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
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 :
= 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)"