mesin sinkron ( mesin serempak )

MESIN SINKRON
( MESIN SEREMPAK )
BAB I
GENERATOR SINKRON
(ALTERNATOR)
Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron.
Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yangdigunakan
untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkrondapat berupa
generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasatergantung dari
kebutuhan.
1.1 Konstruksi Generator Sinkron
Pada generator sinkron, arus DC diterapkan pada lilitan rotor untuk
mengahasilkan mdan magnet rotor. Rotor generator diputar oleh prime mover
menghasilkan medan magnet berputar pada mesin. Medan magnet putar ini
menginduksi tegangan tiga fasa pada kumparan stator generator. Rotor pada generator
sinkron pada dasarnya adalah sebuah elektromagnet yang besar. Kutub medan magnet
rotor dapat berupa salient (kutub sepatu) dan dan non salient (rotor silinder). Gambaran
bentuk kutup sepatu generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.1 Rotor salient (kutub sepatu) pada generator sinkron
http://www.mercubuana.ac.id
1
Pada kutub salient, kutub magnet menonjol keluar dari permukaan rotor sedangkan
pada kutub non salient, konstruksi kutub magnet rata dengan permukaan rotor.
Rotor silinder umumnya digunakan untuk rotor dua kutub dan empat kutub,
sedangkan rotor kutub sepatu digunakan untuk rotor dengan empat atau lebih kutub.
Pemilihan konstruksi rotor tergantung dari kecepatan putar prime mover, frekuensi dan
rating daya generator. Generator dengan kecepatan 1500 rpm ke atas pada frekuensi 50
Hz dan rating daya sekitar 10MVA menggunakan rotor silinder. Sementara untuk daya
dibawah 10 MVA dan kecepatan rendah maka digunakan rotor kutub sepatu. Gambaran
bentuk kutup silinder generator sinkron diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
(a)
(b)
Gambar 1.2 Gambaran bentuk (a) rotor Non-salient (rotor silinder), (b) penampang
rotor pada generator sinkron
Arus DC disuplai ke rangkaian medan rotor dengan dua cara:
1. Menyuplai daya DC ke rangkaian dari sumber DC eksternal dengan sarana slip ring
dan sikat.
2. Menyuplai daya DC dari sumber DC khusus yang ditempelkan langsung pada
batang rotor generator sinkron.
1.2 Prinsip Kerja Generator Sinkron
Jika sebuah kumparan diputar pada kecepatan konstan pada medan
magnethomogen, maka akan terinduksi tegangan sinusoidal pada kumparan tersebut.
Medan magnet bisa dihasilkan oleh kumparan yang dialiri arus DC atau oleh magnet
tetap. Pada mesin tipe ini medan magnet diletakkan pada stator (disebut generator kutub
eksternal / external pole generator) yang mana energi listrik dibangkitkan pada
http://www.mercubuana.ac.id
2
kumparan rotor. Hal ini dapat menimbulkan kerusakan pada slip ring dan karbon sikat,
sehingga menimbulkan permasalahan pada pembangkitan daya tinggi. Untuk mengatasi
permasalahan ini, digunakan tipe generator dengan kutub internal (internal pole
generator), yang mana medan magnet dibangkitkan oleh kutub rotor dan tegangan AC
dibangkitkan pada rangkaian stator. Tegangan yang dihasilkan akan sinusoidal jika
rapat fluks magnet pada celah udara terdistribusi sinusoidal dan rotor diputar pada
kecepatan konstan. Tegangan AC tiga fasa dibangkitan pada mesin sinkron kutub
internal pada tiga kumparan stator yang diset sedemikian rupa sehingga membentuk
beda fasa dengan sudut 120°. Bentuk gambaran sederhana hubungan kumparan 3-fasa
dengan tegangan yang dibangkitkan diperlilhatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.3 Gambaran sederhana kumparan 3-fasa dan tegangan yang dibangkitkan
. Pada rotor kutub sepatu, fluks terdistribusi sinusoidal didapatkan dengan
mendesain bentuk sepatu kutub. Sedangkan pada rotor silinder, kumparan rotor disusun
secara khusus untuk mendapatkan fluks terdistribusi secara sinusoidal. Untuk tipe
generator dengan kutub internal (internal pole generator), suplai DC yang dihubungkan
ke kumparan rotor melalui slip ring dan sikat untuk menghasilkan medan magnet
merupakan eksitasi daya rendah. Jika rotor menggunakan magnet permanen, maka tidak
slip ring dan sikat karbon tidak begitu diperlukan.
http://www.mercubuana.ac.id
3
1.3 Kecepatan Putar Generator Sinkron
Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan
kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet
dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor.
Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik
pada stator adalah:
f e
nr . p
120
(1.1)
yang mana:
fe = frekuensi listrik (Hz)
nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet (rpm)
p = jumlah kutub magnet
Oleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama dengan medan magnet,
persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan
frekuensi listrik yang dihasilkan. Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi
50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetapdengan jumlah
kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada
mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3600 rpm. Untuk
membangkitkan daya 50 Hz pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500
rpm.
1.4 Alternator tanpa beban
Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan
(IF), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk
hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.
Ea = c.n.
(1.2)
yang mana:
c = konstanta mesin
http://www.mercubuana.ac.id
4
n = putaran sinkron
 = fluks yang dihasilkan oleh IF
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada stator, karenanya
tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (IF).
Apabila arus medan (IF) diubah-ubah harganya, akan diperoleh harga Ea seperti yang
terlihat pada kurva sebagai berikut.
gambar 1.4 Karakteristik tanpa beban generator sinkron
1.5 Alternator Berbeban
Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan
terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai
reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini
bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs)
. Persamaan tegangan pada generator adalah:
Ea = V + I.Ra + j I.Xs
(1.3)
Xs = Xm + Xa
(1.4)
yang mana:
Ea = tegangan induksi pada jangkar
V = tegangan terminal output
Ra = resistansi jangkar
Xs = reaktansi sinkron
http://www.mercubuana.ac.id
5
Karakteristik pembebanan dan diagram vektor dari alternator berbeban induktif (faktor
kerja terbelakang) dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 1.5 Karakteristik alternator berbeban induktif
1.6 Rangkaian Ekuivalen Generator Sinkron
Tegangan induksi Ea dibangkitkan pada fasa generator sinkron. Tegangan ini
biasanya tidak sama dengan tegangan yang muncul pada terminal generator. Tegangan
induksi sama dengan tegangan output terminal hanya ketika tidak ada arus jangkar yang
mengalir pada mesin. Beberapa faktor yang menyebabkan perbedaan antara tegangan
induksi dengan tegangan terminal adalah:
1. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada stator, disebut
reaksi jangkar.
2. Induktansi sendiri kumparan jangkar.
3. Resistansi kumparan jangkar.
4. Efek permukaan rotor kutub sepatu.
Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa
http://www.mercubuana.ac.id
6
1.7 Menentukan Parameter Generator Sinkron
Harga s X diperoleh dari dua macam percobaan yaitu percobaan tanpa beban dan
percobaan hubungan singkat. Pada pengujian tanpa beban, generator diputar pada
kecepatan ratingnya dan terminal generator tidak dihubungkan ke beban. Arus eksitasi
medan mula adalah nol. Kemudian arus eksitasi medan dinaikan bertahap dan tegangan
terminal generator diukur pada tiap tahapan. Dari percobaan tanpa beban arus jangkar
adalah nol (Ia = 0) sehingga V sama dengan Ea. Sehingga dari pengujian ini diperoleh
kurva Ea sebagai fungsi arus medan (If). Dari kurva ini harga yang akan dipakai adalah
harga liniernya (unsaturated). Pemakaian harga linier yang merupakan garis lurus cukup
beralasan mengingat kelebihan arus medan pada keadaan jenuh sebenarnya
dikompensasi oleh adanya reaksi jangkar.
Gambar 1.7 Karakteristik tanpa beban
Pengujian yang kedua yaitu pengujian hubung singkat. Pada pengujian ini mulamula arus eksitasi medan dibuat nol, dan terminal generator dihubung singkat melalui
ampere meter. Kemudian arus jangkar Ia (= arus saluran) diukur dengan mengubah arus
eksitasi medan. Dari pengujian hubung singkat akan menghasilkan hubungan antara
arus jangkar (Ia ) sebagai fungsi arus medan (IF), dan ini merupakan garis lurus.
Gambaran karakteristik hubung singkat alternator diberikan di bawah ini.
http://www.mercubuana.ac.id
7
Gambar 1.8 Karakteristik hubung singkat alternator
Ketika terminal generator dihubung singkat maka tegangan terminal adalah nol.
