Page 1
BAB VII
Generator Sinkron
7.1. Pendahuluan
7.1.1. Deskripsi Singkat
Bab ini akan membahas generator sinkron, konstruksi generator sinkron,
Bentuk penguatan, bentuk rotor, bentuk stator, dan model paralel generator sinkron
6.1.2. Relevansi
Materi yang diberikan pada pokok bahasan ini penting bagi mahasiswa
dalam memahami generator khusunya generator AC. Bab 7 ini erat kaitannya dengan
pembahasan pada Bab 2 dan Bab 4 yang sudah dibahas sebelumnya. Dan juga
memiliki keterkaitan dengan Bab 6 dan Bab 8. Pembahasan yang lebih detail
mengenai generator AC akan diberikan pada mata kuliah tersendiri yakni mesin-
mesin listrik.
7.1.2. Kompetensi Dasar
Menjelaskan prinsip kerja dan elemen-elemen dari generator sinkron
7.2. Penyajian
7.2.1. Konstruksi Generator Sinkron
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan
konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin. Ada dua struktur
kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari mesin tersebut, yaitu
kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan medan magnet, biasa
disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut jangkar) tempat
dibangkitkannya GGL arus bola-balik.
Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa stator yang
diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC pada struktur
medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui slipring dan sikat
Page 2
arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang yaitu sistem “brushless
excitation”.
7.2.2. Bentuk Penguatan
Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan fluks magnetik
diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari generator DC
penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada mesin sinkron
dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti generator
Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang digunakan
tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai penguatan atau
menggunakan magnet permanent (magnet tetap).
Gambar 7.1. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Penguatan Generator DC “Pilot
Exciter”.
Gambar 7.2. Generator Sinkron Tiga fasa dengan Sistem Penguatan “Brushless
Exciter System”.
Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah menggunakan Diode silikon dan
Thyristor.
Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
Page 3
Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus
dialirkan ke rotor melalui Slipring.
“Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang
berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.
7.2.3. Bentuk Rotor
Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan mesin, mesin
dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk silinder gambar
7.3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric atau Generator
Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 7.3b.
Gambar 7.3a. Bentuk Rotor kutub silinder.
Gambar 7.3b. Bentuk Rotor kutub menonjol.
7.2.4. Bentuk Stator
Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik , seperti telah
dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi rugi-rugi arus pusar.
Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas dan resistivitas dari bahan
tinggi.
Page 4
Gambar 7.4. memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar. Belitan
jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada dua tipe
yaitu :
a) Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
b) Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Gambar 7.4. Inti Stator dan Alur pada Stator
a) Bentuk Stator Satu Lapis
Gambar 7.5. memperlihatkan belitan satu lapis, karena hanya ada satu sisi
lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai pada Sa, Sb, dan
Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua cara, yaitu hubungan
bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan sebesar 120 derajat listrik atau
60 derajat mekanik, satu siklus GGL penuh akan dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub
berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus GGL penuh menunjukkan 360 derajat
listrik, adapun hubungan antara sudut rotor mekanis өm dan sudut listrik өe, adalah :
me
P
2 ....................................................................................................(7.1)
Page 5
Gambar 7.5. Belitan Satu Lapis Generator Sinkron Tiga Fasa.
Gambar 7.6. Urutan fasa ABC.
Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 7.6. (searah jarum jam),
urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC, dengan demikian
tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B, dan kemudian fasa
C.
Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau urutan fasa
negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif. Jadi ggl yang
dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah:
EA = EA ∟ 0° volt
EB = EB ∟ -120° volt
EC = EC ∟ -240° volt
b) Belitan Berlapis Ganda
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 5 hanya mempunyai satu
lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan hanya dua lilitan secara
Page 6
seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar, masing-masing penghantar yang berada dalam
alur akan membangkitkan tegangan yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan
sama untuk menghasilkan tegangan per penghantar dan jumlah total dari penghantar
per fasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara yang efektif
dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam inti dan juga
melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan harmonik. Untuk
mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan terdistribusi
dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7.7 memperlihatkan bagian dari
sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada masing-masing
alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki lebih dari satu putaran.
Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur biasanya disebut “ Winding
Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding overhang.
Gambar 7.7. Belitan Berlapis Ganda Generator Sinkron Tiga Fasa.
7.2.5. Faktor Distribusi
Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan terdiri dari sejumlah
lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah. Sehingga, GGLl pada terminal
menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan kumparan yang telah dipusatkan. Suatu
faktor yang harus dikalikan dengan GGL dari sebuah kumparan distribusi untuk
menghasilkan total GGL yang dibangkitkan disebut faktor distribusi Kd untuk
Page 7
kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari satu (Kd < 1). Diasumsikan ada n alur per
fasa per kutub, maka jarak antara alur dalam derajat listrik, adalah :
m
listrikderajat180 ..............................................................................(7.2)
dimana m menyatakan jumlah fasa.
Gambar 7.8. Diagram Phasor dari Tegangan Induksi Lilitan.
Perhatikan gambar 7.8, disini diperlihatkan GGL yang dinduksikan dalam
alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan dalam alur 1 sebesar ψ
=15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan dalam alur 3 akan tertinggal
2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini ditunjukkan masing-masing oleh phasor
E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.
E = E1 + E2 + E3 + E4
Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar dari GGL lilitan oleh
faktor.
tan4
4321
liliE
EEEE
aljabarjumlah
vektorjumlahKd
..............................................(7.3)
Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan persamaan:
2sin
2
1sin
n
n
Kd .........................................................................................(7.4)
Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang
tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 7.9.
Page 8
Gambar 7.9. Total GGL Et dari Tiga GGL Sinusoidal.
7.2.6. Faktor Kisar
Gambar 7.10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan, bila sisi
lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan bila diletakkan
dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan 5/6 kisar kutub.
Gambar 7.10. Kisar Kumparan
Kisar :
5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat
1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat.
Kisar pendek sering digunakan, karena mempunyai beberapa keuntungan,
diantaranya:
• Menghemat tembaga yang digunakan.
Page 9
• Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan.
• Kerugian arus pusar dan Hysterisis dapat dikurangi.
tan
tan)(
liliinduksigglaljabarjumlah
liliinduksigglvektrojumlahKpKisarFaktor ...........................(7.5)
EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila lilitan merupakan kisar
penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 7.11).
Gambar 7.11. Vektor Tegangan Lilitan.
Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik, seperti diperlihatkan
pada gambar 7.8b, maka tegangan resultannya adalah:
E = 2 EL. Cos 30/2
15cos
2
230cos2
2 EL
EL
EL
EKp ......................................................(7.6)
atau,
2sin
2cos
2
30cos
PKp
.....................................................................(7.7)
dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.
7.2.7. Gaya Gerak Listrik Kumparan
Sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya tegangan
masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang
terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
Page 10
Apabila
Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2 T
T = Jumlah lilitan per fasa
dφ = φP dan dt = 60/N detik
maka GGL induksi rata-rata per penghantar:
6060
NP
N
P
dt
dEr
volt.....................................................................(7.8)
sedangkan jika,
120
PNf
atau,
P
fN
120
Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi:
fP
fPEr 2
120
60 (volt).....................................................................(7.9)
bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL rata-rata/fasa
= Zf 2 Volt
= Tf 22 = Tf 4 volt
GGL efektif/fasa = Tf 411.1 = Tf 44.4 volt
bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL efektif/fasa
TfKpKdE 44,4 (volt)..............................................................(7.8)
7.2.8. Metode Paralel Generator Sinkron
Bila suatu generator mendapatkan pembebanan yang melebihi dari
kapasitasnya, maka dapat mengakibatkan generator tersebut tidak bekerja atau
bahkan akan mengalami kerusakan. Untuk mengatasi kebutuhan listrik atau beban
yang terus meningkat tersebut, bisa diatasi dengan menjalankan generator lain yang
Page 11
kemudian dioperasikan secara paralel dengan generator yang telah bekerja
sebelumnya, pada satu jaringan listrik yang sama.
