Motor satu fasa: kapasitor, sakelar sentrifugal, relai starter, dan pembalikan

Pompa pendorong air bersih di sebuah laundry kiloan berdengung tetapi porosnya tidak berputar. Bunyinya berhenti lalu berulang beberapa menit kemudian; MCB tidak trip. Teknisi pertama mengganti kapasitor yang paling besar dengan kapasitor bermikrofarad lebih besar "supaya lebih kuat" dan bertegangan 250 V "karena listriknya 230 V". Pompa berputar lagi, tetapi dua minggu kemudian kapasitor itu menggembung dan belitan motor berbau hangus. Saat membongkarnya, seorang pekerja tersengat oleh kapasitor lama yang sudah dilepas sejak pagi.

Bab motor induksi tiga fasa menjelaskan bagaimana tiga belitan yang bergeser 120° menghasilkan medan putar dengan sendirinya. Motor satu fasa harus membuat medan putarnya dari satu tegangan, dan bagian yang membuatnya, yaitu belitan bantu, kapasitor, dan pemutusnya, paling sering rusak. Bab perbaikan faktor daya memakai kapasitor paralel untuk menyuplai daya reaktif; di sini kapasitor seri dengan belitan menggeser fase arus, dengan rating, uji, dan bahaya yang berbeda, dan alat hitungnya dari bab reaktansi dan impedansi.

Batas pembahasan

Pembahasan dibatasi pada motor induksi satu fasa 230 V, 50 Hz berdaya kecil pada pompa, kipas, dan kompresor hermetis. Motor universal dan BLDC dibahas pada bab motor DC, motor universal, dan motor BLDC; kompresor inverter, penggulungan ulang, dan sistem refrigeran tidak dibahas. Koreksi suhu resistansi belitan dan uji isolasi dibahas pada bab kerusakan dan uji motor serta bab uji resistansi isolasi, dan pelindung beban lebih pada bab proteksi motor. Angka contoh adalah ilustrasi. Bab ini bahan belajar, bukan instruksi kerja: motor dan kapasitor diperiksa personel kompeten pada rangkaian yang sudah diisolasi, diverifikasi bebas tegangan, dan diluahkan.

Mengapa satu fasa tidak menghasilkan torsi awal

Belitan stator tunggal berarus bolak-balik menghasilkan medan yang arahnya tetap di ruang tetapi besarnya berdenyut. Medan ini dapat diuraikan menjadi dua medan berputar berlawanan arah, masing-masing setengah amplitudonya:

$$F(\theta, t) = F_\text{m}\cos\omega t\,\cos\theta = \tfrac{1}{2}F_\text{m}\cos(\theta - \omega t) + \tfrac{1}{2}F_\text{m}\cos(\theta + \omega t)$$

dengan $F$ gaya gerak magnet di sudut ruang $\theta$ dan waktu $t$, dan $\omega = 2\pi f$. Buku ajar sistem kontrol di korpus memakai teori medan putar ganda ini dan menyimpulkan bahwa motor hanya berdengung bila rotor diam; penjelasan buku ajar instalasi motor, yaitu fluks stator dan fluks rotor yang saling menghapus, keliru. Pada rotor diam, kedua medan menghasilkan torsi yang sama besar dan berlawanan, sehingga torsi netto nol walaupun arus asut mengalir penuh, sama seperti motor tiga fasa yang diam dan kehilangan satu fasa. Bila rotor sudah berputar, slip terhadap medan searah kecil dan slip terhadap medan berlawanan mendekati 2; torsi medan searah menang dan motor terus berputar ke arah mana pun ia didorong. Karena itu motor yang belitan bantunya putus dapat berputar bila porosnya didorong, cara yang tidak boleh dicoba.

Medan berlawanan tetap ada selama motor berputar, sehingga torsinya berdenyut pada 100 Hz dan rugi rotornya bertambah: motor satu fasa lebih berdengung dan bergetar, serta efisiensi dan faktor dayanya umumnya lebih rendah daripada motor tiga fasa sebanding. Kecepatan sinkron tetap $n_\text{s} = 120f/p$ seperti pada Bab 52, dan rotor berputar sedikit di bawahnya dengan slip.

Membentuk medan putar dari dua belitan

Medan putar dapat dibentuk dari dua belitan bersumbu bergeser 90° listrik yang arusnya juga bergeser fase. Belitan utama (main atau run winding) dirancang untuk kerja terus-menerus, sedangkan belitan bantu (auxiliary atau start winding) diberi beda fase dengan resistansi, kapasitor, atau keduanya. Buku ajar instalasi motor di korpus menyebutnya bekerja seolah-olah motor dua fasa. Torsi asutnya sebanding dengan hasil kali kedua arus dan sinus sudut di antaranya:

$$T_\text{asut} = k\,I_\text{m}\,I_\text{a}\,\sin\alpha$$

dengan $I_\text{m}$ dan $I_\text{a}$ arus efektif belitan utama dan belitan bantu saat rotor diam (A), $\alpha$ sudut fase arus bantu terhadap arus utama, dan $k$ tetapan motor yang memuat jumlah lilitan dan geometri. Rumus ini berlaku untuk rotor diam dengan kedua belitan bersumbu tegak lurus; karena $k$ tidak diketahui, rumus dipakai untuk membandingkan keadaan pada motor yang sama. Pada $\alpha = 0$ torsi nol, dan untuk arus tertentu torsi maksimum pada $\alpha = 90°$. Tanda $\alpha$ menentukan arah: medan berputar dari sumbu belitan yang arusnya mendahului ke sumbu belitan yang arusnya tertinggal.

