Pengertian Motor DC

MOTOR DC
Pengertian Motor DC
Motor listrik merupakan perangkat elektromagnetis yang mengubah energi listrik
menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya memutar
impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan,dll.
Motor listrik digunakan juga di rumah (mixer, bor listrik, fan angin) dan di industri.
Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri sebab diperkirakan bahwa
motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri.
Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan
untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor dc disebut stator
(bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor (bagian yang
berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet,
maka akan timbul tegangan (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah
putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah
adalah membalik phasa tegangan dari gelombang yang mempunyai nilai positif
dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan
kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling
sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutubkutub magnet permanen.
Gambar 1. Motor D.C Sederhana
Catu tegangan dc dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh
komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu
lilitan pada gambar di atas disebut angker dinamo. Angker dinamo adalah sebutan
untuk komponen yang berputar di antara medan magnet
Prinsip Dasar Cara Kerja
Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor.
Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.
Gambar 2. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor .
Aturan Genggaman Tangan Kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di
sekitar konduktor. Genggam konduktor dengan tangan kanan dengan jempol
mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari anda akan menunjukkan arah garis
fluks. Gambar 3 menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor
berubah arah karena bentuk U.
Gambar 3. Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor.
Catatan :
Medan magnet hanya terjadi di sekitar sebuah konduktor jika ada arus mengalir
pada konduktor tersebut.
Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.
Gambar 4. Medan magnet mengelilingi konduktor dan diantara kutub.
Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan
selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet
kutub. Lihat gambar 5.
Gambar 5. Reaksi garis fluks.
Lingkaran bertanda A dan B merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan
(looped conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung
B.
Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan
menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha
bergerak ke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang
berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan
medan yang kuat di atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun
agar keluar dari medan yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker
dinamo berputar searah jarum jam.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum :

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 / torque 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.
Pada motor dc, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan
medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi
dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung
melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi
sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus sebagai tempat berlangsungnya
proses perubahan energi, daerah tersebut dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar
Prinsip
kerja
motor
dc
Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka
tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi
lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan
maka menimbulkan perputaran pada motor.
Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan
beban motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran tenaga putar / torque
sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke
dalam tiga kelompok :

Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya
bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh
beban dengan torque konstan adalah corveyors, rotary kilns, dan pompa
displacement konstan.

Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi
dengan kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa
sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan).
Peralatan Energi Listrik : Motor Listrik.

Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang
berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan
daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
Prinsip Arah Putaran Motor
Untuk menentukan arah putaran motor digunakan kaedah Flamming tangan
kiri. Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutub
utara ke kutub selatan. Jika medan magnet memotong sebuah kawat penghantar yang
dialiri arus searah dengan empat jari, maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini
disebut gaya Lorentz, yang besarnya sama dengan F.
Prinsip motor : aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam
pengaruh medan magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar
akan bertambah besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.
Contoh :
Sebuah motor DC mempunyai kerapatan medan magnet 0,8 T. Di bawah pengaruh
medan magnet terdapat 400 kawat penghantar dengan arus 10A. Jika panjang
penghantar seluruhnya 150 mm, tentukan gaya yang ada pada armature.
Jawab :
F = B.I.ℓ.z = 0,8 (Vs/m2). 10A. 0,15 m.400
= 480 (Vs.A/m)
= 480 (Ws/m) = 480 N.
Electromotive Force (EMF) / Gaya Gerak Listrik
EMF induksi biasanya disebut EMF Counter. atau EMF kembali. EMF kembali
artinya adalah EMF tersebut ditimbulkan oleh angker dinamo yang yang melawan
tegangan yang diberikan padanya.
Teori dasarnya adalah jika sebuah konduktor listrik memotong garis medan magnet
maka timbul ggl pada konduktor.
Gambar 8. E.M.F. Kembali.
EMF induksi terjadi pada motor listrik, generator serta rangkaian listrik dengan arah
berlawanan terhadap gaya yang menimbulkannya.
HF. Emil Lenz mencatat pada tahun 1834 bahwa “arus induksi selalu berlawanan
arah dengan gerakan atau perubahan yang menyebabkannya”. Hal ini disebut sebagai
Hukum Lenz.