Impedansi internal mesin adalah:
Zs Ra 2 Xs 2
Ea
Ia
(1.5)
Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan menjadi:
Xs
Ea V
 OC
Ia
Iahs
(1.6)
Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka nilai reaktansi sinkron
dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat diukur dengan menerapkan tegangan DC pada
kumparan jangkar pada kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian
arus yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada kumparan dapat
diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai berikut.
Ra VDC
2.I DC
(1.7)
Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama dengan nol pada
saat pengukuran.
1.8 Diagram Fasor
http://www.mercubuana.ac.id
8
Gambar 1.9 Diagram fasor (a) Faktor daya satu (b) faktor daya tertinggal (c) faktor
daya mendahului
Diagram fasor memperlihatkan bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan
teminal V dalam keadaan berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada
saat tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga oleh besarnya
arus jangkar (Ia ) yang mengalir. Dengan memperhatikan perubahan tegangan V untuk
faktor keja yang berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar
Ia diperlihatkan pada gambar 1.9.
1.9 Pengaturan Tegangan (Regulasi Tegangan)
Pengaturan tegangan adalah perubahan tegangan terminal alternator antara
keadaan beban nol (VNL) dengan beban penuh (VFL). Keadaan ini memberikan
gambaran batasan drop tegangan yang terjadi pada generator, yang dinyatakan sebagai
berikut.
VR
VNL VFL
x100%
VFL
(1.8)
1.10 Kerja Paralel Alternator
http://www.mercubuana.ac.id
9
Untuk melayani beban yang berkembang, maka diperlukan tambahan sumber
daya listrik. Agar sumber daya listrik yang yang baru (alternator baru) bisa digunakan
bersama, maka dilakukan penggabungan alternator dengan cara mempararelkan dua
atau lebih alternator pada sistem tenaga dengan maksud memperbesar kapasitas daya
yang dibangkitkan pada sistem. Selain untuk tujuan di atas, kerja pararel juga sering
dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas pelayanan apabila ada mesin (alternator) yang
harus dihentikan, misalnya untuk istirahat atau reparasi, maka alternator lain masih bisa
bekerja untuk mensuplai beban yang lain. Untuk maksud mempararelkan ini, ada
beberapa pesyaratan yang harus dipenuhi, yaitu:
1. Harga sesaat ggl kedua alternator harus sama dalam kebesarannya, dan bertentangan
dalam arah, atau harga sesaat ggl alternator harus sama dalam kebesarannya dan
bertentangan dalam arah dengan harga efektif tegangan jalajala.
2. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus sama
3. Fasa kedua alternator harus sama
4. Urutan fasa kedua alternator harus sama
Bila sebuah generator ’G’ akan diparaelkan dengan jala-jala, maka mula-mula G
diputar oleh penggerak mula mendekati putaran sinkronnya, lalu penguatan IF diatur
hingga tegangan terminal generator tersebut sama denga jala-jala. Untuk mendekati
frekuensi dan urutan fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) digunakan alat
pendeteksi yang dapat berupa lampu sinkronoskop hubungan terang. Benar tidaknya
hubungan pararel tadi, dapat dilihat dari lampu tersebut. Bentuk hubungan operasi
paralel generator sinkron dengan lampu sinkronoskop diperlihatkan pada gambar di
bawah ini.
Gambar 1.10 Operasi paralel generator sinkron
http://www.mercubuana.ac.id
10
Jika rangakaian untuk pararel itu benar (urutan fasa sama) maka lampu L1, L2
dan L3 akan hidup-mati dengan frekuensi fL - fG cycle. Sehingga apabila ke tiga lampu
sedang tidak bekedip berarti fL = fG atau frekuensi tegangan generator dan jala-jala
sudah sama. Untuk mengetahui bahwa fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala)
sama dapat dilihat dari lampu L1, L2, dan L3. Frekuensi tegangan generator diatur oleh
penggerak mula, sedang besar tegangan diatur oleh penguatan medan. Jika rangkaian
untuk mempararelkan itu salah (urutan fasa tidak sama) maka lampu L1, L2 dan L3
akan hidup-mati bergantian dengan frekuensi (fL + fG ) cycle. Dalam hal ini dua buah
fasa (sebarang) pada terminal generator harus kita pertukarkan.