Arus belitan utama tertinggal beberapa puluh derajat terhadap tegangan. Belitan bantu berkawat kecil yang resistansinya tinggi membuat arusnya lebih sefase dengan tegangan, tetapi selisihnya hanya sekitar 25–30° (keyakinan sedang, nilai buku teks mesin listrik). Kapasitor seri membuat arus bantu mendahului tegangan, sehingga selisihnya dapat mendekati 90°. Buku ajar instalasi motor keliru menulis "mendekati 90°" juga untuk motor fasa belah.

Jenis motor menurut cara membentuk beda fase

Fasa belah (split-phase, resistansi asut). Belitan bantu berkawat kecil disambung paralel dengan belitan utama melalui pemutus yang melepasnya ketika motor mendekati kecepatan kerja. Torsi asutnya sedang dan arus asutnya besar. Pemutus yang gagal membuka membakar belitan bantu, yang hanya tahan dialiri arus beberapa detik. Pada kompresor lemari es kecil jenis ini disebut RSIR (resistance start induction run) dan memakai relai.

Kapasitor asut (capacitor-start). Kapasitor asut disambung seri dengan belitan bantu dan pemutusnya, sehingga $\alpha$ mendekati 90° dan torsi asut jauh lebih besar untuk arus asut yang lebih kecil. Setelah pemutus membuka, hanya belitan utama yang bekerja. Buku ajar sistem kontrol di korpus menyebut rentang 120–750 W; pompa air, kompresor udara kecil, dan mesin bengkel memakainya. Pada kompresor jenis ini disebut CSIR (capacitor start induction run).

Kapasitor asut-kapasitor jalan (capacitor-start capacitor-run). Kapasitor jalan yang kecil tetap tersambung seri dengan belitan bantu, dan kapasitor asut yang besar diparalelkan dengannya melalui pemutus selama asut. Torsi asutnya besar dan kerjanya lebih halus dan efisien; jenis ini dipakai pada pompa dan kompresor yang lebih besar, dan pada kompresor disebut CSCR (capacitor start capacitor run).

Kapasitor permanen (permanent split capacitor, PSC). Hanya ada kapasitor jalan yang selalu tersambung, tanpa pemutus. Kapasitansinya dipilih untuk kerja, sehingga torsi asutnya rendah, tetapi tanpa kontak yang aus. Kipas dan kompresor pendingin udara jenis split umumnya PSC. Varian RSCR (resistance start capacitor run) menambahkan PTC untuk asut.

Kutub bayangan (shaded pole). Sekitar sepertiga tiap kutub stator dilingkari cincin tembaga hubung singkat. Arus induksi di cincin memperlambat fluks bagian kutub itu, sehingga medan bergeser dari bagian tanpa cincin ke bagian bercincin. Torsi dan efisiensinya kecil, dan arahnya ditentukan letak cincin sehingga tidak dapat dibalik secara listrik. Motor ini dipakai pada kipas dan pompa kecil.

Kolom pemutus dan kapasitor untuk kompresor mengikuti matriks asut pada salindia kelistrikan mesin pendingin di korpus, sedangkan sakelar sentrifugal dari buku ajar instalasi motor; kolom torsi adalah rangkuman kualitatif editor.

Pemutus belitan bantu: sakelar sentrifugal dan relai starter

Sakelar sentrifugal. Pemberat pada poros terlempar keluar ketika kecepatan naik dan mendorong kontak diam agar membuka. Buku ajar instalasi motor dan buku ajar sistem kontrol di korpus menyebut titik buka sekitar 75 % kecepatan; saat motor melambat di bawah titik itu, kontak menutup lagi. Kontak yang aus, kotor, atau pegasnya patah sehingga tetap terbuka membuat motor berdengung tanpa berputar, sama seperti kapasitor asut yang rusak. Kontak yang melebur atau macet tertutup membiarkan belitan bantu dan kapasitor asut bekerja terus: arus jalan di atas pelat nama, kapasitor asut panas dan menggembung, lalu belitan bantu terbakar.

Relai arus. Kumparan berlilitan sedikit disambung seri dengan belitan utama, dan kontak normalnya terbuka disambung seri dengan belitan bantu atau kapasitor asut. Arus rotor terkunci menarik kontak menutup; ketika motor mendekati kecepatan kerja, arus utama turun dan kontak terlepas. Relai dipilih menurut arus motor: yang terlalu besar tidak menutup, yang terlalu kecil tidak terlepas; banyak jenisnya harus dipasang tegak.

