Dasar dan Kemajuan Teknologi Motor AC
Setelah Thomas Edison menerapkan jaringan distribusi DC di seluruh Amerika Serikat, industri secara bertahap beralih ke sistem AC yang lebih hemat biaya, dengan kinerja pencahayaan pada AC yang setara dengan DC.
AC terbukti lebih unggul untuk transmisi daya jarak jauh, mengurangi kerugian. Namun, upaya awal untuk mengadaptasi desain motor DC untuk AC menemui kesulitan yang disebabkan oleh medan magnet yang bervariasi seiring waktu.
Diagram keluarga motor listrik AC
Charles P. Steinmetz mengatasi tantangan ini dengan mengkuantifikasi kerugian histeresis pada armatur besi, sementara Nikita Tesla merancang motor yang benar-benar dikencangkan oleh AC pertama kali—turbin yang dioperasikan oleh medan magnet berputar bukan uap atau air.
Motor induksi AC Tesla telah menjadi tongkang industri, dihargai karena ketahanannya, kesederhanaan, masa pakai panjang, dan pemeliharaan minimal.
Motor AC dengan haritan—mirip dengan sejenis DC mereka—masih digunakan dalam peralatan rumah tangga kecil, sedangkan motor induksi Tesla mendominasi aplikasi di atas 1 hp (≈750 W).
Kini, elektronika padatan mengubah DC menjadi gelombang AC yang menggerakkan motor DC tanpa haritan—esensialmente motor AC—mengganti desain haritan konvensional dalam banyak konteks. Demikian pula, motor stepper, turunan digital, dikencangkan oleh gelombang persegi AC yang dihasilkan oleh kontrol elektronik.
Diagram di atas melacak evolusi keluarga motor AC yang dibahas dalam bab ini.
Kapal laut besar, seperti kapal pesiar, dan lokomotif diesel-listrik telah lama mengganti poros gigi dengan generator dan motor multi-megawatt yang besar.
Diagram level sistem motor
Pada level sistem, motor mengubah energi listrik—yang disediakan oleh tegangan dan arus—ke dalam kerja mekanis. Ketidakefisienan timbul karena motor listrik tidak pernah mencapai efisiensi 100%; sebagian dari daya input terurai sebagai panas melalui kerugian I²R (tembaga) pada gulungan.
Panas ini harus dikeluarkan secara efektif; penumpukan panas berlebihan dapat mempersingkat umur motor. Akibatnya, mengoptimalkan efisiensi—meminimalkan kerugian panas—adalah hal terpenting. Motor AC juga menghadapi kerugian unik seperti histeresis dan arus eddy, yang tidak ada pada mesin DC.
Histeresis dan Arus Eddy
Desainer motor AC awal kesulitan dengan kerugian yang inherent pada medan magnet bolak-balik—masalah yang muncul ketika konsep motor DC diterapkan pada AC. Meskipun motor AC modern sangat berbeda dari sejenis DC mereka, mengatasi tantangan ini sangat penting untuk perkembangannya.
Inti motor AC, baik rotor maupun stator, terdiri dari lembaran baja berlapis yang diisolasi dengan warnis. Konstruksi ini mengganggu loop konduktif, sehingga menekan arus eddy (lihat gambar).
Lembar tipis yang diisolasi ini mirip dengan gulungan sekunder trafo terisolasi, mencegah arus eddy besar. Penggabungan silikon ke dalam legurinya lebih meningkatkan resistivitas, mengurangi magnitudo arus eddy.
Arus eddy pada inti besi
Penggunaan lembaran baja berorientasi kristal silikon lebih mengurangi kerugian histeresis. Histeresis magnetik muncul sebagai keterlambatan antara kekuatan medan magnet dan gaya magnetisasi yang diterapkan; bahkan setelah mematikan inti besi lembut, magnetisasi sisa B_R tetap ada (ilustrasi di bawah).
Saat siklus AC terbalik, medan magnet harus mengeluarkan energi—gaya koersif H_C—untuk mengatasi magnetisasi sisa sebelum inti dapat dimagnetisasi ulang atau dimagnetisasi ke arah berlawanan.
Kerugian histeresis terjadi pada setiap terbalikan polaritas AC dan bermukaan dengan luas loop histeresis B–H. Legurian besi lembut menunjukkan kerugian lebih rendah daripada baja karbon keras tinggi; baja berorientasi kristal silikon (≈4 % Si) yang digilas untuk menyelaraskan kristal menawarkan kerugian terendah.
Kurva histeresis untuk legurian rendah dan tinggi kerugian
Hukum histeresis Steinmetz memungkinkan prediksi yang akurat atas kerugian inti, memungkinkan insinyur merancang motor AC yang memenuhi harapan kinerja—mirip dengan jembatan yang sudah dibangun sebelumnya yang handal menahan beban.
Dengan wawasan tentang arus eddy dan histeresis, desainer awal pertama menciptakan motor komutator AC yang mirip dengan mesin DC. Kini, desain semacam itu adalah nich, sementara sebagian besar motor AC—seperti induksi, sinkron, dan tipe tanpa haritan—sangat berbeda dari analog DC mereka.