Jika urutan fasa kedua sistem tegangan sama, maka lampu L1, L2, dan L3 akan
hidup-mati bergantian dengan frekuensi fL - fG cycle. Saat mempararelkan adalah pada
keadaan L1 mati sedangkan L2 dan L3 menyala sama terang, dan keadaan ini
berlangsung agak lama (yang berarti fL dan fG sudah sangat dekat atau benar-benar
sama). Dalam keadaan ini, posisi semua fasa sistem tegangan jala-jala berimpit dengan
semua fasa sistem tegangan generator.
http://www.mercubuana.ac.id
11
BAB II
MOTOR SINKRON
Motor Sinkron adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Mesin sinkron mempunyai kumparan jangkar pada
stator dan kumparan medan pada rotor. Kumparan jangkarnya berbentuk sama dengan
mesin induksi, sedangkan kumparan medan mesin sinkron dapat berbentuk kutub sepatu
(salient) atau kutub dengan celah udara sama rata (rotor silinder). Arus searah (DC)
untuk menghasilkan fluks pada kumparan medan dialirkan ke rotor melalui cincin dan
sikat.
2.1 Prinsip Kerja Motor Sinkron
Gambar 2.1 Terjadinya torsi pada motor sinkron (a) tanpa beban (b) kondisi berbeban
(c) kurva karakteristik torsi
Gambar 2.1 memperlihatkan keadaan terjadinya torsi pada motor sinkron.
Keadaan ini dapat dijelaskan sebagai berikut: apabila kumparan jangkar (pada stator)
dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa maka akan mengalir arus tiga fasa pada
kumparan. Arus tiga fasa pada kumparan jangkar ini menghasilkan medan putar
homogen (BS). Berbeda dengan motor induksi, motor sinkron mendapat eksitasi dari
sumber DC eksternal yang dihubungkan ke rangkaian rotor melalui slip ring dan sikat.
Arus DC pada rotor ini menghasilkan medan magnet rotor (BR) yang tetap. Kutub
medan rotor mendapat tarikan dari kutub medan putar stator hingga turut berputar
dengan kecepatan yang sama (sinkron). Torsi yang dihasilkan motor sinkron merupakan
fungsi sudut torsi (). Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi
yang dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.
http://www.mercubuana.ac.id
12
T = k .BR .Bnet sin
(2.1)
Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu kumparan
medan (
medan stator, berbentuk sudut kopel (); untuk kemudian berputar dengan kecepatan
yang sama lagi. Beban maksimum tercapai ketika
lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan torsi dan motor disebut kehilangan
sinkronisasi. Oleh karena pada motor sinkron terdapat dua sumber pembangkit fluks
yaitu arus bolak-balik (AC) pada stator dan arus searah (DC) pada rotor, maka ketika
arus medan pada rotor cukup untuk membangkitkan fluks (ggm) yang diperlukan motor,
maka stator tidak perlu memberikan arus magnetisasi atau daya reaktif dan motor
bekerja pada faktor daya = 1,0. Ketika arus medan pada rotor kurang (penguat
bekurang), stator akan menarik arus magnetisasi dari jala-jala, sehingga motor bekerja
pada faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya bila arus pada medan rotor belebih
(penguat berlebih), kelebihan fluks (ggm) ini harus diimbangi, dan stator akan menarik
arus yang bersifat kapasitif dari jala-jala, dan karenanya motor bekerja pada faktor daya
mendahului (leading). Dengan demikian, faktor daya motor sinkron dapat diatur dengan
mengubah-ubah harga arus medan (IF)
2.2 Rangkaian Ekuivalen Motor Sinkron
Motor sinkron pada dasarnya adalah sama dengan generator sinkron, kecuali
arah aliran daya pada motor sinkron merupakan kebalikan dari generator sinkron. Oleh
karena arah aliran daya pada motor sinkron dibalik, maka arah aliran arus pada stator
motor sinkron juga dapat dianggap dibalik. Maka rangkaianekuivalen motor sinkron
adalah sama dengan rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali arah arus Ia dibalik.
Bentuk rangkaian ekuivalen motor sinkron diperlihatkan pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Rangkaian ekuivalen motor sinkron
http://www.mercubuana.ac.id
13
Dari gambar 2.2 dapat dibuatkan persamaan tegangan rangkaian ekuivalen motor
sinkron sebagai berikut.
