lain, karena motor-motor listrik dapat dikonstruksi sesuai dengan kebutuhan-kebutuhan dan karakteristik-karakteristik penggerakan, antara lain :

• 1. Bisa dibuat dalam berbagai ukuran tenaga
  2. Mempunyai batas-batas kecepatan (speed range) yang luas
  3. Pelayanan operasi mudah, dan pemeliharaannya sederhana
  4. Bisa dikendslikan secara manual, atau secara otomatis dan bahkan kalau diinginkan bisa dilayani dari jarak jauh (remote control). Pemakaian motor listrik sebagai alat penggerak memungkinkan dilakukan secara otomatis, sehingga dapat menekan biaya tenaga kerja.

Setiap motor listrik, sudah mempunyai klasifikasi tertentu, sesuai dengan maksud penggunaannya sebagai alat penggerak sesuai dengan kebutuhannya. Klasifikasi tiap motor dapat diketahui dari data yang tertera pada name plate yang terpasang pada motor tersebut.

Prinsip Motor Induksi

A. Fluks Magnit Stator pada motor 3 phasa

Pada motor 3 phasa, lilitan stator tidak berbeda dengan lilitan stator pada generator arus bolak-balik 3 phasa. Karena pada lilitan stator dimasukkan arus listrik bolak-balik, maka di sekitar stator juga terjadi fluks magnit yang berubah-ubah pula.

Jadi pada motor arus bolak-balik kutub magnitnya berputar. Untuk jelasnya, prinsip terbentuknya medan magnit yang berputar pada motor 3 phasa dapat dilihat pada gambar 1 dan 2. Gambar 1 menunjukkan keadaan arus 3 phasa yang dimasukkan pada lilitan stator pada saat tertentu. Gambar 2 menunjukkan arah-arah fluks magnit pada beberapa keadaan.

Gambar 1. Arus yang dimasukkan pada lilitan stator motor 3 phasa.

Gambar 2. Fluks magnit stator motor 3 phasa berkutub 2.

A₁ – A₂ = lilitan phase I

B₁ – B₂ = lilitan phase II

C₁ – C₂ = lilitan phase III

Pada kedudukan 1 (lihat gambar 1) :

Arah arus pada sisi kumparan A₁ menjauhi kita.

Arah arus pada sisi kumparan A₂ mendekati kita.

Arah arus pada sisi kumparan B₁ mendekati kita.

Arah arus pada sisi kumparan B₂ menjauhi kita.

Arah arus pada sisi kumparan C₁ mendekati kita.

Arah arus pada sisi kumparan C₂ menjauhi kita.

Arah arus pada sisi kumparan B₂, A₁, C₂ menjauhi kita, sehingga terbentuk medan-medan magnit yang searah dengan arah putaran jarum jam. Sebaliknya arah arus pada sisi kumparan C₁, A₂, B₁ mendekati kita, sehingga terbentuk medan-medan magnit yang berlawanan dengan arah putaran jarum jam. Oleh karena itu, secara keseluruhan arah fluks magnitnya, adalah seperti ditunjukkan pada gambar 2a.

Pada kedudukan 2, harga I_A positif, I_B positif dan I_C negatif.

Pada kedudukan 3, harga I_A negatif, I_B positif dan I_C negatif.

Pada kedudukan 4, harga I_A negatif, I_B positif dan I_C positif.

Perhatikan arah-arah arus, arah fluks magnitnya pada kedudukan 1,2,3 dan 4. Dengan memperhatikan gambar 2 di atas, ternyata kutub-kutub magnit selalu berpindah atau dengan kata lain fluks magnit stator berputar.

B. Fluks Magnit Stator pada motor 1 phasa

Pada motor 3 phasa dapat dilihat bahwa fluks magnit yang terbentuk di sekitar stator merupakan medan magnit yang berputar karena listrik yang dimasukkan pada lilitan stator sudah merupakan arus listrik yang berputar. Tetapi lain halnya dengan medan magnit yang terbentuk di sekitar stator pada motor 1 phasa. Di mana fluks magnit hanya bergantian arah saja, sehingga menyulitkan bagi motor pada saat start.

Untuk itu diperlukan bantuan yang pada prinsipnya dilakukan dengan jalan membentuk medan magnit baru yang tidak sephase dengan medan magnit lilitan utama (harus terdapat aliran arus listrik baru yang tidak sephase dengan arus listrik yang mengalir pada lilitan utama), yang berarti harus terdapat lilitan kedua yang terpisah dari lilitan utama.