Relai potensial. Kumparan bertegangan tinggi disambung sejajar dengan belitan bantu, dan kontak normalnya tertutup disambung seri dengan kapasitor asut; pada gambar salindia korpus kumparannya di terminal 2-5 dan kontaknya di 1-2. Saat motor berakselerasi, tegangan yang diinduksi rotor pada belitan bantu naik, dapat melampaui tegangan suplai, lalu menarik kontak membuka. Relai ini dipakai pada motor CSCR dan dipilih menurut tegangan tarik dan lepasnya. Menurut salindia korpus, motor CSIR dan CSCR melepas kapasitor asut dalam sekitar 1–3 detik.

PTC. Termistor koefisien suhu positif (positive temperature coefficient, PTC) disambung seri dengan belitan bantu. Arus asut memanaskannya sampai resistansinya naik tajam dan belitan bantu praktis terlepas. PTC harus dingin sebelum asut ulang, sehingga motor yang dimatikan lalu segera dinyalakan berdengung sampai pelindung beban lebih memutus.

Terminal C-R-S dan cara mengidentifikasinya

Motor tiga ujung, termasuk kompresor hermetis, memiliki terminal bersama C (common), terminal belitan utama R (run), dan terminal belitan bantu S (start). Karena belitan utama dan belitan bantu bertemu di C, resistansi antara R dan S adalah jumlah kedua belitan:

$$R_\text{RS} = R_\text{RC} + R_\text{SC}, \qquad R_\text{RS} > R_\text{SC} > R_\text{RC}$$

Aturan ini tertulis pada salindia korpus, dengan gambar berangka ilustrasi 10, 50, dan 60 Ω yang memenuhi penjumlahan itu. Cara bacanya: terminal yang tidak ikut dalam pasangan terbesar adalah C; dari C, terminal dengan resistansi terkecil adalah R dan yang lebih besar adalah S. Resistansi kabel uji dikurangkan karena belitan motor kecil hanya beberapa sampai puluhan ohm (bab multimeter digital).

Empat pengecualian sering menjebak. Pertama, banyak kompresor berpelindung termal internal di jalur C; bila terbuka karena panas, C terbaca putus terhadap R maupun S, sedangkan R-S tetap terbaca jumlah kedua belitan, sehingga kompresor didinginkan dulu sebelum dinyatakan rusak. Kedua, pada motor PSC belitan kembar R-C dan S-C hampir sama, sehingga aturan besar-kecil tidak berlaku. Ketiga, pada motor fasa belah dan motor kapasitor asut bersakelar sentrifugal, jalur S melewati sakelar; S yang terbaca putus dapat berarti belitan bantu atau kontak sakelar, sehingga keduanya diukur terpisah. Pada motor kapasitor asut-jalan, sakelar hanya memutus kapasitor asut dan diukur di terminalnya sendiri. Keempat, kapasitor dan pemutus dilepas dari terminal sebelum mengukur agar jalur paralel tidak mengubah pembacaan.

Resistansi dipakai untuk identifikasi dan menemukan belitan putus atau terhubung pendek, bukan untuk menilai isolasi atau hubung pendek beberapa lilit. Kotak terminal berpenandaan mengikuti IEC 60034-8: belitan utama U1-U2 dan belitan bantu Z1-Z2.

Kapasitor motor: rating, jenis, dan uji

Membaca label

IEC 60252-1:2010+AMD1:2013 (Ed. 2.1) mengatur kapasitor motor asinkron satu fasa sampai 660 V, dan IEC 60252-2:2010 dengan Amendemen 1:2013 mengatur kapasitor asut. Label kapasitor jalan memuat kapasitansi dan toleransinya, tegangan pengenal AC, frekuensi, kelas operasi (umur harapan), kategori iklim, dan kelas proteksi keselamatan. Satu lembar data yang dicek editor menulis kapasitor yang sama sebagai kelas A 30.000 jam pada 400 V dan kelas B 10.000 jam pada 450 V, toleransi ±5 %, dan tegangan kerja maksimum 1,1 kali tegangan pengenal. Kelas proteksi keselamatan menurut amendemen IEC 60252-1: S0 tanpa proteksi kegagalan khusus; S1 dapat gagal terbuka atau terhubung pendek dan terlindung terhadap bahaya kebakaran atau kejut; S2 dirancang gagal terbuka saja dengan perlindungan yang sama; S3 berfilm bersegmen.

Kapasitor asut dan kapasitor jalan tidak dapat dipertukarkan

Kapasitor jalan umumnya kapasitor film polipropilena bermetal yang swapulih, dirancang dialiri arus terus-menerus, dengan kapasitansi beberapa sampai puluhan mikrofarad. Kapasitor asut umumnya elektrolit nonpolar, puluhan sampai ratusan mikrofarad, dan hanya tahan dialiri arus sebentar. Satu lembar data kapasitor asut yang dicek editor memberi siklus tugas 1,67 %, sekitar 20 kali asut masing-masing 3 detik per jam, dengan toleransi ±10 % atau −0/+25 %. Salindia korpus menyebut kapasitor motor PSC unit pendingin split "kapasitor start", padahal itu kapasitor jalan.