Keuntungan dari menggabungkan 2 generator atau lebih dalam suatu
jaringan listrik adalah bila salah satu generator tiba-tiba mengalami gangguan, maka
generator tersebut dapat dihentikan serta beban dialihkan pada generator lain,
sehingga pemutusan listrik secara total bisa dihindari.
Cara Memparalel Generator
Syarat-syarat yang harus dipenuhi untuk memparalel dua buah generator
atau lebih ialah:
Polaritas dari generator harus sama dan tidak bertentangan setiap saat
terhadap satu sama lainnya.
Nilai efektif arus bolak-balik dari tegangan harus sama.
Tegangan Generator yang diparalelkan mempunyai bentuk gelombang yang
sama.
Frekuensi kedua generator atau frekuensi generator dengan jala-jala harus
sama.
Urutan fasa dari kedua generator harus sama.
Ada beberapa cara untuk memparalelkan generator dengan mengacu pada
syarat-syarat diatas, yaitu :
a. Lampu Cahaya berputar dan Volt-meter
b. Voltmeter, Frekuensi Meter, dan Synchroscope.
c. Cara Otomatis
a) Lampu Cahaya Berputar dan Volt-meter
Dengan rangkaian pada gambar 7.12, pilih lampu dengan tegangan kerja dua
kali tegangan fasa-netral generator atau gunakan dua lampu yang dihubungkan secara
seri. Dalam keadaan saklar S terbuka operasikan generator, kemudian lihat urutan
nyala lampu. Urutan lampu akan berubah menurut urutan L1 - L2 - L3 - L1 - L2 - L3.
Page 12
Gambar 7.12. Rangkaian Paralel Generator.
Perhatikan Gambar 7.13a, pada keadaan ini L1 paling terang, L2 terang, dan L3
redup. Perhatikan Gambar 7.13b, pada keadaan ini:
• L2 paling terang
• L1 terang
• L3 terang
Perhatikan gambar 7.13c, pada keadaan ini,
• L1 dan L2 sama terang
• L3 Gelap dan Voltmeter=0 V
Pada saat kondisi ini maka generator dapat diparalelkan dengan jala-jala (generator
lain).
b) Voltmeter, Frekuensi Meter dan Synchroscope
Pada pusat-pusat pembangkit tenaga listrik, untuk indikator paralel generator
banyak yang menggunakan alat Synchroscope, gambar 7.14. Penggunaan alat ini
dilengkapi dengan Voltmeter untuk memonitor kesamaan tegangan dan Frekuensi
meter untuk kesamaan frekuensi.
Ketepatan sudut fasa dapat dilihat dari synchroscope. Bila jarum penunjuk berputar
berlawanan arah jarum jam, berarti frekuensi generator lebih rendah dan bila searah
jarum jam berarti frekuensi generator lebih tinggi. Pada saat jarum telah diam dan
menunjuk pada kedudukan vertikal, berarti beda fasa generator dan jala-jala telah 0
Page 13
(Nol) dan selisih frekuensi telah 0 (Nol), maka pada kondisi ini saklar dimasukkan
(ON). Alat synchroscope tidak bisa menunjukkan urutan fasa jala-jala, sehingga
untuk memparalelkan perlu dipakai indikator urutan fasa jala-jala.
Gambar 7.13 a,b dan c. Rangkaian Lampu Berputar.
c) Paralel Otomatis
Paralel generator secara otomatis biasanya menggunakan alat yang secara
otomatis memonitor perbedaan fasa, tegangan, frekuensi, dan urutan fasa. Apabila
semua kondisi telah tercapai alat memberi suatu sinyal bahwa saklar untuk paralel
dapat dimasukkan.
Gambar 7.14. Synchroscope.
Page 14
7.2.9. Rangkuman
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama dengan
konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin.
Untuk membangkitkan fluks magnetik diperlukan penguatan DC.
