4 BAB 2 DASAR TEORI Motor Sinkron Tiga Fasa Motor sinkron tiga

BAB 2II
DASAR TEORI
Motor Sinkron Tiga Fasa
Motor sinkron tiga fasa adalah motor listrik arus bolak-balik (AC) yang
putaran rotornya sinkron/serempak dengan kecepatan medan putar statornya. Motor
ini beroperasi pada sumber tegangan tiga fasa yang dihubungkan dengan kumparan
jangkar di stator. Selain mendapat suplai tegangan tiga fasa, motor sinkron juga
mendapat arus eksitasi/arus medan dari sumber arus searah (DC) pada kumparan
medan di rotornya.
Motor sinkron pada pengoperasiannya tidak dapat melakukan start awal
(self starting). Oleh karena itu, motor sinkron tiga fasa membutuhkan penggerak
mula (prime mover) untuk memutar rotor sampai pada kecepatan putar sinkronnya.
Perubahan beban pada motor sinkron tidak mempengaruhi kecepatan
putarnya, karena ketika motor bekerja, medan magnet pada rotor akan selalu terikat
atau terkopel secara magnetis dengan medan putar statornya, sehingga rotor akan
dipaksa terus berputar pada kecepatan sinkronnya. Sehingga motor sinkron
biasanya digunakan pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan
pada beban yang berubah-ubah. Namun apabila beban yang diberikan sudah
melewati batas kemampuan dari motor maka motor akan melepas kecepatan
sinkronnya dan berhenti berputar.
Keuntungan lain dari motor sinkron adalah tidak hanya dapat bekerja pada
faktor daya terbelakang (lagging) seperti motor induksi, namun juga dapat bekerja
dengan faktor daya unity bahkan dengan faktor daya mendahului (leading).
Sehingga motor sinkron dapat berperan untuk memperbaiki faktor daya sistem.
4
Universitas Sumatera Utara
Konstruksi Motor Sinkron Tiga Fasa
Pada prinsipnya, konstruksi motor sinkron sama dengan generator sinkron.
Secara umum, konstruksi motor sinkron tiga fasa terdiri dari stator (bagian yang
diam) dan rotor (bagian yang bergerak). Keduanya merupakan rangkaian magnetik
yang berbentuk simetris dan silindris.
Gambar 2.1 Konstruksi Motor Sinkron
2.2.1 Stator
Secara umum stator terdiri dari kerangka stator, inti stator, belitan dan slot.
1.
Rangka Stator
Rangka stator berfungsi sebagai tempat melekatnya stamping
jangkar dan kumparan jangkar. Pada rangka stator terdapat lubang
pendingin dimana udara dan gas pendingin disirkulasikan. Rangka stator
biasanya dibuat dari dari besi campuran baja atau plat baja giling yang
5
Universitas Sumatera Utara
dibentuk sedemikian rupa sehingga diperoleh rangka yang sesuai dengan
kebutuhan.
2.
Inti Stator
Inti stator melekat pada rangka stator dimana inti ini terbuat dari
laminasi-laminasi besi khusus atau campuran baja. Hal ini diperbuat untuk
memperkecil rugi arus Eddy. Tiap laminasi diberi isolasi dan diantaranya
dibentuk celah sebagai tempat aliran udara.
3.
Slot
Slot adalah tempat konduktor berada yang letaknya pada bagian
dalam sepanjang keliling stator. Bentuk slot ada 3 yaitu Slot Terbuka, Slot
Setengah Terbuka,dan Slot Tertutup.
2.2.2 Rotor
Sebagai tempat belitan penguat yang membentuk kemagnetan listrik kutub
Utara-Selatan pada inti rotor. Ada 2 macam bentuk rotor, yaitu :
1.
Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan
dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi laminasi untuk
mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan
medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub menonjol ditandai
dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.
2.