Timbulnya EMF tergantung pada:

kekuatan garis fluks magnet

jumlah lilitan konduktor

sudut perpotongan fluks magnet dengan konduktor

kecepatan konduktor memotong garis fluks magnet
Tidak ada arus induksi yang terjadi jika angker dinamo diam.
Mengatur Kecepatan pada Armature
Berdasarkana persamaan di bawah ini :
Jika flux Φ tetap dijaga konstan, dan kecepatannya berubah berdasarkan armature
voltage (Es). Dengan naiknya atau turunnya Es, kecepatan motor akan naik atau turun
sesuai dengan perbandingannya.
Pada gambar di atas dapat dilihat bahwa Es dapat divariasikan dengan
menghubungkan motor armature M ke excited variable – voltage dc generator G yang
berbeda. Field excitation dari motor tetap dijaga tetap kosntan, tetapi generator Ix bisa
divariasikan dari nol sampai maksimum dan bahkan sebaliknya. Oleh sebab itu
generator output voltage Es bisa divariasikan dari nol sampai maksimum, baik dalam
polaritas positif maupun negatif. Oleh karena itu, kecepatan motor dapat divariasikan
dari nol sampai maksimum dalam dua arah. Metode speed control ini, dikenal sebagai
sistem Ward-Leonard, ditemukan di pabrik baja (steel mills), lift bertingkat,
pertambangan, dan pabrik kertas.Dalam instalasi modern, generator sering digantikan
dengan high-power electronic converter yang mengubah ac power dari listrik ke dc.
Ward-Leonard sistem lebih dari sekadar cara sederhana dengan menerapkan
suatu variabel dc ke armature dari motor dc. Hal tersebut benar-benar dapat memaksa
motor utnuk mengembangkan torsi dan kecepatan yang dibutuhkan oleh beban.
Contohnya, misalkan Es disesuaikan dengan sedikit lebih tinggi daripada Eo dari
motor. Arus akan mengalir dengan arah sesuai dengan gambar di atas, dan motor
mengembangkan torsi yang positif. Armature dari motor menyerap power karena I
mengalir ke terminal positif.
Sekarang, misalkan kita megurangi Es dengan mengurangi excitation Φ G.
Segera setelah Es menjadi kurang dari Eo, arus I berbalik. Hasilnya, torsi motor
berbalik dan armature dari motor menghantarkan daya ke generator G. Akibatnya,
motor dc mendadak menjadi generator dan generator G mendadak menjadi motor.
Maka, dengan mengurangi Es, motor tiba-tiba dipaksa untuk memperlambat.
Apa yang terjadi kepada power dc yg diterima oleh generator? Saat generator
menerima daya listrik, generator beroperasi sebagai motor, mengendalikan motor ac
nya sendiri sebagai asynchrounous generator. Hasilnya, ac power memberikan
kembali ke rangkaian yang biasanya memberikan motor ac. Kenyataannya daya bisa
diperoleh kembali, cara ini membuat Ward-Leonard sistem menjadi sangat efisien.
Contoh soal :
Calculate
a. Torsi motor dan kecepatan saat
Es = 400 V dan Eo = 380 V
b. Torsi motor dan kecepatan saat
Es = 350 V dan Eo = 380 V
Solution
a. Arus armature adalah
I = (Es – Eo)/R = (400-380)/0.01
= 2000 A
Daya ke motor armature adalah
P = EoI = 380 x 2000 = 760kW
Kecepatan motor adalah
n = (380 V / 500 V) x 300 = 228r/min
Torsi motor adalah
T = 9.55 P/n
= (9.55 x 760 000)/228
= 47.8 kN.m
b. Karena Eo = 380 V, kecepatan motor masih 228 r/min. Arus armature adalah
I = (Es-Eo)/R = (350-380)/0.01
= -3000A
Arusnya negatif dan mengalir berbalik; akibatnya, torsi motor juga berbalik. Daya
dikembalikan ke generator dan hambatan 10 mΩ :
P = EoI = 380 x 3000 = 1140kW
Braking torque yang dikembangkan oleh motor :
T = 9.55 P/n
= (9.55 X 1 140 000)/228
= 47.8 kN.m
Kecepatan dari motor dan dihubungkan ke beban mekanis akan cepat jatuh dibawah
pengaruh electromechanical braking torque.
