Menurunkan Rating Tegangan Gulungan/Kumparan Motor Induksi

          Konstruksi gulungan stator dalam motor arus bolak-balik (AC) atau biasa disebut motor induksi secara nyata sangat rumit. Stator motor induksi yang normal terdiri dari sejumlah kumparan dalam masing-masing fasa, terdistribusi dalam alur (slot) di sekeliling permukaan bagian dalam stator. Pada motor induksi yang lebih besar, masing-masing kumparan terdiri dari sejumlah lilitan, tiap lilitan terisolasi dari lilitan lainnya dan dari sisi statornya sendiri.

          Tegangan dalam tiap kawat lilitan tunggal ukurannya sangat kecil dan hanya dengan menempatkan sejumlah kawat lilitan tersebut secara seri maka sejumlah tegangan dapat diberikan/dihasilkan. Sejumlah besar kawat lilitan biasanya dibagi dalam beberapa kumparan, dan kumparan tersebut ditempatkan dalam alur pada permukaan stator.

          Faktor distribusi (fd) adalah cara yang tepat untuk menyederhanakan penurunan rating tegangan pada motor induksi, dikarenakan oleh distribusi spasial pada kumparan dalam gulungan stator. Untuk gulungan dengan sejumlah n alur per sabuk fasa terpisah sebesar γ derajat, faktor distribusinya dapat dihitung dengan persamaan :

fd = sin (Yg.Y/2) / Yg. sin (Y/2)

          Faktor langkah atau pitch factor (fp) dan faktor distribusi (fd) kumparan biasanya dikombinasikan untuk mempermudah penggunaannya dalam faktor kumparan tunggal (fw). Faktor kumparan pada stator dirumuskan dengan persamaan : fw = fp . fd. Sementara untuk faktor langkah (Kp) kumparan itu sendiri dirumuskan dengan persamaan : fp = sin (ρ/2).

          Mengaplikasikan persamaaan-persamaan sebelumnya dimana jumlah lilitan per fasa (Zf) dapat dihitung dengan persamaan :

Zf = (10⁸ x Ef ) / (4,44 x Φ x fp x fd x f)

          Ukuran penampang kawat lilitan stator dapat diperkirakan dari arus stator per fasa dan diasumsikan sesuai dengan nilai kerapatan arus untuk kumparan stator. Persamaan area penampang kawat lilitan stator yaitu : 

q = I / S

          Untuk menentukan ukuran kawat lilitan dan jumlah lilitan motor induksi 3 fasa dalam perancangan ini perlu diukur terlebih dahulu beberapa parameter yang dibutuhkan, sebagai contoh parameter motor induksi 3 fasa tersebut seperti yang ditunjukkan pada tabel 1 berikut ini.

Tabel 1 Konstruksi motor induksi 3 fasa lama

No	Parameter	Nilai
1	Rating tegangan fasa	220 V
2	Rating arus (I)	2,1 A
3	Jumlah kutub (P)	4 buah
4	Jumlah alur stator (G)	24 buah
5	Diameter inti stator (D)	11,1 cm
6	Panjang  inti stator (L)	6,8 cm
7	Diameter kawat lilitan	0,55 mm
8	Jumlah lilitan per kutub per fasa	125 lilitan

          Untuk menghitung jumlah lilitan terlebih dahulu jarak antar kutub (pole pitch) yang didapatkan dengan persamaan :                                  
                                                    Yp = (π.D) / P

                                                   = (3,14 x 11,1) / 4

                                                   = 8,7 cm

Berhubung diameter inti stator kurang dari 0,15 m atau 15 cm, maka dalam hal ini dipilih kerapatan flux pada udara bebas per cm (β) = 3.500 Wb/cm², sehingga jumlah flux tiap kutub adalah : 

                                                     Φ = Yp . L . β

                                                  =  8,7 x 6,8 x 3.500

                                                  = 207.060 Weber

Langkah atau jarak alur per kutub per phasa (Yg) adalah jumlah alur stator dibagi dengan jumlah kutub dikali dengan jumlah phasa, sehingga Yg = 24 / (4x3) = 2.

Karena lilitan yang akan digunakan adalah jenis langkah diperpendek (fractional pitch) sebesar 5/6 maka untuk faktor langkah (pitch factor) kumparan sesuai adalah

                                                     fp =  sin (150º / 2)

                                                         = sin 75º

                                                         = 0,966.