Rotor silinder (Non-Salient Pole Rotor)
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang
mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slotslot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub
6
Universitas Sumatera Utara
pun sedikit yang dapat dibuat. Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan
sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan
mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil
dibandingkan rotor kutub menonjol (salient pole rotor).
Prinsip Kerja Motor Sinkron Tiga Fasa
Pada motor sinkron tiga fasa terdapat 2 sumber tegangan dari luar yaitu arus
bolak-balik (AC) yang dialirkan kebelitan jangkar dan arus searah (DC) yang
dialirkan kebelitan medannya. Perputaran rotor diakibatkan karena adanya kopel
magnetik antar medan magnet rotor dengan medan putar stator.
Apabila tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan jangkar atau stator
akan menghasilkan arus tiga fasa yang mengalir pada kumparan stator tersebut. Jika
arus tiga fasa (yang berbentuk sinusoidal murni atau saling berbeda sudut 1200
listrik) mengalir pada kumparan stator motor sinkron tiga fasa, maka akan
menghasilkan intensitas medan magnet (HS) yang juga saling berbeda sudut 1200
listrik. Karena kumparan stator mempunyai permeabilitas (µ), maka akan
menghasilkan intensitas medan magnet sebesar Bs = µ.Hs
Hal inilah yang disebut dengan medan putar yang timbul pada stator.
Timbulnya medan putar pada stator ini dapat dijelaskan melalui Gambar 2.2
berikut.
7
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.2 Kumparan a-a, b-b, c-c
Gambar 2.3 Distribusi ia, ib, ic sebagai fungsi waktu
(a)
(b)
8
Universitas Sumatera Utara
(c)
(d)
Gambar 2.4 Arah Fluks Secara Vektoris
Saat tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan a-a, b-b, c-c
(Gambar 2.2) dengan beda fasa masing-masing 1200. Maka akan timbul 3
buah arus sinusoidal (Ia, Ib, Ic) yang terdistribusi berdasarkan fungsi waktu
seperti terlihat pada (Gambar 2.3). Secara vektoris, pada keadaan t1, t2, t3,
t4, arah fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masingmasing ditunjukkan seperti pada (Gambar 2.4). Pada saat t1, arah fluks
resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a (Gambar
2.4a). Pada saat t2, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang
dihasilkan kumparan b-b (Gambar 2.4b). Pada saat t3, arah fluks resultannya
sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan c-c (Gambar 2.4c). Pada
saat t4, arah fluks resultannya berlawanan arah dengan arah fluks yang
dihasilkan kumparan a-a (Gambar 2.2d). Perubahan arah fluks ini akan
terjadi berulang setiap satu periode yang menyebabkan perputaran medan
magnet stator.
Kutub
medan
rotor
yang
diberi
penguatan
arus
searah
mengakibatkan mengalir arus penguat If motor dan menghasilkan medan
9
Universitas Sumatera Utara
magnet BR. Karena motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self
starting) maka rotor diputar dengan suatu penggerak mula sampai pada
kecepatan putar rotor sama dengan kecepatan putar medan stator. Sehingga
medan magnet rotor BR akan mendapat tarikan dari kutub medan putar stator
dan akan selalu menempel dan mengikuti putaran BS dengan kecepatan yang
sama atau sinkron. Interaksi antar kedua medan magnet tersebut akan
menghasilkan kopel yang dinyatakan sebagai :
Tind = k.BR x B
(2.1)
Tind = k.BR.BS.Sin δ
Dan hubungannya dengan diagram medan magnetnya ditunjukkan pada
Gambar 2.5 berikut.