Cara lain untuk mengontrol kecepatan dari motor dc adalah menempatkan
rheostat yang di-seri-kan dengan armature (gambar di atas). Arus dalam rheostat
menghasilkan voltage drop jika dikurangi dari fixed source voltage Es, menghasilkan
tegangan suplai yang lebih kecil dari armature. Metode ini memungkinkan kita untuk
mengurangi kecepatan dibawah kecepatan nominalnya. Ini hanya direkomendasikan
untuk motor kecil karena banyak daya dan pasa yang terbuang dalam rheostat, dan
efisiensi keseluruhannya rendah. Di samping itu, pengaturan kecepatan lemah, bahkan
untuk rheostat yg diatur fixed. Akibatnya, IR drop sedangkan rheostat meningkat
sebagaimana arus armature meningkat. Hal ini menghasilkan penurunan kecepatan
yang besar dengan naiknya beban mekanis.
Mengatur Kecepatan dengan Field
Berdasarkan persamaan di atas kita juga dapat memvariasikan kecepatan motor dc
dengan memvariasikan field flux Φ. Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agar
numerator pada persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor
sekarang berubah perbandingannnya ke flux Φ; jika kita menaikkan fluxnya,
kecepatan akan jatuh, dan sebaliknya.
Metode dari speed control ini seringkali digunakan saat motor harus
dijalankan diatas kecepatan rata-ratanya, disebut base speed. Untuk mengatur flux (
dan kecepatannya), kita menghubungkan rheostat Rf secara seri dengan fieldnya.
Untuk mengerti metode speed control, pada gambar di atas awalnya berjalan
pada kecepatan konstan. Counter-emf Eo sedikit lebih rendah dari tegangan suplai
armature Es, karena penurunan IR armature. Jika tiba-tiba hambatan dari rheostat
ditingkatkan, baik exciting current Ix dan flux Φ akan berkurang. Hal ini segera
mengurangi cemf Eo, menyebabkan arus armature I melonjak ke nilai yang lebih
tinggi. Arus berubah secara dramatis karena nilainya tergantung pada perbedaam yang
sangat kecil antara Es dan Eo. Meskipun fieldnya lemah, motor mengembangkan
torsi yang lebih besar dari sebelumnya. Itu akan mempercepat sampai Eo hampir
sama dengan Es.
Untuk lebih jelasnya, untuk mengembangkan Eo yang sama dengan fluks yang
lebih lemah, motor harus berputar lebih cepat. Oleh karena itu kita dapat
meningkatkan kecepatan motor di atas nilai nominal dengan memperkenalkan
hambatan di dalam seri dengan field. Untuk shunt-wound motors, metode dari speed
control memungkinkan high-speed/base-speed rasio setinggi 3 : 1. Range broader
speed cenderung menghasilkan ketidakstabilan dan miskin pergantian.
Di bawah kondisi-kondisi abnormal tertentu, flux mungkin akan drop ke nilai
rendah yang berbahaya. Sebagai contoh, jika arus exciting dari motor shunt sengaja
diputus, satu-satunya flux yang tersisa adalah remanent magnetism (residual
magnetism) di kutub. Flux ini terlalu kecil bagi motor untuk berputar pada kecepatan
tinggi yang berbahaya untuk menginduksi cemf yang diharuskan. Perangkat
keamanan diperkenalkan untuk mencegah kondisi seperti pelarian.
Shunt motor under load
Mempertimbangkan sebuah motor dc berjalan tanpa beban. Jika beban
mekanis tiba-tiba diterapkan pada poros, arus yang kecil tanpa beban tidak
menghasilkan torsi
untuk membawa beban dan motor mulai perlahan turun. Ini
menyebabkan cemf berkurang, menghasilkan arus yang lebih tinggi dan torsi lebih
tinggi. Saat torsi dikembangkan oleh motor adalah sama dengan torsi yang dikenakan
beban mekanik, kemudian, kecepatan akan tetap konstan. Untuk menyimpulkan,
dengan meningkatnya beban mekanis, arus armature akan naik dan kecepatan akan
turun.Kecepatan motor shunt akan tetap relatif konstan dari tidak ada beban ke beban
penuh. Pada motor yang kecil, itu hanya turun sebesar 10-15 persen saat beban penuh
ditambahkan. Pada mesin yang besar, dropnya bahkan berkurang, sebagian ke
hambatan armature yang paling rendah. Dengan menyesuaikan field rheostat,
kecepatan harus dijaga agar benar-benar konstan sesuai dengan perubahan beban.