Jadi pada motor tersebut meskipun meskipun menggunakan listrik 1 phasa, tetapi tidak demikian yang terjadi di dalam lilitan stator. Di dalam lilitan stator terdapat listrik 2 phasa masing-masing pada lilitan utama (main winding) dan lilitan bantu (auxiliary winding). Apabila motor telah berjalan normal maka lilitan bantu dapat dilepas (tidak digunakan lagi). Untuk membentuk adanya dua arus listrik yang berbeda phasa, dapat digunakan penggeser phasa yaitu induktor atau kapasitor.

C. Prinsip Kerja Motor Induksi

a. Apabila sumber tegangan 3 phasa dipasang pada kumparan stator, akan timbul medan magnit putar dengan kecepatan

b. Medan putar stator tersebut akan memotong batang konduktor pada rotor

c. Akibatnya pada batang konduktor dari rotor akan timbul GGL induksi.

d. Karena batang konduktor pada rotor merupakan rangkaian tertutup, maka GGL tersebut akan menyebabkan terjadinya aliran arus listrik (I)

e. Adanya arus (I) pada batang konduktor yang berada di dalam medan magnit akan menimbulkan gaya (F) pada rotor.

f. Bila kopel gaya mula yang dihasilkan oleh gaya (F) pada rotor cukup besar untuk memikul kopel beban, rotor akan berputar searah dengan medan putar pada stator.

g. Seperti telah dijelaskan, GGL induksi timbul karena terpotongnya batang konuktor (rotor) oleh medan magnit putar stator. Artinya agar GGL induksi tersebut timbul, diperlukan adanya perbedaan relatif antara kecepatan medan putar stator (n_s) dengan kecepatan putar rotor (n_r).

h. Perbedaan kecepatan antara nr dan ns disebut slip, dinyatakan dengan :

i. Bila n_r = n_s, GGL induksi tidak akan timbul dan arus tidak mengalir pada batang konduktor (rotor), dengan demikian tidak dihasilkan kopel.

j. Dilihat dari cara kerjanya, motor induksi disebut juga sebagai motor tak serempak atau asinkron.

Motor Satu Phasa

Motor 1 phasa dengan kekuatan kurang dari 1 PK dewasa ini banyak dipergunakan di rumah tangga, kantor, pabrik, bengkel maupun perusahaan-perusahaan. Motor 1 phasa dapat dikelompokkan menjadi beberapa kelompok berdasarkan konstruksi/cara kerjanya.

A. Motor Induksi (induction motor)

1. Motor phase belah (split phase motor)

Motor kapasitor (capasitor motor)

a. start capasitor

b. permanent capasitor

2. Motor kutub bayangan (shaded pole motor)

B. Motor Repulsi (Repulsion Motor)

1. Induksi repulsi (repulsion induction)

2. Start repulsi (repulsion start)

C. Motor Seri (universal motor/AC, DC motor, series motor)

Motor Induksi Satu Phasa

Pada motor induksi 3 phasa dapat dilihat bahwa fluks magnit yang terbentuk di sekitar stator merupakan medan magnit yang berputar. Akan tetapi, lain halnya dengan medan magnit yang terbentuk pada kumparan satu phasa, dimana fluks magnit hanya bergantian saja, sehingga meyulitkan bagi motor sewaktu mula-mula dijalankan (start). Untuk memperbesar daya bagi perputaran motor sewaktu start, maka untuk itu diperlukan bantuan, yang pada prinsipnya dilakukan dengan jalan membentuk medan magnit baru yang berbeda arah dengan medan magnit utama. Dalam hal ini, berarti harus terdapat aliran arus listrik baru yang tidak sephase dengan arus listrik yang mengalir pada kumparan utama (main winding) yang berarti harus ada kumparan kedua yang terpisah dari kumparan utama.

Oleh karena itu sebenarnya pada motor spilt phase menggunakan listrik 1 phasa, tetapi di dalam lilitan stator terdapat arus listrik 2 phase, yang mengalir pada kumparan utama dan kumparan kedua. Kumparan kedua ini umumjnya dinamakan kumparan bantu (auxiliary winding).

Untuk membentuk adanya dua arus listrik yang berbeda phasa, digunakan sebuah penggeser phase, sehingga dari tegangan listrik 1 phasa yang dimasukkan maka di dalam motor terbentuk listrik 2 phasa. Umumnya hal ini dapat dilakukan dengan memasang seri pad kumparan bantu sebuah rangkaian kumparan (induktor) atau dengan menggunakan kapasitor.