Tegangan kapasitor dan kapasitansi pengganti

Tegangan kapasitor seri adalah $V_\text{C} = I_\text{a}X_\text{C}$. Karena reaktansi belitan dan kapasitor sebagian saling meniadakan, $V_\text{C}$ dapat melampaui tegangan suplai, seperti rangkaian seri RLC pada bab reaktansi dan impedansi, dan saat motor berjalan tegangan induksi rotor pada belitan bantu ikut menaikkannya (keyakinan sedang; besarnya bergantung desain). Karena itu kapasitor jalan motor 230 V bertegangan pengenal jauh di atas 230 V (satu lembar data yang dicek editor memberi 400 V dan 450 V), dan pengganti tidak boleh bertegangan pengenal lebih rendah dari aslinya; suplai 230 V sendiri dapat naik 10 % menurut IEC 60038.

Kapasitansi pengganti sama dengan aslinya, dalam toleransi. Kapasitor jalan yang lebih besar memanaskan belitan bantu selama motor berjalan; kapasitor asut yang lebih besar menaikkan arus dan panas asut untuk tambahan torsi kecil, seperti dihitung pada contoh kerja. Dua kapasitor jalan boleh diparalelkan untuk mencapai nilai yang sama, misalnya 10 µF dan 2 µF untuk 12 µF, bila keduanya kapasitor jalan dan masing-masing bertegangan pengenal tidak kurang dari aslinya.

Menguji kapasitor

Kapasitor yang menggembung, retak, bocor, atau berbau hangus sudah gagal dan tidak diuji lebih lanjut. Kapasitor yang tampak utuh dilepas setelah diluahkan, lalu kapasitansinya diukur dan dibandingkan dengan labelnya; kapasitor 12 µF ±5 % lulus bila terbaca 11,4–12,6 µF. Uji ini memakai tegangan rendah, sehingga kapasitor yang lulus masih dapat gagal pada tegangan kerja atau saat panas.

Energi tersimpan dan peluahan

Energi kapasitor bermuatan adalah

$$W = \tfrac{1}{2}CU^2$$

dengan $C$ dalam farad, $U$ tegangan saat kapasitor terlepas dalam volt, dan $W$ dalam joule. Kapasitor asut umumnya terlepas saat arusnya melewati nol, yaitu saat tegangannya di puncak. Tegangan kapasitor seri dapat melampaui tegangan suplai, sehingga batas atas yang aman untuk hitungan adalah puncak tegangan pengenalnya, $\sqrt{2} \times 330 \approx 467$ V untuk kapasitor 330 V AC. Peluahan melalui resistor mengikuti $u(t) = U_0\,e^{-t/(RC)}$, seperti pada bab perbaikan faktor daya.

Kapasitor jalan yang tetap tersambung meluah melalui kedua belitan selama sambungan dan belitannya utuh. Kapasitor asut yang dilepas sakelar atau relai saat motor berjalan dapat tertinggal bermuatan, sehingga banyak yang diberi resistor peluah. Kapasitor yang dilepas dari motor, pada belitan putus, atau dengan resistor peluah putus dapat menyimpan muatan lama. PUIL 2020 Bagian 4-41 Lampiran A.2.5 meminta label peringatan untuk peralatan penyimpan muatan berbahaya di balik selungkup; catatannya menganggap sentuhan tidak sengaja tidak berbahaya bila tegangan turun di bawah 120 V arus searah dalam kurang dari 5 s. Mengikuti Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan, kapasitor dianggap bermuatan sampai tegangannya terukur mendekati nol dengan alat yang diverifikasi, dan diluahkan dengan alat peluah bertahanan berprobe berisolasi, bukan dihubung singkat dengan obeng.

Membalik arah putar

Menukar kedua ujung belitan bantu terhadap belitan utama membalik tanda $\alpha$ dan membalik arah. IEC 60034-8 memberi putaran searah jarum jam, dilihat menghadap ujung poros (sisi D), bila Z1 disambung ke U1 dan Z2 ke U2, dan sebaliknya bila Z1 ke U2 dan Z2 ke U1 (keyakinan sedang untuk edisi berlaku; kalimat ini dicek pada teks edisi 2002). Buku ajar merakit listrik dan kontrol motor serta buku ajar instalasi motor di korpus menulis cara yang sama, yaitu membalik arus belitan bantu. Menukar fasa dan netral di steker tidak membalik arah, karena kedua arus berbalik bersamaan dan beda fasenya tetap.

Motor bersakelar sentrifugal hanya berbalik dari keadaan diam atau di bawah titik tutup sakelar, karena saat berjalan belitan bantunya terlepas. Kompresor hermetis tidak dirancang untuk dibalik. Motor PSC belitan kembar dibalik dengan memindahkan kapasitor ke belitan lain dan dipakai pada peralatan yang sering berganti arah, misalnya sebagian mesin cuci kecil dan penggerak pintu gulung. Kedua kontak arahnya tidak boleh menutup bersamaan, karena kapasitor akan terhubung singkat melalui kedua kontak; interlock dan jeda antararah diperlukan, seperti prinsip pada Bab 52 yang dibahas lebih lanjut pada bab logika kendali dasar.