Untuk lebih mendekati nilai GGL sebenarnya yang terjadi maka harus
diperhatikan faktor distribusi dan faktor kisar.
7.3. Penutup
Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan hal-
hal yang paling mendasar dalam genertaor sinkron. Pokok bahasan ini juga sangat
erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada
semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point
penting dalam pokok bahasan ini.
Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang
diberikan pada Bab 7, berikut ini latihan soal untuk dikerjakan.
7.3.2. Latihan
Selesaikanlah soal-soal berikut, kemudian cocokanlah jawaban Anda dengan
kunci jawaban yang tersedia.
1. Jelaskan tipe sistem penguatan “solid state”!
2. Apa keuntungan dari kumparan distribusi!
3. Sebuah generator Sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut mekanis bila
sudut listtrik ditunjukkan dengan 180 derajat listrik.
7.3.3. Kunci Jawaban
1. Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor statis, dan arus
dialirkan ke rotor melalui Slipring.
“Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan diporos yang
berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan slip-ring.
Page 15
2. Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki bentuk gelombang
tegangan yang dibangkitkan.
3. Hubunga sudut listrik dan sudut mekanik diberikan dalam persamaan:
me
P
2
me
P
2 atau
P
e
m
2 = 30
12
1802
Daftar Pustaka
1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta,
1995
2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I
3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II
Senarai
Single Layer Winding : Belitan satu lapis
Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda
Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur.
Page 16
BAB VIII
MOTOR LISTRIK
8.1. Pendahuluan
8.1.1. Deskripsi Singkat
Bab ini akan membahas prinsip dasar dari motor listrik, motor listrik arus
searah, motor listrik arus bolak-balik, motor induksi. Penjelasan lebih difokuskan
pada pembahasan tentang komponen-komponen dan karakteristik dari setiap motor
listrik dan juga prinsip kerjanya.
8.1.2. Relevansi
Materi pada Bab 8 ini memiliki keterkaitan dengan pembahasan pada Bab-
bab sebelumnya khususnya Bab 2, Bab 4, Bab 5, Bab 6, dan Bab 7. Adapun
pembahasan yang lebih detail diberikan tersendiri dalam mata kuliah mesin-mesin
listrik, sehingga Bab ini punya keterkaitan dengan mata kuliah pada semester
selanjutnya.
8.1.2. Kompetensi Dasar
Menjelaskan prinsip dasar dari motor listrik
8.2. Penyajian
8.2.1. Umum
Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan
merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi
energi mekanik.. Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum
sama (Gambar 8.1), yaitu:
Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.
Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah
lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet,
akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
Page 17
Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.
Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan
tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh
susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang
dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi
sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan
kedalam tiga kelompok:
Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya
bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi.
Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa
displacement konstan.
Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi
dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa
sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).
Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang
berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban
dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
Gambar 8.1. Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.
Page 18
8.2.2. Jenis Motor Litrik
Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan
motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi,
dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawah ini.
Gambar 8.2. Klasifikasi Motor Listrik.
1. Motor DC/Arus Searah
Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung
yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan
khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap
untuk kisaran kecepatan yang luas.
Gambar 8.3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga
komponen utama:
Kutub medan. Secara sederhana digambarkan bahwa interaksi dua kutub
magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki
kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada
ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan:
kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi
bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih
besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet.
Page 19
Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia
struktur medan.
Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi
elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as
penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil,
dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub,
sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi,
arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC.
Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo.
Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber
daya.
Gambar 8.3. Motor DC.
Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak
mempengaruhi kualitas pasokan daya. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan
dengan mengatur:
Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan
kecepatan.
Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
Page 20
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada
umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan
daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering
terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih
besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan
tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal
dibanding motor AC.
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan
dalam persamaan berikut:
Gaya elektromagnetik: E = KΦN ………….…………………………….(8.1)
Torsi: T = KΦIa …………….……………………………………………(8.2)
dengan:
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt)
Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)
T = torsi electromagnetik
Ia = arus dinamo
K = konstanta persamaan
Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah
a) Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited, Jika arus medan dipasok
dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately
excited.
b) Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt. Pada motor shunt,
gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan
dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 8.4. Oleh karena itu total arus
dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.
