BAB VII Generator Sinkron 7.1. Pendahuluan 7.1.1. Deskripsi Singkat Bab ini akan membahas generator sinkron, konstruksi generator sinkron, Bentuk penguatan, bentuk rotor, bentuk stator, dan model paralel generator sinkron
6.1.2. Relevansi Materi yang diberikan pada pokok bahasan ini penting bagi mahasiswa dalam memahami generator khusunya generator AC. Bab 7 ini erat kaitannya dengan pembahasan pada Bab 2 dan Bab 4 yang sudah dibahas sebelumnya. Dan juga memiliki keterkaitan dengan Bab 6 dan Bab 8. Pembahasan yang lebih detail mengenai generator AC akan diberikan pada mata kuliah tersendiri yakni mesinmesin listrik. 7.1.2. Kompetensi Dasar Menjelaskan prinsip kerja dan elemen-elemen dari generator sinkron
7.2. Penyajian 7.2.1. Konstruksi Generator Sinkron Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin. Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik. Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat
arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless excitation”.
7.2.2. Bentuk Penguatan Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau menggunakan magnet permanent (magnet tetap).
Gambar 7.1. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot Exciter”.
Gambar 7.2. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless Exciter System”. Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan Thyristor. Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring.
“Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.
7.2.3. Bentuk Rotor Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder gambar 7.3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 7.3b.
Gambar 7.3a. Bentuk Rotor kutub silinder.
Gambar 7.3b. Bentuk Rotor kutub menonjol. 7.2.4. Bentuk Stator Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik , seperti telah dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan tinggi.
Gambar 7.4. memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada dua tipe yaitu : a) Belitan satu lapis (Single Layer Winding). b) Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Gambar 7.4. Inti Stator dan Alur pada Stator
a) Bentuk Stator Satu Lapis Gambar 7.5. memperlihatkan belitan satu lapis, karena hanya ada satu sisi lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus GGL penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus GGL penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis өm dan sudut listrik өe, adalah :
e
P m ....................................................................................................(7.1) 2
Gambar 7.5. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa.
Gambar 7.6. Urutan fasa ABC.
Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 7.6. (searah jarum jam), urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemudian fasa C. Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif. Jadi ggl yang dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah: EA = EA ∟ 0° volt EB = EB ∟ -120° volt EC = EC ∟ -240° volt
b) Belitan Berlapis Ganda Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 5 hanya mempunyai satu lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara
seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar per fasa. Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7.7 memperlihatkan bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur biasanya disebut “ Winding Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.
Gambar 7.7. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa.
7.2.5. Faktor Distribusi Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, GGLl pada terminal menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Suatu faktor yang harus dikalikan dengan GGL dari sebuah kumparan distribusi untuk menghasilkan total GGL yang dibangkitkan disebut faktor distribusi Kd untuk
kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari satu (Kd < 1). Diasumsikan ada n alur per fasa per kutub, maka jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah :
180 derajat listrik ..............................................................................(7.2) m
dimana m menyatakan jumlah fasa.
Gambar 7.8. Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan. Perhatikan gambar 7.8, disini diperlihatkan GGL yang dinduksikan dalam alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar ψ =15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal 2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor. E = E1 + E2 + E3 + E4 Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari GGL lilitan oleh faktor. Kd
jumlah vektor E1 E 2 E3 E 4 ..............................................(7.3) jumlah aljabar 4 E lili tan
Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan:
1 sin n 2 .........................................................................................(7.4) Kd n sin 2 Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 7.9.
Gambar 7.9. Total GGL Et dari Tiga GGL Sinusoidal.
7.2.6. Faktor Kisar Gambar 7.10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan, bila sisi lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan bila diletakkan dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan 5/6 kisar kutub.
Gambar 7.10. Kisar Kumparan
Kisar : 5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat 1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat. Kisar pendek sering digunakan, karena mempunyai beberapa keuntungan, diantaranya: • Menghemat tembaga yang digunakan.
• Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan. • Kerugian arus pusar dan Hysterisis dapat dikurangi. Faktor Kisar ( Kp)
jumlah vektro ggl induksi lili tan ...........................(7.5) jumlah aljabar ggl induksi lili tan
EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 7.11).
Gambar 7.11. Vektor Tegangan Lilitan. Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan pada gambar 7.8b, maka tegangan resultannya adalah: E = 2 EL. Cos 30/2
Kp
2 EL cos 30 E 2 cos 15 ......................................................(7.6) 2 EL 2 EL
atau, Kp cos
30 P .....................................................................(7.7) cos sin 2 2 2
dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.
7.2.7. Gaya Gerak Listrik Kumparan Sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya tegangan masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
Apabila Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T T = Jumlah lilitan per fasa dφ = φP dan dt = 60/N detik maka GGL induksi rata-rata per penghantar: Er
d P NP volt.....................................................................(7.8) dt 60 N 60
sedangkan jika, f
PN 120
N
120 f P
atau,
Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi: Er
P 120 f 60
P
2 f (volt).....................................................................(7.9)
bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL rata-rata/fasa = 2 f Z Volt = 2 f 2T = 4 f T volt GGL efektif/fasa = 1.11 4 f T
= 4.44 f T volt
bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL efektif/fasa E 4,44 Kd Kp f T (volt)..............................................................(7.8)
7.2.8. Metode Paralel Generator Sinkron Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang
kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama. Keuntungan dari menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu jaringan listrik adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain, sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.
Cara Memparalel Generator Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk memparalel dua buah generator atau lebih ialah:
Polaritas dari generator harus sama dan tidak bertentangan setiap saat terhadap satu sama lainnya.
Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama.
Tegangan Generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang sama.
Frekuensi kedua generator atau frekuensi generator dengan jala-jala harus sama.
Urutan fasa dari kedua generator harus sama.
Ada beberapa cara untuk memparalelkan generator dengan mengacu pada syarat-syarat diatas, yaitu : a. Lampu Cahaya berputar dan Volt-meter b. Voltmeter, Frekuensi Meter, dan Synchroscope. c. Cara Otomatis
a) Lampu Cahaya Berputar dan Volt-meter Dengan rangkaian pada gambar 7.12, pilih lampu dengan tegangan kerja dua kali tegangan fasa-netral generator atau gunakan dua lampu yang dihubungkan secara seri. Dalam keadaan saklar S terbuka operasikan generator, kemudian lihat urutan nyala lampu. Urutan lampu akan berubah menurut urutan L1 - L2 - L3 - L1 - L2 - L3.
Gambar 7.12. Rangkaian Paralel Generator.
Perhatikan Gambar 7.13a, pada keadaan ini L1 paling terang, L2 terang, dan L3 redup. Perhatikan Gambar 7.13b, pada keadaan ini: • L2 paling terang • L1 terang • L3 terang Perhatikan gambar 7.13c, pada keadaan ini, • L1 dan L2 sama terang • L3 Gelap dan Voltmeter=0 V Pada saat kondisi ini maka generator dapat diparalelkan dengan jala-jala (generator lain).
b) Voltmeter, Frekuensi Meter dan Synchroscope Pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik, untuk indikator paralel generator banyak yang menggunakan alat Synchroscope, gambar 7.14. Penggunaan alat ini dilengkapi dengan Voltmeter untuk memonitor kesamaan tegangan dan Frekuensi meter untuk kesamaan frekuensi. Ketepatan sudut fasa dapat dilihat dari synchroscope. Bila jarum penunjuk berputar berlawanan arah jarum jam, berarti frekuensi generator lebih rendah dan bila searah jarum jam berarti frekuensi generator lebih tinggi. Pada saat jarum telah diam dan menunjuk pada kedudukan vertikal, berarti beda fasa generator dan jala-jala telah 0
(Nol) dan selisih frekuensi telah 0 (Nol), maka pada kondisi ini saklar dimasukkan (ON). Alat synchroscope tidak bisa menunjukkan urutan fasa jala-jala, sehingga untuk memparalelkan perlu dipakai indikator urutan fasa jala-jala.