Gambar rangkaian daya lembar praktikum motor satu fasa dua arah di korpus hanya memuat satu kontaktor dan motor dua terminal, tanpa interlock, padahal rangkaian pembalik membutuhkan empat ujung belitan di terminal dan dua kontaktor arah ber-interlock.

Ketentuan PUIL 2020 untuk sirkit motor satu fasa

PUIL 2020 Bagian 5-510, 5100.5, berlaku juga untuk motor satu fasa. Proteksi beban lebih melindungi motor dari panas berlebih akibat beban lebih atau akibat motor tidak dapat diasut (5100.5.4.1), yaitu keadaan motor yang berdengung; 5100.5.4.2.2 mewajibkannya untuk motor tiga fasa dan motor 1 daya kuda atau lebih yang terpasang tetap dan bekerja tanpa pengawasan. Untuk motor satu fasa dengan satu konduktor dibumikan, Tabel 5100.5.1 meminta satu unsur pengindera pada konduktor yang tidak dibumikan, dan 5100.5.7.3.1 meminta kendali motor AC mampu memutus arus motor yang macet.

Klausul 5100.5.4.8 melarang gawai proteksi beban lebih yang menyambung ulang otomatis kecuali diizinkan untuk motor itu, dan melarang motor yang dapat berjalan ulang otomatis bila hal itu dapat menimbulkan kecelakaan. Pelindung termal motor kecil umumnya menyambung ulang sendiri setelah dingin, sehingga motor dapat tiba-tiba berputar. Sarana pemutus motor memutus semua konduktor suplai yang tidak dibumikan tanpa kutub yang dapat dioperasikan sendiri (5100.5.8.3.1), dan badan motor stasioner yang bekerja di atas 50 V ke bumi dibumikan atau berisolasi ganda (5100.5.10.2).

Contoh kerja: pompa satu fasa yang berdengung tanpa berputar

Data (ilustrasi). Pompa pendorong air bersih laundry digerakkan motor satu fasa 230 V, 50 Hz, 0,75 kW, jenis kapasitor asut-kapasitor jalan dengan sakelar sentrifugal. Pelat nama: arus 5,2 A. Kapasitor asut berlabel 145–175 µF, 330 V AC; kapasitor jalan 12 µF ±5 %, 450 V AC. Label kabel belitan hilang; teknisi menandai ketiga ujungnya 1, 2, dan 3. Gejala: dengung, poros diam, pelindung termal memutus setelah sekitar 10 detik dan menyambung lagi setelah dingin; MCB tidak trip.

Langkah 1: bukti bertegangan, lalu isolasi. Satu percobaan asut, dengan suplai diputus dalam beberapa detik, diukur oleh personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD, dengan cara pada bab tang ampere dan bab keselamatan alat ukur. Tegangan terminal saat asut 221 V dan arus sekitar 25 A, hampir lima kali arus pelat nama. Tegangan cukup, dan arus sebesar itu adalah arus rotor terkunci. Pompa lalu diisolasi, dikunci, dan diverifikasi bebas tegangan; kedua kapasitor diukur tegangan searahnya, diluahkan, dan diukur ulang.

Langkah 2: pisahkan penyebab mekanis. Poros yang diputar tangan dalam keadaan terisolasi terasa bebas, sehingga pompa macet bukan dugaan utama.

Langkah 3: identifikasi C-R-S. Setelah kapasitor dan kabel dilepas dari terminal, resistansi pada suhu ruang (kabel uji sudah dikurangkan) terbaca 1–2 = 3,1 Ω, 2–3 = 11,4 Ω, dan 1–3 = 14,5 Ω. Pasangan terbesar 1–3, sehingga C adalah ujung 2. Dari C, ujung 1 terbaca 3,1 Ω (belitan utama, R) dan ujung 3 terbaca 11,4 Ω (belitan bantu, S). Pemeriksaan: $3{,}1 + 11{,}4 = 14{,}5$ Ω, cocok. Pada motor kapasitor asut-jalan, sakelar sentrifugal berada di cabang kapasitor asut, bukan seri dengan belitan bantu, sehingga pembacaan S yang utuh tidak membuktikan keadaan sakelar. Kontak sakelar diukur tersendiri dengan rotor diam dan harus terbaca tersambung; kontak terbuka memberi gejala baris jalur asut terbuka pada Langkah 5. Uji isolasi belitan ke rangka mengikuti bab uji resistansi isolasi.

Langkah 4: uji kapasitor. Kedua kapasitor tampak utuh. Kapasitor jalan terbaca 11,8 µF, di dalam 11,4–12,6 µF. Kapasitor asut terbaca 41 µF, sekitar 28 % dari batas bawah labelnya, sehingga gagal. Kontak sakelar terbaca tersambung pada Langkah 3, sehingga penyebab yang tersisa adalah kapasitor asut.