Page 21
Gambar 8.4. Karakteristik Motor DC Shunt.
Kecepatan Motor Shunt
Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi
tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu
cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti
peralatan mesin.
Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan dalam susunan
seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada
arus medan (kecepatan bertambah).
c) Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan
shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan
dalam gambar 8.5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo.
Kecepatan Motor
Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.
Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan
mempercepat tanpa terkendali.
Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal
yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar 8.5).
Page 22
Gambar 8.5. Karakteristik Motor DC Seri.
d) Motor DC Kompon/Gabungan.
Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor
kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri
dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 8.6.
Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan
kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase
gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque
penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-
50% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek,
sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok.
Gambar 8.6. Karakteristik Motor DC Kompon.
Page 23
2. Motor AC/Arus Bolak-Balik
Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan
arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua
buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar
8.7.
Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen
listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap
motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk
mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi
variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya.
Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena
kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah
(harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan
rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).
Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik
a) Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan
tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC)
untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh
karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah,
seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor
sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering
digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik.
Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 8.7):
1. Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah
bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan
perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor
tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited,
Page 24
yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan
medan magnet lainnya.
2. Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan
frekwensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut :
P
fNs
120…………………………………………………………….(8.3)
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
Gambar 8.7. Motor Sinkron.
b) Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan
pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang
sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke
sumber daya AC.
Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama (Gambar 8.8):
1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan
dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan
pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
Page 25
Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan
terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi
kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke
cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel
padanya.
2. Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa
gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang
tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .
Klasifikasi motor induksi
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama:
1. Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator,
beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai,
dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor
ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah
tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk
penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
2. Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan
tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi,
dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki
rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70%
motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor,
belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga
ratusan Hp.
Gambar 8.8 Motor Induksi.
Page 26
Kecepatan motor induksi
Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan
menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron
disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk
melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu,
didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada
“kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan
tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya
beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang
sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip
ring motor”.
Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase
slip/geseran:
100%
Ns
NbNsslip ………………………………………………..(8.4)
dengan:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi
Gambar 8.9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga
fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):
Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang
rendah (“pull-up torque”).
Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out
torque”) dan arus mulai turun.
Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke
nol.
Page 27
Gambar 8.9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.
8.2.3. Motor Listrik AC Satu Fasa
Berdasarkan karakteristik dari arus listrik yang mengalir, motor AC
(Alternating Current, Arus Bolak-balik) terdiri dari 2 jenis, yaitu:
1. Motor listrik AC / arus bolak-balik 1 fasa
2. Motor listrik AC / arus bolak-balik 3 fasa
Pembahasan dalam pokok bahasan ini dititik beratkan pada motor listrik AC 1 fasa,
yang terdiri dari:
Motor Kapasitor
Motor Shaded Pole
Motor Universal
Prinsip kerja Motor AC Satu Fasa
Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa,
dimana pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang
menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan interaksi torsi
yang menghasilkan putaran. Sedangkan pada motor satu fasa memiliki dua belitan
stator, yaitu belitan fasa utama (belitan U1-U2) dan belitan fasa bantu (belitan Z1-
Z2), lihat gambar8.10.
Page 28
Gambar 8.10. Prinsip Medan Magnet Utama dan Medan magnet Bantu Motor Satu
fasa
Belitan utama menggunakan penampang kawat tembaga lebih besar
sehingga memiliki impedansi lebih kecil. Sedangkan belitan bantu dibuat dari
tembaga berpenampang kecil dan jumlah belitannya lebih banyak, sehingga
impedansinya lebih besar dibanding impedansi belitan utama.