Series motor
Motor seri identik dalam kosntruksi untuk motor shunt kecuali untuk field.
Field dihubungkan secara seri dengan armature, oleh karena itu, membawa arus
armature seluruhnya. Field seri ini terdiri dari beberapa putaran kawat yang
mempunyai penampang cukup besar untuk membawa arus.
Meskipun kosntruksi serupa, properti dari motor seri benar-benar berbeda dari
motor shunt/ Dalam notor shunt, flux Φ per pole adalah konstan pada semua muatan
karena field shunt dihubungkan ke rangkaian. Tetapi motor seri, flux per pole
tergantung dari arus armature dan beban. Saat arusnya besar, fluxnya besar dan
sebaliknya. Meskipun berbeda, prinsip dasarnya dan perhitungannya tetap sama.
Pada motor yang mempunyai hubungan seri jumlah arus yang melewati
angker dinamo sama besar dengan yang melewati kumparan. Lihat gambar 9. Jika
beban naik motor berputar makin pelan. Jika kecepatan motor berkurang maka medan
magnet yang terpotong juga makin kecil, sehingga terjadi penurunan EMF. kembali
dan peningkatan arus catu daya pada kumparan dan angker dinamo selama ada beban.
Arus lebih ini mengakibatkan peningkatan torsi yang sangat besar.
Catatan :
Contoh keadaan adalah pada motor starter yang mengalami poling ( angker
dinamo menyentuh kutub karena kurang lurus atau ring yang aus). Arus yang
tinggi akan mengalir melalui kumparan dan anker dinamo karena kecepatan
angker dinamo menurun dan menyebabkan turunnya EMF kembali.
Gambar 9. Motor dengan kumparan seri.
EMF kembali mencapai maksimum jika kecepatan angker dinamo maksimum. Arus
yang disedot dari catu daya menurun saat motor makin cepat, karena EMF kembali
yang terjadi melawan arus catu daya.
EMF kembali tidak bisa sama besar dengan arus EMF. yang diberikan pada motor
d.c., sehingga akan mengalir searah dengan EMF yang diberikan.
Karena ada dua EMF. yang saling berlawanan EMF kembali menghapuskan EMF.
yang diberikan, maka arus yang mengalir pada angker dinamo menjadi jauh lebih
kecil jika ada EMF kembali.
Karena EMF kembali melawan tegangan yang diberikan maka resistansi angker
dinamo akan tetap kecil sementara arus angker dinamo dibatasi pada nilai yang aman.
Pengereman Regeneratif
Bagan rangkaian di bawah ini menjelaskan mengenai rangkaian pemenggal yang
bekerja sebagai pengerem regeneratif. Vo hádala gaya gerak listrik yang dibangkitkan
oleh mesin arus searah, sedangkan Vt hádala tegangan sumber bagi motor sekaligus
merupakan batería yang diisi. Ra dan La masing-masing hádala hambatan dan
induktansi jangkar.
Gambar Bagan Pengereman Regeneratif
Prinsip kerja rangkaian ini hádala sebagai berikut :
Ketika saklar pemenggal dihidupkan, maka arus mengalir dari jangkar, melewati
skalar dan kembali ke jangkar. Ketika sakalar pemenggal dimatikan, maka energi
yang tersimpan pada induktor jangkar akan mengalir melewati dioda, baterai dengan
tegangan Vt dan kembali ke jangkar. Analogi rangkaian sistem pengereman
regeneratif dari gambar di atas dapat dibagi menjadi dua mode. Mode-1 ketika saklar
on dan mode ke-2 ketika saklar off seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Gambar Rangkaian ekivalen untuk a) saklar on; b). Saklar off.
dengan :
Vo = gaya gerak listrik
La = induktansi jangkar
Ra = resistansi jangkar
Vt = tegangan batería
i1 = kuat arus jangkar ketika pemenggal on (arus tidak melewati baterai)
i2 = kuat arus jangkar ketika pemenggal off ( arus melewati baterai)
Sedangkan Gambar di bawah ini menunjukkan arus jangkar yang kontinyu dan yang
tidak kontinyu.