Langkah 5: cocokkan dengan fisika asut. Impedansi setara rotor terkunci diandaikan $Z_\text{m} = 4{,}8 + j6{,}4$ Ω untuk belitan utama dan $Z_\text{a} = 14{,}0 + j7{,}0$ Ω untuk belitan bantu tanpa kapasitor; reaktansi kapasitor $X_\text{C} = 1/(2\pi f C)$ dikurangkan dari reaktansi belitan bantu:

$$I_\text{m} = \frac{230}{4{,}8 + j6{,}4} = 28{,}75\ \text{A}\ \angle -53{,}1°, \qquad I_\text{a} = \frac{230}{14{,}0 + j(7{,}0 - X_\text{C})}$$

Kapasitor sehat membuat arus bantu mendahului sekitar 90°. Kapasitor 41 µF membuat $\alpha$ melewati 90° dan arus bantu kecil, sehingga torsi asut tinggal sekitar seperempatnya; pada data ilustrasi ini, gesekan perapat pompa saat diam cukup untuk menahannya. Arus saluran model pada keadaan itu 26,4 A pada 230 V, atau sekitar 25 A pada 221 V, cocok dengan pengukuran Langkah 1.

Langkah 6: memilih kapasitor asut pengganti. Kapasitansi dipilih dalam rentang label, 145–175 µF. Tegangan kapasitor asut sehat menurut model $12{,}69 \times 18{,}51 \approx 235$ V pada suplai 230 V dan sekitar $235 \times 253/230 \approx 258$ V pada suplai 253 V. Angka ini hanya keadaan rotor terkunci; selama akselerasi tegangan induksi rotor pada belitan bantu menaikkan tegangan kapasitor sampai sakelar membuka, sehingga model ini bukan batas atas. Karena itu tegangan pengenal pengganti mengikuti label asli, 330 V AC atau lebih, dan kapasitor 250 V dari teknisi pertama ditolak walaupun model rotor terkunci memberinya kurang dari 250 V. Dengan 262 µF total, model memberi torsi 1,16 kali, tetapi arus bantu 15,4 A, panas belitan bantu $(15{,}42/12{,}69)^2 \approx 1{,}48$ kali, dan arus saluran naik dari 30,9 A ke 36,3 A.

Langkah 7: energi untuk kondisi berhenti. Kapasitor asut 175 µF (batas atas label) yang terlepas pada puncak tegangan pengenalnya, 467 V, menyimpan

$$W = \tfrac{1}{2} \times 175 \times 10^{-6} \times 467^2 \approx 19{,}1\ \text{J}$$

Dengan resistor peluah ilustrasi 15 kΩ, $\tau = RC = 2{,}63$ s, sehingga tegangan turun ke 120 V setelah $2{,}63 \ln(467/120) \approx 3{,}6$ s dan ke 50 V setelah sekitar 5,9 s. Resistor 150 kΩ masih memenuhi syarat 50 V dalam 60 s pada lembar data yang dicek editor ($\tau = 26{,}25$ s, 50 V setelah 58,6 s), tetapi setelah 5 s tegangannya masih sekitar 386 V. Kapasitor lama pada pembuka bab tidak memiliki resistor peluah, sehingga muatannya bertahan sampai diluahkan dengan alat peluah, misalnya 20 kΩ yang membawanya ke bawah 10 V dalam sekitar $3{,}5 \ln(467/10) \approx 13{,}5$ s, lalu dibuktikan dengan pengukuran.

Contoh kerja lapangan

Contoh di bawah memakai rumus dan aturan bab ini; angka keadaan adalah angka latihan, dan hitungannya dicatat di peta sumber pengembangan. Kapasitor diukur setelah rangkaian diisolasi, diverifikasi bebas tegangan, dan kapasitornya diluahkan; pengukuran arus pada unit bertegangan dilakukan personel kompeten dengan alat berkategori ukur sesuai dan APD.

Contoh 1: kapasitor jalan kipas kondensor unit AC kamar hotel. Kipas PSC berkapasitor jalan 4 µF ±5 %, 450 V AC berputar lambat. Kapasitor yang tampak utuh terbaca 3,5 µF (angka latihan).

$$4 \times 0{,}95 = 3{,}8\ \mu\text{F}, \qquad 4 \times 1{,}05 = 4{,}2\ \mu\text{F}$$

Bacaan 3,5 µF di bawah batas bawah, sehingga kapasitor diganti dengan 4 µF bertegangan pengenal sekurang-kurangnya 450 V AC. Bila nilai itu tidak tersedia, kapasitor jalan 3 µF dan 1 µF, masing-masing 450 V AC, boleh diparalelkan.