Jarak antar group lilitan per alur dalam satuan derajat radian adalah : Y = 360º / 24 = 15º  radian, sehingga didapatkan faktor distribusi (fd) sebesar :

                                               fd = sin (Yg.Y/2) / Yg.sin (Y/2)

                                                   = sin (2 x 15º/2) / (2 x sin (15º/2))   

                                                   = 0,9914       

Dari hasil-hasil perhitungan tersebut diatas, jika rating tegangan motor induksi 3 fasa diturunkan menjadi 60 V didapatkan jumlah lilitan per fasa yaitu sebesar :

                                                     Zf = (10⁸ x Ef) / (4,44 x Φ x fp x fd x f)

                                                         = (10⁸ x 60) / (4,44 x 207.060 x 0,966 x 0,9914 x 50)

                                                         = (10⁸ x 60) / (44.022.553)

                                                         = 136 lilitan

Jadi jumlah lilitan 3 fasa    =  136 x 3  =  408 lilitan 

sedangkan jumlah lilitan per alur = 408 / 24 = 17 lilitan

          Tujuan utama dalam perancangan ini adalah menurunkan tegangan awal motor induksi dari 220 V menjadi tegangan 60 V dengan tetap mempertahankan daya motor orisinal dan karakteristik yang dibutuhkan tidak berubah, maka dapat digunakan persamaan :                                          

Pa = Pb

3.Va.Ia = 3.Vb.Ib

          Jika Va = 220 V dan Vb = 60 V, maka Ib = (220/60) Ia atau qb = (220/60) qb. Perlu diperhatikan bahwa kumparan stator motor-A disusun dari satu kawat dengan diameter 0,55 mm yang berarti jari-jari (r) kawat sebesar 0,275 mm sehingga ukuran luas penampang kawat motor-A :

                                                               qa = π . r²

                                                              = 3,14 x 0,275

                                                              = 0,237 mm²

          Jika Ia = 2,1 A maka didapatkan arus Ib = (220/60) x 2,1 = 7,7 A sehingga ukuran luas penampang kawat motor-B :

qb = (220/60) x 0,237

                                                              = 0,869 mm²

Dengan demikian kawat lilitan motor-B minimal harus memiliki diameter sebesar :

                                                                db = 2 √(qb/π)

                                                              = 2 √(0,869/3,14)

                                                              = 1,05 mm

          Apabila diameter dianggap terlalu besar sehingga menyulitkan penggulungan secara manual, maka kawat dapat dipecah menjadi 4 paralel, dengan menggunakan rumus :

                                                               qb = 0,869 / 4

                                                             = 0,217 mm² dan

                                                        db = 2 √(0,217/3,14)

                                                             = 0,526 mm (dibulatkan menjadi 0,55 mm).

Jadi motor induksi baru ini menggunakan rangkaian paralel sejumlah 4 dengan ukuran diameter kawat lilitan masing-masing 0,55 mm.  

          Kemudian untuk mempertahankan jumlah ampere lilit (total ampere turns) dari mesin tetap konstan, maka digunakan persamaan :

3.Za.Ia = 3.Zb.Ib sehingga Zb = (60/220) Za

Karena jumlah lilitan per kutub per fasa motor-A sebanyak 125 lilitan, maka jumlah lilitan per kutub per fasa motor-B :

                                                               Zb = (60/220) x 125

                                                             = 34 lilitan

dan jumlah kawat per fasa per kutub = 2 x 34 = 68 kawat lilitan.

Jadi dari hasil perhitungan secara teoritis dan praktis hasilnya sama yakni sejumlah 136 lilitan per fasa. Dengan demikian dari perhitungan untuk mendapatkan motor induksi 3 fasa yang baru, maka didapatkan parameter baru seperti tercantum pada tabel 2  berikut ini.

Tabel 2. Konstruksi motor induksi 3 fasa baru

No	Parameter	Nilai
1	Rating tegangan fasa	60 V
2	Rating arus (I)	7,7 A
3	Jumlah kutub (P)	4 buah
4	Jumlah alur stator (G)	24 buah
5	Diameter inti stator (D)	11,1 cm
6	Panjang  inti stator (L)	6,8 cm
7	Diameter kawat lilitan	4 x 0,55 mm
8	Jumlah lilitan per kutub per fasa	34 lilitan
9	Jumlah kawat  per kutub per fasa	64 kawat

NB : Keterangan dan penjelasan tentang notasi huruf pada rumus-rumus tersebut diatas dapat dibaca pada buku "Menggulung Motor Listrik Arus Bolak-Balik (AC)"