Gambar Arus Jangkar. a). Arus Kontinyu; b). Arus Terputus
dengan:
I1o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai on
I2o = kuat arus jangkar saat pemenggal mulai off
ton = lama waktu pemenggal on
toff = lama waktu pemenggal off
td = lama waktu dimana i2 tidak nol
Tp = perioda pemenggal, Tp = ton + toff
Karakteristik motor kompon
Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon,
gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan
dynamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 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.
Gambar Karakteristik Motor Kompon DC
Pengereman pada motor
Pengereman secara elektrik dapat dilaksanakan dengan dua cara yaitu secara:
– Dinamis
– Plugging
 Pengereman secara Dinamis
Pengereman yang dilakukan dengan melepaskan jangkar yang berputar
dari sumber tegangan dan memasangkan tahanan pada terminal jangkar. Oleh
karena itu kita dapat berbicara tentang waktu mekanis T konstan dalam banyak
cara yang sama kita berbicara tentang konstanta waktu listrik sebuah kapasitor
yang dibuang ke dalam sebuah resistor. Pada dasarnya, T adalah waktu yang
diperlukan untuk kecepatan motor jatuh ke 36,8 persen dari nilai awalnya.
Namun, jauh lebih mudah untuk menggambar kurva kecepatan-waktu dengan
mendefinisikan konstanta waktu baru T o yang merupakan waktu untuk kecepatan
dapat berkurang menjadi 50 persen dari nilai aslinya. Ada hubungan matematis
langsung antara konvensional konstanta waktu T dan setengah konstanta waktu T
O Buku
ini diberikan oleh
T o = 0,693 T
Kita dapat membuktikan bahwa waktu mekanis ini konstan diberikan oleh
di
mana
T o = waktu untuk kecepatan motor jatuh ke satu-setengah dari nilai sebelumnya
[s]
J
= momen inersia dari bagian yang berputar, yang disebut poros motor [kg ×
m]
n1 =
awal
laju
pengereman
motor
saat
mulai
[r
/
min]
P 1 = awal daya yang dikirim oleh motor ke pengereman resistor [W]
131,5
=
konstan
[exact
value
0,693
= konstan [exact value = log e 2]
=
(30
/
p)
2
log
e
2]
Persamaan ini didasarkan pada asumsi bahwa efek pengereman sepenuhnya
karena energi pengereman didisipasi di resistor. Secara umum, motor dikenakan
tambahan akibat torsi pengereman windage dan gesekan, sehingga waktu
pengereman akan lebih kecil dari yang diberikan oleh Persamaan. 5.9.
 Pengereman secara Plugging
Kita bisa menghentikan motor bahkan lebih cepat dengan menggunakan metode
yang disebut plugging. Ini terdiri dari tiba-tiba membalikkan arus angker dengan
membalik terminal sumber (Gambar 5.19a).
Gambar 5.18 Kecepatan kurva terhadap waktu untuk berbagai metode
pengereman.
Di bawah kondisi motor normal, angker arus / 1 diberikan oleh
I 1 = (E s - E o) IR
di mana R
o
adalah resistansi armature. Jika kita tiba-tiba membalik terminal
sumber tegangan netto yang bekerja pada sirkuit angker menjadi (E
o
+ E
s).
Yang disebut counter-ggl E o dari angker tidak lagi bertentangan dengan apa-apa
tetapi sebenarnya menambah tegangan suplai E
s.
Bersih ini tegangan akan
menghasilkan arus balik yang sangat besar, mungkin 50 kali lebih besar daripada
beban penuh arus armature.
Arus ini akan memulai suatu busur sekitar
komutator, menghancurkan segmen, kuas, dan mendukung, bahkan sebelum baris
pemutus sirkuit bisa terbuka.
Gambar A Amature terhubung ke sumber dc E s.
Gambar B Menghubungkan.
Untuk mencegah suatu hal yang tidak diinginkan, kita harus membatasi arus balik
dengan memperkenalkan sebuah resistor R dalam seri dengan rangkaian
pembalikan (Gambar 5.19b).
Seperti dalam pengereman dinamis, resistor
dirancang untuk membatasi pengereman awal arus I
2 sampai
sekitar dua kali arus
beban penuh.