Gambar 7.13 a,b dan c. Rangkaian Lampu Berputar.
c) Paralel Otomatis Paralel generator secara otomatis biasanya menggunakan alat yang secara otomatis memonitor perbedaan fasa, tegangan, frekuensi, dan urutan fasa. Apabila semua kondisi telah tercapai alat memberi suatu sinyal bahwa saklar untuk paralel dapat dimasukkan.
Gambar 7.14. Synchroscope.
7.2.9. Rangkuman
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin.
Untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC.
Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
7.3. Penutup Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan halhal yang paling mendasar dalam genertaor sinkron. Pokok bahasan ini juga sangat erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point penting dalam pokok bahasan ini. Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang diberikan pada Bab 7, berikut ini latihan soal untuk dikerjakan.
7.3.2. Latihan Selesaikanlah soal-soal berikut, kemudian cocokanlah jawaban Anda dengan kunci jawaban yang tersedia. 1. Jelaskan tipe sistem penguatan “solid state”! 2. Apa keuntungan dari kumparan distribusi! 3. Sebuah generator Sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut mekanis bila sudut listtrik ditunjukkan dengan 180 derajat listrik.
7.3.3. Kunci Jawaban 1. Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu: Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring. “Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.
2. Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan. 3. Hubunga sudut listrik dan sudut mekanik diberikan dalam persamaan:
e
P m 2
e
P m atau m 2 e = 2 P
2
180 30 12
Daftar Pustaka 1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995 2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I 3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II Senarai
Single Layer Winding : Belitan satu lapis
Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda
Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur.
BAB VIII MOTOR LISTRIK 8.1. Pendahuluan 8.1.1. Deskripsi Singkat Bab ini akan membahas prinsip dasar dari motor listrik, motor listrik arus searah, motor listrik arus bolak-balik, motor induksi. Penjelasan lebih difokuskan pada pembahasan tentang komponen-komponen dan karakteristik dari setiap motor listrik dan juga prinsip kerjanya.
8.1.2. Relevansi Materi pada Bab 8 ini memiliki keterkaitan dengan pembahasan pada Babbab sebelumnya khususnya Bab 2, Bab 4, Bab 5, Bab 6, dan Bab 7. Adapun pembahasan yang lebih detail diberikan tersendiri dalam mata kuliah mesin-mesin listrik, sehingga Bab ini punya keterkaitan dengan mata kuliah pada semester selanjutnya. 8.1.2. Kompetensi Dasar Menjelaskan prinsip dasar dari motor listrik
8.2. Penyajian 8.2.1. Umum Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik.. Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum sama (Gambar 8.1), yaitu:
Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.
Jika
kawat
yang
membawa
arus
dibengkokkan
menjadi
sebuah
lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.
Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan kedalam tiga kelompok:
Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.
Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).
Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
Gambar 8.1. Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.
8.2.2. Jenis Motor Litrik Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawah ini.
Gambar 8.2. Klasifikasi Motor Listrik.
1. Motor DC/Arus Searah Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. Gambar 8.3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama:
Kutub medan. Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet.
Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.
Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.
Gambar 8.3. Motor DC.
Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC. Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut: Gaya elektromagnetik: E = KΦN ………….…………………………….(8.1) Torsi: T = KΦIa …………….……………………………………………(8.2) dengan: E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt) Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit) T = torsi electromagnetik Ia = arus dinamo K = konstanta persamaan Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah a) Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited, Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately excited. b) Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt. Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 8.4. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.
Gambar 8.4. Karakteristik Motor DC Shunt. Kecepatan Motor Shunt
Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin.
Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).
c) Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan dalam gambar 8.5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.
Kecepatan Motor
Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.
Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.
Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar 8.5).
Gambar 8.5. Karakteristik Motor DC Seri. d) Motor DC Kompon/Gabungan. Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 8.6. Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 4050% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok.
Gambar 8.6. Karakteristik Motor DC Kompon.
2. Motor AC/Arus Bolak-Balik Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar 8.7. Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).
Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik a) Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 8.7): 1. Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited,
yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya. 2. Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut : Ns
120 f …………………………………………………………….(8.3) P
Dimana: f = frekwensi dari pasokan frekwensi P= jumlah kutub
Gambar 8.7. Motor Sinkron.
b) Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.
Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8.8): 1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor: Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya. 2. Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .
Klasifikasi motor induksi Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama: 1.
Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
2.
Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
Gambar 8.8 Motor Induksi.
Kecepatan motor induksi Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor”. Persamaan
berikut
dapat
digunakan
untuk
menghitung
persentase
slip/geseran: %slip
Ns Nb 100 ………………………………………………..(8.4) Ns
dengan: Ns = kecepatan sinkron dalam RPM Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi Gambar 8.9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003): Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang rendah (“pull-up torque”). Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun. Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke nol.
Gambar 8.9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.
8.2.3. Motor Listrik AC Satu Fasa Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC (Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu: 1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa 2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasa Pembahasan dalam pokok bahasan ini dititik beratkan pada motor listrik AC 1 fasa, yang terdiri dari:
Motor Kapasitor
Motor Shaded Pole
Motor Universal
Prinsip kerja Motor AC Satu Fasa Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi yang menghasilkan putaran. Sedangkan pada motor satu fasa memiliki dua belitan stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1Z2), lihat gambar8.10.
Gambar 8.10. Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu fasa
Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama. Grafik arus belitan bantu Ibantu dan arus belitan utama Iutama berbeda fasa sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.
Gambar 8.11. grafik Gelombang arus medan bantu dan arus medan utama
Gambar 8.12. Medan magnet pada Stator Motor satu fasa
Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus Ibantu menghasilkan fluks magnet Φ tegak lurus, beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama Iutama. yang bernilai positip. Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar 45° dengan arah berlawanan jarum jam. Kejadian ini berlangsung terus sampai satu siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan statornya. Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk batang-batang kawat yang ujung-ujungnya dihubung singkatkan dan menyerupai bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar.
Gambar 8.13. Rotor sangkar
Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi, interaksi antara medan putar stator dan medan magnet rotor akan menghasilkan torsi putar pada rotor.
Motor Kapasitor Motor kapasitor satu phasa banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga seperti motor pompa air, motor mesin cuci, motor lemari es, motor air conditioning. Konstruksinya sederhana dengan daya kecil dan bekerja dengan tegangan suplai PLN 220 V, oleh karena itu menjadikan motor kapasitor ini banyak dipakai pada peralatan rumah tangga.
Gambar 8.14. Motor kapasitor Belitan stator terdiri atas belitan utama dengan notasi terminal U1-U2, dan belitan bantu dengan notasi terminal Z1-Z2 Jala-jala L1 terhubung dengan terminal U1, dan kawat netral N terhubung dengan terminal U2. Kondensator kerja berfungsi agar perbedaan sudut phasa belitan utama dengan belitan bantu mendekati 90°. Pengaturan arah putaran motor kapasitor dapat dilakukan dengan (lihat gambar 8.15): Untuk menghasilkan putaran ke kiri (berlawanan jarum jam) kondensator kerja CB disambungkan ke terminal U1 dan Z2 dan terminal Z1 dikopel dengan terminal. Putaran ke kanan (searah jarum jam) kondensator kerja disambung kan ke terminal Z1 dan U1 dan terminal Z2 dikopel dengan terminal U1.
Gambar 8.15. Pengawatan motor kapasitor dengan pembalik putaran.
Motor kapasitor dengan daya diatas 1 KW di lengkapi dengan dua buah kondensator dan satu buah saklar sentrifugal. Belitan utama U1-U2 dihubungkan dengan jala-jala L1 dan Netral N. Belitan bantu Z1-Z2 disambungkan seri dengan kondensator kerja CB, dan sebuah kondensator starting CA diseri dengan kontak normally close (NC) dari saklar sentrifugal, lihat gambar 8.16. Awalnya belitan utama dan belitan bantu mendapatkan tegangan dari jalajala L1 dan Netral. Kemudian dua buah kondensator CB dan CA, keduanya membentuk loop tertutup sehingga rotor mulai berputar, dan ketika putaran mendekati 70% putaran nominalnya, saklar sentrifugal akan membuka dan kontak normally close memutuskan kondensator bantu CA.