Gambar 2.5 Diagram medan magnet motor sinkron
Keterangan :
BS
= Medan magnet stator
BR
= Medan magnet rotor
Bnet
= Resultan medan magnet stator dan rotor
Sehingga didapat :
Bnet ≈ Vph
; BR ≈ EA
; BS ≈ j.Xs.IA
10
Universitas Sumatera Utara
Karena
BS = Bnet - BR
(2.2)
Maka dengan mensubstitusikan persamaan (2.2) ke persamaan (2.1), maka
akan diperoleh :
Tind = k . BR(Bnet – BR) Sin β
Tind = k . BR . Bnet . Sin β – k . BR . BR Sin β  BR.BR=0
Sehingga persamaan kopel induksinya dapat dituliskan :
Tind = k . BR . Bnet . Sin β (N.m)
dimana : k
(2.3)
= Konstanta
BR = Medan magnet rotor
Bnet = Resultan medan magnet rotor dan medan magnet stator
β
= Sudut kopel
Pada beban nol, sumbu kutub medan berhimpit dengan sumbu kutub
kumparan medan (β = 0). Setiap penambahan beban membuat medan rotor
tertinggal sebentar dari medan stator, terbentuk sudut kopel (β), untuk
kemudian berputar dengan kecepatan sama lagi (sinkron). Penambahan
beban lebih lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan kopel dan motor
disebut kehilangan sinkronisasi.
11
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.6 Kedudukan kutub rotor terhadap kutub khayal pada saat
motor berbeban
Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron
Rangkaian ekuivalen motor sinkron adalah sama halnya dengan generator
sinkron, kecuali untuk arah aliran dayanya dimana arah aliran daya pada motor
sinkron terbalik dengan arah daya pada generator sinkron. Karena arah aliran daya
ini terbalik, maka arah arus yang mengalir ke stator motor juga akan terbalik.
Dengan demikian, rangkaian ekuivalen motor sinkron adalah sama dengan
rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali bahwa referensi arah IA dibalik.
Rangkaian ekuivalennya diperlihatkan pada gambar (2.7) dan rangkaian per
fasanya ditunjukkan pada gambar (2.8). Rangkaian ekuivalen tiga fasa biasa dalam
bentuk hubungan Y atau hubungan Delta (∆).
Karena perubahan arah IA ini, maka persamaan tegangan menurut hukum
Kirchoff untuk rangkaian ekuivalennya juga akan berubah. Jadi persamaan hukum
Kirchoff untuk tegangannya untuk rangkaian ekuivalen yang baru adalah :
12
Universitas Sumatera Utara
ℎ=
+ .
.
+
(2.4)
.
Jadi persamaan ini sama dengan persamaan generator sinkron, kecuali tanda untuk
arusnya adalah terbalik.
Gambar 2.7 Rangkaian ekuivalen motor sinkron 3 fasa
Gambar 2.8 Rangkaian ekuivalen motor sinkron per fasanya
13
Universitas Sumatera Utara
Dari persamaan umum motor sinkron yang dituliskan di dalam persamaan
(2.3) dapat digambarkan diagram fasor motor sinkron seperti ditunjukkan pada
gambar (2.9) sebagai berikut :
Gambar 2.9 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Satu (Unity)
Keterangan :
EA
= Tegangan Jangkar (GGL lawan)
IA
= Arus Jangkar
Vph
= Tegangan Terminal
XS
= Reaktansi Sinkron Motor
δ
= Sudut Kopel
Dalam hal ini motor dianggap beroperasi dengan faktor daya satu (unity).
Namun dalam operasi motor sinkron, motor dapat beroperasi dengan faktor daya
mendahului (leading) dan tertinggal (lagging) selain dengan faktor daya unity.
Diagram fasor motor sinkron denga faktor daya mendahului (leading) dan
tertinggal (lagging) ditunjukkan seperti pada gambar (2.10) dan gambar (2.11).
14
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.10 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Leading
Gambar 2.11 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Lagging
Namun pada kenyataannya, saat motor sinkron dibebani tanpa pengaturan
arus medan, motor sinkron akan beroperasi dengan faktor daya tertinggal (lagging)
dan diagram fasornya seperti yang ditunjukkan pada gambar (2.11). Oleh karena
itu, untuk menganalisis motor sinkron digunakan diagram fasor motor sinkron
dengan faktor daya tertinggal (lagging).