(2.2)
V
atau :
Ea = V - Ia.Ra – jIa.XS
(2.3)
2.3 Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor Sinkron
Motor sinkron pada dasarnya merupakan alat yang menyuplai tenaga ke beban
pada kecepatan konstan. Kecepatan putaran motor adalah terkunci pada frekuensi listrik
yang diterapkan, oleh karena itu kecepatan motor adalah konstan pada beban
bagaimanapun. Kecepatan motor yang tetap ini dari kondisi tanpa beban sampai torsi
maksimum yang bisa disuplai motor disebut torsi pullout. Bentuk karakteristik torsi
terhadap kecepatan ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.3 Karakteristik torsi - kecepatan
Dengan mengacu kebali ke persamaan (2.3) dapat dibuatkan kembali persamaan torsi
motor sinkron sebagai berikut.
Tind
3.V .Ea. sin
(2.4)
 m .Xs
Torsi maksimum motor terjadi ketika = 90°. Umumnya torsi maksimum
motor sinkron adalah tiga kali torsi beban penuhnya. Ketika torsi pada motor sinkron
melebihi torsi maksimum maka motor akan kehilangan sinkronisasi. Dengan mengacu
http://www.mercubuana.ac.id
14
kembali ke persamaan (2.1) dan (2.4), maka persamaan Torsi maksimum (pullout)
motor sinkron dapat dibuatkan sebagai berikut.
Tind k.BR .Bnet
(2.5)
atau
Tind
3.V .Ea.
(2.6)
 m .Xs
Dari persamaan di atas menunjukkan bahwa semakin besar arus medan, maka torsi
maksimum motor akan semakin besar.
2.4 Pengaruh Perubahan Beban Pada Motor Sinkron
Gambar 2.4 Pengaruh perubahan beban pada motor sinkron
Gambar 2.4 memberikan gambaran bentuk pengaruh perubahan beban pada
motor sinkron. Jika beban dihubungkan pada motor sinkron, maka motor akan
membangkitkan torsi yang cukup untuk menjaga motor dan bebannya berputar pada
kecepatan sinkron. Misal mula-mula motor sinkron beroperasi pada faktor daya
mendahului (leading). Jika beban pada motor dinaikkan, putaran rotor pada asalnya
akan melambat. Ketika hal ini terjadi, maka sudut torsi
induksi akan naik. Kenaikan torsi induksi akan menambah kecepatan rotor, dan motor
akan kembali berputar pada kecepatan sinkron tapi dengan sudut torsi
yang lebih
besar.
2.5 Pengaruh Pengubahan Arus Medan pada Motor Sinkron
http://www.mercubuana.ac.id
15
Kenaikan arus medan IF menyebabkan kenaikan besar Ea tetapi tidak
mempengaruhi daya real yang disuplai motor. Daya yang disuplai motor berubah hanya
ketika torsi beban berubah. Oleh karena perubahan arus medan tidak mempengaruhi
kecepatan dan beban yang dipasang pada motor tidak berubah sehingga daya real yang
disuplai motor tidak berubah, dan tegangan fasa sumber juga konstan, maka jarak daya
) juga harus konstan. Ketika arus medan
pada diagram fasor (Ea.sin
dinaikan, maka Ea naik, tetapi ia hanya bergeser di sepanjang garis dengan daya
konstan. Gambaran hubungan pengaruh kenaikan arus medan pada motor sinkron
diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.5 Pengaruh kenaikan arus medan pada motor sinkron
Ketika nilai Ea naik, besar arus Ia mula-mula turun dan kemudian naik lagi.
Pada nila Ea rendah, arus jangkar Ia adalah lagging dan motor bersifat induktif. Ia
bertindak seperti kombinasi resitor-induktor dan menyerap daya reaktif Q. Ketika arus
medan dinaikkan, arus jangkar menjadi kecil dan pada akhirnya menjadi segaris (sefasa)
dengan tegangan. Pada kondisi ini motor bersifat resistif murni. Ketika arus medan
dinaikkan lebih jauh, maka arus jangkar akan menjadi mendahului (leading) dan motor
menjadi beban kapasitif. Ia bertindak seperti kombinasi resistor-kapasitor menyerap
daya reaktif negatif –Q (menyuplai daya reaktif Q ke sistem). Hubungan antara arus
jangkar Ia dengan arus medan IF untuk satu beban (P) yang tetap akan merupakan kurva
yang berbentuk V seperti yang diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
http://www.mercubuana.ac.id
16
Gambar 2.6 Kurva V hubungan antara arus jangkar Ia dengan arus medan IF untuk
satu beban (P) yang tetap pada motor sinkron
Beberapa kurva V digambarkan untuk level daya yang berbeda. Arus jangkar
minimum terjadi pada faktor daya satu dimana hanya daya real yang disuplai ke motor.