1. Rotor

Jenis rotor yang banyak digunakan pada motor induksi adalah rotor sangkar tupai. Pada prinsipnya rotor sangkar tupai disusun dari batang-batang konduktor yang kedua ujungnya disatukan oleh cincin yang dibuat dari bahan konduktor pula sehingga bentuknya menyerupai dengan sangkar tupai. Lihat gambar 3.

(a) (b)

Gambar 3

a. Prinsip rotor sangkar tupai

b. Pelat dari rotor

Pada gambar di atas sumbunya tidak digambarkan demikian pula bada rotor digambarkan terpisah (gambar 3b.) Badan rotor terdiri dari pelat berlapis-lapis. Dari luar nampaknya rotor sangkar seolah-olah hanya silinder yang pejal.

Untuk pendinginan dari motor pada bagian tepi dari rotor dilengkapi dengan daun-daun kipas sehingga kalau rotor berputar aliran udaranya akan membantu proses pendinginan motor. Susunan dari batang-batang ada yang sejajar dengan sumbu (poros), kadang-kadang ada juga yang tidak sejajar dengan sumbu, agak miring (skew). Selain rotor sangkar tupai, pada motor induksi ada juga yang menggunakan rotor lilit (motor slip ring).

2. Motor Phase belah

Motor phase belah memiliki kumparan utama dan kumparan bantu yang letaknya bergeser 90 ^O listrik dan disambung paralel.

Gambar 4.

a. Letak kumparan utama dan kumparan bantu pada stator

b. Bagan hubungan kumparan utama dengan kumparan bantu

c. Diagram vektor

Terlihat pada gambar 4a, bahwa letak kumparan utama dan kumparan bantu bergeser 90 ^O listrik.

Selain tersebut diatas, diusahakan pula agar arus pada kedua kumparan bergeser sebesar mungkin (teoritis 90 ^O listrik) dengan demikian seolah-olah seperti dua phasa. Dua arus dalam kumparan inilah yang akan menimbulkan medan magnit berputar dan menyebabkan motor akan berputar dengan sendirinya (self starting).

Pada motor phasa belah, kumparan utama mempunyai tahanan murni rendah dan reaktansi tinggi, sebaliknya kumparan bantu memiliki tahanan murni tinggi dan reaktansi rendah. Tahahan murni kumparan bantu dapat diperbesar dengan menambah R yang disambung seri dengannya atau menggunakan kumparan dengan kawat yang diameternya sangat kecil.

Untuk memutuskan aliran arus listrik kek kumparan bantu dilengkapi dengan saklar S yang dihubungkan seri dengan kumparan bantu. Alat ini secara otomatis akan memutuskan arus pada kumparan bantu setelah motor mencapai kecepatan 75 % dari kecepatan penuh. Pada motor phasa belahyang dilengkapi saklar pemutus, biasanya yang dipakai adalah saklar sentrifugal. Ada juga yang menggunakan relay. Lihat gambar 5.

Gambar 5a. Relay arus

Relay arus :

• • • saat start, arus besar à kontak akan terhubung
    • sesudah berjalan, arus kecil à kontak akan terputus

Gambar 5b. Relay arus

Relay tegangan :

• • • saat start, tegangan turun à kontak akan terhubung (NC)
    • sesudah berjalan, tegangan normal à kontak akan terbuka

Untuk membalik arah putaran motor dapat dilakukan dengan membalik arah arus pada kumparan bantu atau membalik arah arus pada kumparan utama. Apabila paada kedua kumparan tersebut dibalik arah arusnya maka arah putaran tidak akan berubah. Pada umumnya yang dibalik adalah arah arus pada kumparan bantu.

Arah vektor medan paduan (yang disebabkan oleh arus pada kumparan utama Iu dan arus pada kumparan bantu I_b) pada titik t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, t₆, t₇, t₈ dan t₉ digambarkan sepeti pada gambar 6a, 6b dan 6c.

• Gambar 6a : Grafik sinus dan diagram vektor I_u dan I_b.

• Gambar 6b : Arah vektor medan paduan yang disebabkan I_u dan I_b (pada setiap saat).

• Gambar 6c : Besar vektor medan paduan yang disebabkan I_u dan I_b (pada setiap saat).

Gambar 6. Diagram vektor medan paduan yang disebabkan Iu dan Ib.

Untuk lebih jelasnya hubungan kumparan-kumparan, digambar dengan diagram (gambar 7a). Gambar diagram tersebut diperjelas lagi dengan gambar rangkaian listrik seperti pada gambar 7b.
Gambar 7a. Diagram hubungan motor phasa belah berkutub 4