Dari diagram fasor motor sinkron didapat daya mekanik (Pmek) motor
sinkron menurut persamaan berikut :
=
(2.5)
.
Untuk motor sinkron tiga fasa maka persamaan daya mekanik (Pmek) menjadi:
= 3.
.
(2.6)
15
Universitas Sumatera Utara
Karena tahanan jangkar (RA) motor sinkron biasanya kecil, maka tahanan
jangkar ini biasanya diabaikan. Bila tahanan jangkar (R A) diabaikan (RA<<XS)
maka diagram fasornya menjadi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.12.
Gambar 2.12 Diagram Fasor Yang Disederhanakan Dengan RA Diabaikan
Dari diagram fasor yang ditunjukkan pada Gambar 2.12 diperoleh :
Maka diperoleh,
ℎ.
(2.7)
δ = Xa. Ia
ℎ.
=
δ
(2.8)
Jika persamaan (2.10) disubstitusikan ke persamaan (2.5), maka diperoleh :
=
3.
.
ℎ.
δ
(2.9)
Metode Starting Motor Sinkron
Sesuai dengan prinsip kerjanya, motor sinkron tidak dapat melakukan start
sendiri (self starting). Motor sinkron harus diputar terlebih dahulu sampai pada
putaran sinkronnya. Hal ini dilakukan oleh penggerak mula (prime mover).
Biasanya, motor induksi atau motor DC mengambil peranan sebagai penggerak
16
Universitas Sumatera Utara
mula tersebut. Tetapi penggunaan penggerak mula dalam start motor sinkron sangat
tidak praktis. Maka untuk start motor sinkron dapat dilakukan dengan cara lain.
Saat ini ada tiga pendekatan utama yang dapat dilakukan untuk menjalankan
motor sinkron dengan aman, yaitu :
1.
Menggunakan penggerak mula (prime mover) untuk memutar motor
sinkron sampai pada kecepatan sinkronnya
2.
Mereduksi putaran dengan mengatur medan stator ke harga yang
cukup rendah sampai rotor berputar (mengurangi frekuensi)
3.
Menggunakan kumparan peredam (Amortisseur Winding).
2.5.1 Starting Dengan Penggerak Mula
Pada metode start motor sinkron dengan penggerak mula, motor sinkron
dikopel dengan penggerak mula (prime mover), selanjutnya penggerak mula akan
memutar rotor motor sinkron sampai mencapai putaran sinkronnya. Selanjutnya
motor sinkron tersebut diparalelkan dengan jala-jala dan bekerja sebagai generator.
Setelah hal ini dicapai, penggerak mula dilepas dari poros motor. Ketika penggerak
mula dilepas dari poros motor, poros motor akan berputar perlahan (putarannya
menurun) sehingga medan magnet rotor (BR) akan tertinggal dibelakang Bnet dan
mesin akan start beraksi sebagai motor. Saat paralelnya sudah komplit, maka motor
sudah dapat dibebani.
2.5.2 Starting Dengan Mereduksi Frekuensi
Cepatnya perputaran medan putar stator juga turut menyebabkan motor
sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting). Perputaran medan
magnet stator setiap menitnya adalah :
17
Universitas Sumatera Utara
Dimana :
Ns =
120
f
= frekuensi tegangan terminal motor (Hz)
p
= jumlah kutub motor
Ns
= perputaran medan magnet stator (rpm)
(2.10)
Cepatnya perputaran medan magnet stator ini membuat tidak mungkinnya
terjadi interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak antara kutub medan magnet stator
dengan kutub medan magnet rotor yang diam.
Pada metode start dengan mereduksi frekuensi ini, pada saat start, motor
disuplai dengan frekuensi yang rendah sehingga kecepatan putaran medan putar
stator juga rendah. Hal ini akan membuat terjadinya interaksi tarik-menarik dan
tolak-menolak antara kutub medan magnet stator dan kutub medan magnet rotor.