Dengan memasukkan rangkaian, torsi reverse dikembangkan bahkan ketika
angker telah datang berhenti. Akibatnya, pada kecepatan nol, E o = 0, tapi aku 2 =
E
s
/ R, yaitu sekitar satu setengah nilai awalnya. Begitu motor berhenti, kita
harus segera membuka sirkuit angker, selain itu akan mulai berjalan secara
terbalik.
Sirkuit gangguan biasanya dikontrol oleh sebuah null-kecepatan
otomatis perangkat terpasang pada poros motor.
Lekuk Gambar. 5,18 memungkinkan kita untuk membandingkan pengereman
plugging dan dinamis untuk pengereman awal yang sama saat ini. Perhatikan
bahwa memasukkan motor benar-benar berhenti setelah selang waktu 2 T
o.
Di
sisi lain, jika pengereman dinamis digunakan, kecepatan masih 25 persen dari
nilai aslinya pada saat ini.
Meskipun demikian, kesederhanaan komparatif
pengereman dinamis menjadikan lebih populer di sebagian besar aplikasi.
Reaksi Jangkar
Terjadinya gaya torsi pada jangkar disebabkan oleh hasil interaksi dua garis medan
magnet. Kutub magnet menghasilkan garis medan magnet dari utara-selatan melewati
jangkar. Interaksi kedua magnet berasal dari stator dengan magnet yang dihasilkan
jangkar mengakibarkan jangkar mendapatkan gaya torsi putar berlawanan arah jarus
jam. Karena medan utama dan medan jangkar terjadi bersama sama hal ini akan
menyebabkan perubahan arah medan utama dan akan mempengaruhi berpindahnya
garis netral yang mengakibatkan kecenderungan timbul bunga api pada saat komutasi.
Untuk itu biasanya pada motor DC dilengkapi dengan kutub bantu yang terlihat
seperti gambar dibawah ini
Gambar kutub bantu (interpole) pada motor DC
Kutub bantu ini terletak tepat pada pertengahan antara kutub utara dan kutub selatan
dan berada pada garis tengah teoritis. Lilitan penguat kutub ini dihubungkan seri
dengan lilitan jangkar, hal ini disebabkan medan lintang tergantung pada arus
jangkarnya. Untuk mengatasi reaksi jangkar pada mesin – mesin yang besar
dilengkapi dengan lilitan kompensasi. Lilitan kompensasi itu dipasang pada alur –
alur yang dibuat pada sepatu kutub dari kutub utama. Lilitan ini sepertijuga halnya
dengan lilitan kutub bantu dihubungkan seri dengan lilitan jangkar. Arah arusnya
berlawanan dengan arah arus kawat jangkar yang berada dibawahnya.
Contoh soal:
1. Jangkar sebuah motor DC tegangan 230 volt dengan tahanan 0.312 ohm dan
mengambil arus 48 A ketika dioperasikan pada beban normal.
a. Hitunglah GGL lawan (Ea) dan daya yang timbul pada jangkar.
b. Jika tahanan jangkar 0.417 ohm, keadaan yang lain sama. Berapa GGL
lawan (Ea) dan daya yang timbul pada jangkar. Penurunan tegangan
pada sikat-sikat sebesar 2 volt untuk soal a dan b.
Jawaban:
a. Ea = V – Ia Ra – 2∆E
= (230 – 2 ) – (48 x 0.312) = 213 volt
Daya yang dibangkitkan pada jangkar = Ea Ia
= 213 x 48
= 10.224 watt
b. Eb = V – Ia Ra – 2∆E
= (230 – 2) – (48 x 0.417) = 208 volt
Daya yang dibangkitkan pada jangkar = Ea Ia
= 208 x 48
= 9984 watt
Generator
1. Pengertian Generator Arus Bolak-balik
Generator arus bolak-balik berfungsi mengubah tenaga mekanis menjadi tenaga listrik
arus bolak-balik. Generator Arus Bolak-balik sering disebut juga sebagai alternator,
generator AC (alternating current), atau generator sinkron. Dikatakan generator
sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet
pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutubkutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan putar pada
stator.Mesin ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub-kutub rotor tidak dapat
tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu sakelar terhubung dengan jalajala.Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:
a. Generator arus bolak-balik 1 fasa
b. Generator arus bolak-balik 3 fasa
Konstruksi Generator Arus Bolak-balik
Konstruksi generator arus bolak-balik ini terdiri dari dua bagian utama, yaitu : (1)
stator, yakni bagian diam yang mengeluarkan tegangan bolakbalik, dan (2) rotor,
yakni bagian bergerak yang menghasilkan medan magnit yang menginduksikan ke
stator. Stator terdiri dari badan generator yang terbuat dari baja yang berfungsi
melindungi bagian dalam generator, kotak terminal dan name plate pada generator.