Gambar 8.16. Pengawatan dengan Dua Kapasitor
Fungsi dari dua kondensator yang disambungkan parallel, CA+CB, adalah untuk meningkatkan nilai torsi awal untuk mengangkat beban. Setelah putaran motor mencapai 70% putaran, saklar sentrifugal terputus sehingga hanya kondensator kerja CB saja yang tetap bekerja. Jika kedua kondensator rusak maka torsi motor akan menurun drastis, lihat gambar 8.17.
Gambar 8.17. Karakteristik Torsi Motor kapasitor
MotorShaded Pole Motor shaded pole atau motor phasa terbelah termasuk motor satu phasa daya kecil, dan banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga sebagai motor penggerak kipas angin, blender. Konstruksinya sangat sederhana, pada kedua ujung stator ada dua kawat yang terpasang dan dihubung singkatkan fungsinya sebagai pembelah phasa. Belitan stator dibelitkan sekeliling inti membentuk seperti belitan transfor mator. Rotornya berbentuk sangkar tupai dan porosnya ditempatkan pada rumah stator ditopang dua buah bearing.
Gambar 8.18. motor shaded pole, Motor fasa terbelah.
Irisan penampang motor shaded pole memperlihatkan dua bagian, yaitu bagian stator dengan belitan stator dan dua kawat shaded pole. Bagian rotor sangkar ditempatkan di tengah-tengah stator, lihat gambar 8.19.
Gambar 8.19. Penampang motor shaded pole.
Torsi putar dihasilkan oleh adanya pembelahan phasa oleh kawat shaded pole. Konstruksi yang sederhana, daya yang kecil, handal, mudah dioperasikan, bebas perawatan dan cukup di suplai dengan Tegangan AC 220 V, jenis motor shaded pole banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga kecil. Motor Universal
Motor Universal termasuk motor satu phasa dengan menggunakan belitan stator dan belitan rotor. Motor universal dipakai pada mesin jahit, motor bor tangan. Perawatan rutin dilakukan dengan mengganti sikat arang yang memendek atau pegas sikat arang yang lembek. Kontruksinya yang sederhana, handal, mudah dioperasikan, daya yang kecil, torsinya yang cukup besar motor universal dipakai untuk peralatan rumah tangga.
Gambar 8.20. komutator pada motor universal.
Bentuk stator dari motor universal terdiri dari dua kutub stator. Belitan rotor memiliki dua belas alur belitan dan dilengkapi komutator dan sikat arang yang menghubungkan secara seri antara belitan stator dengan belitan rotornya. Motor universal memiliki kecepatan tinggi sekitar 3000 rpm.
Gambar 8.21. stator dan rotor motor universal Aplikasi motor universal untuk mesin jahit, untuk mengatur kecepatan dihubungkan dengan tahanan geser dalam bentuk pedal yang ditekan dan dilepaskan. 8.2.4. Rangkuman
Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik..
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor.
Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi yang menghasilkan putaran.
8.3. Penutup Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan halhal yang paling mendasar dalam motor-motor listrik. Pokok bahasan ini juga sangat erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point penting dalam pokok bahasan ini. Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang diberikan pada Bab 8, berikut ini beberapa latihan soal untuk dikerjakan.
8.3.1. Latihan Selesaikanlah soal-soal berikut, dan cocokanlah jawaban Anda dengan kunci jawaban yang tersedia. 1. Jelaskan tentang rotor motor induksi! 2. Jelaskan cara mengendalikan keceparan motor DC! 3. Jelaskan perbedaan utama antara motor sinkron dan motor induksi.
8.3.2. Kunci Jawaban 1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor: Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek. Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya. 2. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan kecepatan.
Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
3. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya.
Daftar Pustaka 1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta, 1995 2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I 3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II
Senarai
Slip : pergeseran
Single Layer Winding : Belitan satu lapis
Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda
Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur Pole : kutub