Contoh 2: mengapa kapasitor jalan kompresor bertegangan 450 V. Kompresor PSC di unit AC sebuah rumah sakit memakai kapasitor jalan 30 µF, 450 V AC. Saat kompresor berjalan, tang ampere pada kabel belitan bantu membaca 3,8 A (angka latihan).

$$X_\text{C} = \frac{1}{2\pi \times 50 \times 30 \times 10^{-6}} = 106\ \Omega, \qquad V_\text{C} = 3{,}8 \times 106 = 403\ \text{V}$$

Tegangan kapasitor 1,75 kali tegangan suplai, dan pada suplai 10 % lebih tinggi sekitar 444 V. Kapasitor pengganti 370 V AC atau 250 V AC karena itu ditolak walaupun kapasitansinya sama.

Contoh 3: kapasitor asut pompa hotel yang sering panas. Pompa pendorong air bersih sebuah hotel bermotor kapasitor asut mengasut 45 kali per jam, masing-masing sekitar 2 detik (angka latihan). Lembar data kapasitor asut yang dikutip bab ini memberi siklus tugas 1,67 %, sekitar 20 kali asut 3 detik per jam.

$$\frac{45 \times 2}{3\,600} \times 100\ \% = 2{,}5\ \%$$

Siklus tugas 1,5 kali batas lembar data, jadi kapasitor yang lebih besar bukan jawabannya. Penyebab asut yang terlalu sering dicari pada pompa dan pengendalinya. Kapasitor asut panas juga dapat berarti pemutus asut macet tertutup (kondisi berhenti butir 5), sehingga keduanya diperiksa.

Contoh 4: energi kapasitor jalan yang sudah dilepas. Kapasitor 30 µF, 450 V AC pada Contoh 2 dilepas dari unit untuk diuji. Batas atas hitungan adalah puncak tegangan pengenalnya, dan alat peluah 20 kΩ dipakai:

$$U = \sqrt{2} \times 450 = 636\ \text{V}, \qquad W = \tfrac{1}{2} \times 30 \times 10^{-6} \times 636^2 = 6{,}1\ \text{J}, \qquad \tau = 20\,000 \times 30 \times 10^{-6} = 0{,}6\ \text{s}$$

Tegangan turun ke 120 V setelah $0{,}6 \ln(636/120) = 1{,}0$ s dan ke 10 V setelah $0{,}6 \ln(636/10) = 2{,}5$ s. Kapasitor baru dipegang setelah tegangannya terukur mendekati nol dengan alat yang diverifikasi.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan bila salah satu keadaan berikut ditemukan:

1. Kapasitor belum diukur tegangan searahnya dengan alat yang diverifikasi dan belum diluahkan dengan alat peluah. Kapasitor yang sudah dilepas dari motor tetap dianggap bermuatan.
2. Kapasitor menggembung, retak, bocor, atau berbau hangus. Unit itu tidak disentuh sebelum diluahkan, tidak diuji bertegangan, dan tidak dipasang lagi.
3. Motor berdengung tanpa berputar. Suplai dimatikan dalam beberapa detik, bukan dibiarkan sampai pelindung termal bekerja berulang, dan poros tidak didorong untuk "membantu" asut.
4. Motor berhenti karena pelindung termal. Motor dapat berjalan sendiri setelah dingin, sehingga diisolasi dan dikunci sebelum tangan mendekati kipas, kopling, atau impeler.
5. Kapasitor asut panas atau arus jalan di atas pelat nama. Pemutus asut dicurigai macet tertutup, dan motor tidak dijalankan sampai diperiksa.
6. Terminal kompresor hermetis berminyak, hangus, atau retak. Kompresor tidak dienergikan dengan terminal rusak atau tutup terminal terbuka.
7. Pengganti kapasitor bertegangan pengenal lebih rendah atau berkapasitansi di luar rentang aslinya, atau ada usul menjembatani pelindung termal atau pemutus asut.

Salah tafsir yang sering terjadi

"Kapasitor jalan dipasang paralel dengan belitan, dan muatannya mendorong motor." Salindia kelistrikan mesin pendingin menulis keduanya, dan satu paragraf buku ajar sistem kontrol menulis yang pertama. Kapasitor seri dengan belitan bantu, dan rangkaian seri itu yang paralel dengan belitan utama; kapasitor menggeser fase arus belitan bantu, sedangkan energi asut datang dari suplai.

"Kapasitor yang lebih besar membuat motor lebih kuat, dan 250 V cukup untuk suplai 230 V." Tambahan kapasitansi memberi sedikit torsi dan banyak panas, dan tegangan kapasitor seri dapat melampaui tegangan suplai. Pengganti mengikuti kapasitansi dan tegangan pengenal aslinya.

"Motor kutub bayangan ada yang tiga fasa." Buku ajar sistem kontrol menulis demikian. Motor kutub bayangan adalah motor satu fasa; motor tiga fasa tidak memerlukan cincin bayangan.

Hubungan dengan bab lain

Prasyaratnya: bab reaktansi dan impedansi, bab perbaikan faktor daya, bab magnet dan induksi, bab motor induksi tiga fasa, Bab 52 untuk pelat nama dan interlock arah, bab-bab pengukuran, serta Bab 1 · Keselamatan dan Bab 2 · Keselamatan untuk energi tersimpan dan verifikasi keadaan aman. Lanjutannya: bab memilih motor untuk beban, bab kerusakan dan uji motor, bab proteksi motor, bab logika kendali dasar, dan bab diagnosis kendali motor.