Setelah terjadi interaksi antara kedua kutub medan magnet tersebut, maka frekuensi
sistem dapat dinaikkan secara perlahan sampai pada frekuensi dan kecepatan
sinkron yang diinginkan. Saat ini, pengaturan besar frekuensi yang disuplai dapat
dilakukan dengan menggunakan rectifier-inverter dan cycloconverter.
2.5.3 Starting Dengan Kumparan Peredam
Pada metode start dengan kumparan peredam, rotor dilengkapi dengan
kumparan peredam atau kumparan sangkar tupai yang ditempatkan pada
permukaan rotor yang dihubung singkat pada kedua ujungnya.
Saat kumparan stator dihubungkan dengan tegangan tiga fasa maka akan
timbul medan putar pada stator. Kemudian medan putar ini akan menginduksikan
18
Universitas Sumatera Utara
GGL kedalam kumparan peredam yang telah terhubung singkat, maka dalam
kumparan peredam akan mengalir arus. Arus ini akan menimbulkan kopel antara
rotor dengan stator secara magnetis sehingga rotor pun berputar. Namun kecepatan
putar rotor tidak sama dengan kecepatan sinkronnya. Pada saat ini, motor sinkron
bertindak sebagai motor induksi karena terdapat slip antara kecepatan putar rotor
dengan kecepatan medan putar statornya.
Setelah putaran rotor hampir mencapai kecepatan sinkronnya, maka
kumparan medan penguat yang berada pada rotor dieksitasi dengan sumber arus
DC. Selanjutnya motor akan menuju ke keadaan sinkron. Namun dalam
pelaksanaan metode start ini dibutuhkan alat pengaturan sinkronisasi untuk
menghindarkan efek yang dapat merusak motor tersebut.
Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi Motor Sinkron
Dengan mengatur arus kemagnetan dari sebuah motor sinkron maka
diperoleh :
a.
Jika arus penguat kecil dengan arti arus penguat lebih kecil dari Im
normal maka E < V, Ia ketinggalan terhadap V sehingga mengakibatkan
motor bersifat induktif (lagging). Lihat Gambar 2.13a
b.
Jika arus penguat sedemikian sehingga E = V, Ia akan sefasa dengan V
sehingga motor bersifat resistif (unity). Pada saat cos θ motor = 1,
dikatakan arus penguat (Im) normal. Gambar 2.13b
c. Jika arus penguat besar sehingga E > V, Ia akan mendahului V sehingga
motor bersifat kapasitif. Gambar 2.13c
19
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.13 Diagram vektor motor sinkron dengan beban tetap arus penguat
diubah-ubah
2.6.1 Karakteristik Kurva V Motor Sinkron
Besarnya arus jangkar untuk suatu beban tertentu bervariasi dengan
perubahan arus eksitasi atau Ia = f(If), ditunjukkan dalam bentuk kurva V pada
Gambar 2.14. Pada gambar dibawah dapat digambarkan beberapa kurva V yang
dibedakan berdasarkan level daya aktifnya. Untuk arus eksitasi yang lebih kecil dari
harga minimum Ia, arus jangkar akan lagging dan mengonsumsi daya reaktif. Untuk
arus eksitasi lebih besar dari harga minimum Ia, arus jangkar akan leading dan
menyuplai daya reaktif ke sistem seperti halnya kapasitor.
20
Universitas Sumatera Utara
Gambar 2.14 Kurva V Motor Sinkron
2.6.2 Karakteristik Kurva V Invers Motor Sinkron
Untuk daya yang konstan, jika faktor daya digambarkan sebagai fungsi arus
eksitasi atau Cos Phi = f(If) maka akan diperoleh kurva V invers. Pada Gambar 2.15
ditunjukkan beberapa kurva V invers yang dibedakan berdasarkan level daya
aktifnya. Kurva mencapai nilai maksimum sama dengan satu pada harga arus
eksitasi nominalnya.
Gambar 2.15 Kurva V Invers Motor Sinkron
21
Universitas Sumatera Utara