Grafik arus belitan bantu Ibantu dan arus belitan utama Iutama berbeda fasa
sebesar φ, hal ini disebabkan karena perbedaan besarnya impedansi kedua belitan
tersebut. Perbedaan arus beda fasa ini menyebabkan arus total, merupakan
penjumlahan vektor arus utama dan arus bantu. Medan magnet utama yang dihasilkan
belitan utama juga berbeda fasa sebesar φ dengan medan magnet bantu.
Gambar 8.11. grafik Gelombang arus medan bantu dan arus medan utama
Page 29
Gambar 8.12. Medan magnet pada Stator Motor satu fasa
Belitan bantu Z1-Z2 pertama dialiri arus Ibantu menghasilkan fluks magnet
Φ tegak lurus, beberapa saat kemudian belitan utama U1-U2 dialiri arus utama
Iutama. yang bernilai positip. Hasilnya adalah medan magnet yang bergeser sebesar
45° dengan arah berlawanan jarum jam. Kejadian ini berlangsung terus sampai satu
siklus sinusoida, sehingga menghasilkan medan magnet yang berputar pada belitan
statornya.
Rotor motor satu fasa sama dengan rotor motor tiga fasa yaitu berbentuk
batang-batang kawat yang ujung-ujungnya dihubung singkatkan dan menyerupai
bentuk sangkar tupai, maka sering disebut rotor sangkar.
Gambar 8.13. Rotor sangkar
Page 30
Belitan rotor yang dipotong oleh medan putar stator, menghasilkan tegangan induksi,
interaksi antara medan putar stator dan medan magnet rotor akan menghasilkan torsi
putar pada rotor.
Motor Kapasitor
Motor kapasitor satu phasa banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga
seperti motor pompa air, motor mesin cuci, motor lemari es, motor air conditioning.
Konstruksinya sederhana dengan daya kecil dan bekerja dengan tegangan suplai PLN
220 V, oleh karena itu menjadikan motor kapasitor ini banyak dipakai pada peralatan
rumah tangga.
Gambar 8.14. Motor kapasitor
Belitan stator terdiri atas belitan utama dengan notasi terminal U1-U2, dan
belitan bantu dengan notasi terminal Z1-Z2 Jala-jala L1 terhubung dengan terminal
U1, dan kawat netral N terhubung dengan terminal U2. Kondensator kerja berfungsi
agar perbedaan sudut phasa belitan utama dengan belitan bantu mendekati 90°.
Pengaturan arah putaran motor kapasitor dapat dilakukan dengan (lihat gambar 8.15):
Untuk menghasilkan putaran ke kiri (berlawanan jarum jam) kondensator
kerja CB disambungkan ke terminal U1 dan Z2 dan terminal Z1 dikopel
dengan terminal.
Putaran ke kanan (searah jarum jam) kondensator kerja disambung kan ke
terminal Z1 dan U1 dan terminal Z2 dikopel dengan terminal U1.
Page 31
Gambar 8.15. Pengawatan motor kapasitor dengan pembalik putaran.
Motor kapasitor dengan daya diatas 1 KW di lengkapi dengan dua buah
kondensator dan satu buah saklar sentrifugal. Belitan utama U1-U2 dihubungkan
dengan jala-jala L1 dan Netral N. Belitan bantu Z1-Z2 disambungkan seri dengan
kondensator kerja CB, dan sebuah kondensator starting CA diseri dengan kontak
normally close (NC) dari saklar sentrifugal, lihat gambar 8.16.
Awalnya belitan utama dan belitan bantu mendapatkan tegangan dari jala-
jala L1 dan Netral. Kemudian dua buah kondensator CB dan CA, keduanya
membentuk loop tertutup sehingga rotor mulai berputar, dan ketika putaran
mendekati 70% putaran nominalnya, saklar sentrifugal akan membuka dan kontak
normally close memutuskan kondensator bantu CA.
Gambar 8.16. Pengawatan dengan Dua Kapasitor
Page 32
Fungsi dari dua kondensator yang disambungkan parallel, CA+CB, adalah
untuk meningkatkan nilai torsi awal untuk mengangkat beban. Setelah putaran motor
mencapai 70% putaran, saklar sentrifugal terputus sehingga hanya kondensator kerja
CB saja yang tetap bekerja. Jika kedua kondensator rusak maka torsi motor akan
menurun drastis, lihat gambar 8.17.