Latihan dan pembahasan

Angka dalam soal adalah data latihan.

1. Tiga ujung motor pompa bertanda X, Y, dan Z. Terbaca X–Y 6,9 Ω, Y–Z 2,4 Ω, dan X–Z 4,5 Ω. Tentukan terminal C, R, dan S, lalu periksa konsistensinya.
2. Kompresor yang tidak mau jalan terbaca R–S 5,8 Ω, sedangkan C–R dan C–S putus, dan rumahnya panas. Apa tafsiran paling mungkin, dan mengapa vonis rusak belitan keliru?
3. Kapasitor jalan berlabel 25 µF ±5 %, 450 V AC terbaca 22,9 µF. Apakah masih layak? Pilih pengganti terbaik dari (a) 25 µF 370 V AC, (b) 30 µF 450 V AC, (c) 25 µF 450 V AC, (d) kapasitor jalan 20 µF 450 V AC paralel dengan 5 µF 450 V AC, beserta alasannya.
4. Pada rotor diam, arus belitan utama sebuah motor 20 A tertinggal 60° dari tegangan. Dengan belitan bantu resistansi tinggi, arus bantu 12 A tertinggal 30°. Pada desain kapasitor asut, arus bantu 10 A mendahului 30°. Hitung perbandingan torsi asut kedua desain.
5. Kapasitor asut 250 µF, 330 V AC pada motor 230 V memiliki resistor peluah 100 kΩ. Hitung energi terbesar yang dapat disimpan, waktu sampai 50 V, tegangan setelah 5 s, dan apakah kriteria catatan PUIL 2020 Bagian 4-41 Lampiran A.2.5 terpenuhi.
6. Seorang teknisi membalik sakelar pembalik motor kapasitor asut bersakelar sentrifugal pada penggulung kecil saat motor berputar penuh; rekannya mengusulkan menukar fasa dan netral di steker. Jelaskan akibat kedua cara dan pembalikan yang benar.

Kunci jawaban beralasan

1. Pasangan terbesar X–Y (6,9 Ω), sehingga terminal bersama C adalah Z. Dari Z, Y terbaca 2,4 Ω (belitan utama, R) dan X terbaca 4,5 Ω (belitan bantu, S). Pemeriksaan: $2{,}4 + 4{,}5 = 6{,}9$ Ω, sama dengan R–S, jadi pembacaannya konsisten.
2. R–S yang terbaca jumlah kedua belitan menunjukkan kedua belitan utuh. C yang putus terhadap keduanya dengan rumah panas paling mungkin berarti pelindung termal internal di jalur C sedang terbuka. Kompresor didinginkan lalu diukur lagi; vonis rusak belitan tanpa menunggu mengabaikan pelindung itu, dan penyebab panasnya tetap dicari.
3. Batas toleransi 23,75–26,25 µF; 22,9 µF di bawahnya, jadi kapasitor diganti. (a) Ditolak: tegangan pengenal di bawah 450 V aslinya. (b) Ditolak: kapasitansi 20 % lebih besar menaikkan arus dan panas belitan bantu selama berjalan. (c) Terbaik: kapasitansi dan tegangan sama. (d) Dapat diterima bila (c) tidak ada: paralel menjadi 25 µF, keduanya kapasitor jalan 450 V.
4. Desain resistansi $\alpha = 60° - 30° = 30°$; desain kapasitor $\alpha = 60° + 30° = 90°$. Torsi sebanding $I_\text{m}I_\text{a}\sin\alpha$: $20 \times 12 \times \sin 30° = 120$ dan $20 \times 10 \times \sin 90° = 200$. Desain kapasitor memberi $200/120 \approx 1{,}67$ kali torsi asut dengan arus bantu lebih kecil.
5. Batas atasnya puncak tegangan pengenal $\sqrt{2} \times 330 \approx 467$ V, jadi $W = \tfrac{1}{2} \times 250 \times 10^{-6} \times 467^2 \approx 27{,}2$ J. $\tau = 100\,000 \times 250 \times 10^{-6} = 25$ s; ke 50 V setelah $25 \ln(467/50) \approx 56$ s; setelah 5 s masih $467\,e^{-5/25} \approx 382$ V. Tegangan baru di bawah 120 V setelah sekitar 34 s, jauh di atas 5 s, sehingga kriteria A.2.5 tidak terpenuhi dan kapasitor diukur serta diluahkan sebelum ditangani.
6. Saat motor berputar penuh, belitan bantu sudah terlepas, sehingga penukaran ujungnya tidak berpengaruh sampai motor melambat di bawah titik tutup sakelar. Menukar fasa dan netral membalik kedua arus bersamaan, sehingga arah tidak berubah. Pembalikan yang benar menukar Z1 dan Z2 terhadap U1 dan U2 dari keadaan diam, dengan kontaktor atau sakelar pembalik ber-interlock dan jeda henti; untuk pembalikan sering dipilih motor PSC belitan kembar.

Referensi