Inti Stator yang terbuat dari bahan ferromagnetik yang berlapis-lapis dan terdapat
alur-alur tempat meletakkan
lilitan stator. Lilitan stator yang merupakan tempat untuk menghasilkan tegangan.
Sedangkan, rotor berbentuk kutub sepatu (salient) atau kutub dengan celah udara
sama rata (rotor silinder). Konstruksi dari generator sinkron ini dapat dilihat pada
Gambar 1.
Gambar 1 Konstruksi Generator Arus Bolak-balik
Stator :
1. Rumah Stator 2. Inti satator 3. Lilitan stator 4. Alur stator 5. Kontak hubung 6.
Sikat
Rotor :
1. Kutub magnet 2. Lilitan penguat magnet 3. Cincin seret (slip ring) 4. Poros
Prinsip Kerja Generator Arus Bolak-balik
Prinsip dasar generator arus bolak-balik menggunakan hukum Faraday yang
menyatakan jika sebatang penghantar berada pada medan magnet yang berubah-ubah,
maka pada penghantar tersebut akan terbentuk gaya gerak listrik. Prinsip kerja
generator arus bolak-balik tiga fasa (alternator) pada dasarnya sama dengan generator
arus bolak-balik satu fasa, akan tetapi pada generator tiga fasa memiliki tiga lilitan
yang sama dan tiga tegangan outputnya berbeda fasa 1200 pada masing-masing fasa
seperti ditunjukkan
pada Gambar 2.
Gambar 2 Skema Lilitan Stator Generator Tiga Fasa
Besar tegangan generator bergantung pada :
1. Kecepatan putaran (N)
2. Jumlah kawat pada kumparan yang memotong fluk (Z)
Jumlah Kutub
Jumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung dari kecepatan rotor dan frekuensi
dari ggl yang dibangkitkan. Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan :
f=
𝑝𝑛
120
dimana :
f = frekuensi tegangan (Hz)
p = jumlah kutub pada rotor
n = kecepatan rotor
GeneratorTanpa Beban dan Berbeban.
Generator Tanpa Beban (Beban Nol)
Jika poros generator diputar dengan kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan If,
maka tegangan E0 akan terinduksi pada kumparan jangkar stator sebesar : Eo = cn Φ
dimana :
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
Φ = fluks yang dihasilkan oleh If
Generator arus bolak-balik yang dioperasikan tanpa beban, arus jangkarnya akan nol
(Ia = 0) sehingga tegangan terminal Vt = Va = Vo. Karena besar ggl induksi
merupakan fungsi dari flux magnet, maka ggl induksi dapat dirumuskan: Ea = f (Φ),
yang berarti pengaturan arus medan sampai kondisi tertentu akan mengakibatkan ggl
induksi tanpa beban dalam keadaan saturasi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
R
V
S
A
Rotor
Stator
T
Generator Berbeban
Tiga macam sifat beban jika dihubungkan dengan generator, yaitu : beban resistif,
beban induktif, dan beban kapasitif. Akibat pembeban ini akan berpengaruh terhadap
tegangan beban dan faktor dayanya. Gambar 4 menunjukkan jika beban generator
bersifat resistif mengakibatkan penurunan tegangan relatif kecil dengan faktor daya
sama dengan satu. Jika beban generator bersifat induktif terjadi penurunan tegangan
yang cukup besar dengan faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya, Jika beban
generator bersifat kapasitif akan terjadi kenaikan tegangan yang cukup besar dengan
faktor daya mendahului (leading).
Sistem Penguat (Exciter)
Saat generator dihubungkan dengan beban akan menyebabkan tegangan keluaran
generator akan turun, karena medan magnet yang dihasilkan dari arus penguat relatif
konstan. Agar tegangan generator konstan, maka harus ada peningkatan arus
penguatan sebanding dengan kenaikan beban. Gambar 5 menunjukkan sistem arus
penguatan pada generator dan karakteristik tegangan keluarannya. Gambar
Gambar 5 Prinsip Kerja Exciter Generator
Keterangan :
Garis lengkung 1 : Karakteristik tegangan keluar tanpa beban yang diperoleh dari
medan magnet minimum.