Pada titik lain, daya reaktif disuplai ke atau dari motor. Untuk arus medan lebih rendah
dari nilai yang menyebabkan Ia minimum, maka arus jangkar akan tertinggal (lagging)
dan menyerap Q. Oleh karena arus medan pada kondisi ini adalah kecil, maka motor
dikatakan under excitation. Untuk arus medan lebih besar dari nilai yang menyebabkan
Ia minimum, maka arus jangkar akan mendahului (leading) dan menyuplai Q. Kondisi
ini disebut over excitation.
2.6 Kondensor Sinkron
Telah diterangkan sebelumnya bahwa apabila motor sinkron diberi penguatan
berlebih, maka untuk mengkompensasi kelebihan fluks, dari jala-jala akan ditarik arus
kapasitif. Karena itu motor sinkron (tanpa beban) yang diberi penguat berlebih akan
berfungsi sebagai kapasitor dan mempunyai kemampuan untuk memperbaiki faktor
daya. Motor sinkron demikian disebut kondensor sinkron.
http://www.mercubuana.ac.id
17
2.7 Daya Reaktif
Motor sinkron tanpa beban dalam keadaan penguatan tertentu dapat
menimbulkan daya reaktif. Perhatikan diagram vektor motor sinkron tanpa beban pada
gambar di bawah ini.
Gambar 2.7 Diagram vektor daya reaktif motor sinkron tanpa beban
Pada gambar (a), penguatan normal, sehingga V = E. Motor dalam keadaan
mengambang karena tidak memberikan ataupun menarik arus. V berimpit dengan E
karena dalam keadaan tanpa beban sudut daya
berlebih, sehingga E >V. Arus kapasitif (leading current) ditarik dari jala-jala. Daya
aktif P = VI cos
berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif yang
bersifat kapasitif (kapasitor). Pada gambar (c), penguatan berkurang, sehingga E < V.
Arus magnetisasi (lagging current) ditarik dari jala-jala. Jadi, motor berfungsi sebagai
pembangkit daya reaktif yang bersifat induktif (induktor).
2.8 Starting Motor Sinkron
Pada saat start ( tegangan dihubungkan ke kumparan stator) kondisi motor
adalah diam dan medan rotor BR juga stasioner, medan magnet stator mulai berputar
pada kecepatan sinkron. Saat t = 0, BR dan BS adalah segaris, maka torsi induksi pada
rotor adalah nol. Kemudian saat t = ¼ siklus rotor belum bergerak dan medan magnet
stator ke arah kiri menghasilkan torsi induksi pada rotor berlawanan arah jarum jam.
Selanjutnya pada t = ½ siklus BR dan BS berlawanan arah dan torsi induksi pada
kondisi ini adalah nol. Pada t = ¾ siklus medan magnet stator ke arah kanan
menghasilkan torsi searah jarum jam. Demikian seterusnya pada t = 1 siklus medan
magnet stator kembali segaris dengan medan magnet rotor. Bentuk hubungan Torsi
motor sinkron pada kondisi start ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
http://www.mercubuana.ac.id
18
Gambar 2.8 Torsi motor sinkron pada kondisi start
Selama satu siklus elektrik dihasilkan torsi pertama berlawanan jarum jam
kemudian searah jarum jam, sehingga torsi rata-rata pada satu siklus adalah nol. Ini
menyebabkan motor bergetar pada setiap siklus dan mengalami pemanasan lebih. Tiga
pendekatan dasar yang dapat digunakan untuk menstart motor sinkron dengan aman
adalah.
1. Mengurangi kecepatan medan magnet stator pada nilai yang rendah sehingga rotor
dapat mengikuti dan menguncinya pada setengah siklus putaran medan magnet. Hal
ini dapat dilakukan dengan mengurangi frekuensi tegangan yang diterapkan.
2. Menggunakan penggerak mula eksternal untuk mengakselarasikan motor sinkron
hingga mencapai kecepatan sinkron, kemudian penggerak mula dimatikan
(dilepaskan).
3. Menggunakan kumparan peredam (damper winding) atau dengan membuat
kumparan rotor motor sinkron seperti kumparan rotor belitan pada motor induksi
(hanya saat start).
http://www.mercubuana.ac.id
19