Garis lengkung 2 : Karakteristik tegangan dengan penambahan arus penguatan
maksimum.
Garis lengkung 3 : Karakteristik yang bervariasi dengan mengatur arus penguatan
sesuai kebutuhan beban.
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.
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
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.
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 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.
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:
𝑛𝑟 . 𝑝
Fe = 120
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.
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.φ
yang mana:
c = konstanta mesin
n = putaran sinkron
φ = 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
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
Xs = Xm + Xa
yang mana:
Ea = tegangan induksi pada jangkar
V = tegangan terminal output
Ra = resistansi jangkar
Xs = reaktansi sinkron
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
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:
a. Distorsi medan magnet pada celah udara oleh mengalirnya arus pada
stator, disebut reaksi jangkar.
b. Induktansi sendiri kumparan jangkar.
c. Resistansi kumparan jangkar.
d. Efek permukaan rotor kutub sepatu
Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa ditunjukkan pada gambar
di bawah ini
Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa
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
mula-mula 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.
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 =
𝑋𝑎
𝐼𝑎
Oleh karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan
menjadi:
𝐸𝑎
𝑉𝑜𝑐
Xs = 𝐼𝑎 = 𝐼𝑎 ℎ𝑠
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.
𝑉𝑑𝑐
Ra = 2 .
𝐼𝑑𝑐
Penggunaan tegangan DC ini adalah supaya reaktansi kumparan sama
dengan nol pada saat pengukuran.Diagram Fasor
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 berbedabeda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus jangkar Ia
diperlihatkan pada gambar 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.
𝑉𝑛𝑙 − 𝑉𝑓𝑙
𝑉𝑟 =
𝑥 100%
𝑉𝑓𝑙
Kerja Paralel Alternator
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:
a. 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 jala jala.
b. Frekuensi kedua alternator atau frekuensi alternator dengan jala harus
sama
c. Fasa kedua alternator harus sama
d. Urutan fasa kedua alternator harus sama
Bila sebuah generator ’G’ akan diparalelkan dengan jala-jala, maka mulamula 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
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
system tegangan generator.
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.
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 (δ). Semakin besar sudut
antara kedua medan magnet, maka torsi yang dihasilkan akan semakin
besar seperti persamaan di bawah ini.
T = k .BR .Bnet sin δ
Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu
kumparan medan (δ = 0). Setiap penambahan beban membuat medan
motor “tertinggal” dari medan stator, berbentuk sudut kopel (δ); untuk
kemudian berputar dengan kecepatan yang sama lagi. Beban maksimum
tercapai ketika δ = 90o. Penambahan beban lebih 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)
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
Dari gambar 2.2 dapat dibuatkan persamaan tegangan rangkaian ekuivalen
motor sinkron sebagai berikut.
Vθ = Ea + Ia.Ra + jIa.XS atau
Ea = Vθ - Ia.Ra – jIa.XS
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.
3 . 𝑉𝛷 . 𝐸𝑎 . sin 𝜕
Tind =
𝜔𝑚 . 𝑋𝑠
Torsi maksimum motor terjadi ketika δ = 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 kembali ke persamaan (2.1) dan (2.4),
maka persamaan Torsi maksimum (pullout) motor sinkron dapat dibuatkan
sebagai berikut.
Tind = K . Br . Bnet
Atau
3 . 𝑉𝛷 . 𝐸𝑎
Tind = 𝜔𝑚 . 𝑋𝑠
Dari persamaan di atas menunjukkan bahwa semakin besar arus medan,
maka torsi maksimum motor akan semakin besar.
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 δ menjadi lebih besar dan torsi induksi akan naik.
Kenaikan torsi induksi akan menambah kecepatan rotor, dan motor akan
kembali berputar pada kecepatan sinkron tapi dengan sudut torsi δ yang
lebih besar.
Pengaruh Pengubahan Arus Medan pada Motor Sinkron
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 pada diagram
fasor
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.
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.
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.
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
berlebih, sehingga E >V. Arus kapasitif (leading current) ditarik dari jala-jala. Daya
aktif P = VI cos θ = 0. Jadi, motor 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).
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.
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).