Gambar 8.17. Karakteristik Torsi Motor kapasitor
MotorShaded Pole
Motor shaded pole atau motor phasa terbelah termasuk motor satu phasa
daya kecil, dan banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga sebagai motor
penggerak kipas angin, blender. Konstruksinya sangat sederhana, pada kedua ujung
stator ada dua kawat yang terpasang dan dihubung singkatkan fungsinya sebagai
pembelah phasa.
Belitan stator dibelitkan sekeliling inti membentuk seperti belitan transfor
mator. Rotornya berbentuk sangkar tupai dan porosnya ditempatkan pada rumah
stator ditopang dua buah bearing.
Page 33
Gambar 8.18. motor shaded pole, Motor fasa terbelah.
Irisan penampang motor shaded pole memperlihatkan dua bagian, yaitu bagian stator
dengan belitan stator dan dua kawat shaded pole. Bagian rotor sangkar ditempatkan di
tengah-tengah stator, lihat gambar 8.19.
Gambar 8.19. Penampang motor shaded pole.
Torsi putar dihasilkan oleh adanya pembelahan phasa oleh kawat shaded pole.
Konstruksi yang sederhana, daya yang kecil, handal, mudah dioperasikan, bebas
perawatan dan cukup di suplai dengan Tegangan AC 220 V, jenis motor shaded pole
banyak digunakan untuk peralatan rumah tangga kecil.
Motor Universal
Page 34
Motor Universal termasuk motor satu phasa dengan menggunakan belitan
stator dan belitan rotor. Motor universal dipakai pada mesin jahit, motor bor tangan.
Perawatan rutin dilakukan dengan mengganti sikat arang yang memendek atau pegas
sikat arang yang lembek. Kontruksinya yang sederhana, handal, mudah dioperasikan,
daya yang kecil, torsinya yang cukup besar motor universal dipakai untuk peralatan
rumah tangga.
Gambar 8.20. komutator pada motor universal.
Bentuk stator dari motor universal terdiri dari dua kutub stator. Belitan rotor
memiliki dua belas alur belitan dan dilengkapi komutator dan sikat arang yang
menghubungkan secara seri antara belitan stator dengan belitan rotornya. Motor
universal memiliki kecepatan tinggi sekitar 3000 rpm.
Gambar 8.21. stator dan rotor motor universal
Aplikasi motor universal untuk mesin jahit, untuk mengatur kecepatan dihubungkan
dengan tahanan geser dalam bentuk pedal yang ditekan dan dilepaskan.
8.2.4. Rangkuman
Page 35
Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik dinamis dan merupakan
sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi
energi mekanik..
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang
dimaksud dengan beban motor.
Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung
yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada
penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau
percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Motor AC satu fasa berbeda cara kerjanya dengan motor AC tiga fasa, dimana
pada motor AC tiga fasa untuk belitan statornya terdapat tiga belitan yang
menghasilkan medan putar dan pada rotor sangkar terjadi induksi dan
interaksi torsi yang menghasilkan putaran.
8.3. Penutup
Pembahasan yang diberikan pada pokok bahasan sejauh ini merupakan hal-
hal yang paling mendasar dalam motor-motor listrik. Pokok bahasan ini juga sangat
erat kaitannya dengan mata kuliah mesin-mesin listrik yang akan anda peroleh pada
semester selanjutnya, oleh karena itu disarankan untuk membaca kembali poin-point
penting dalam pokok bahasan ini.
Untuk mengetahui sejauh mana mahasiswa memahami pokok bahasan yang
diberikan pada Bab 8, berikut ini beberapa latihan soal untuk dikerjakan.
8.3.1. Latihan
Selesaikanlah soal-soal berikut, dan cocokanlah jawaban Anda dengan kunci
jawaban yang tersedia.
1. Jelaskan tentang rotor motor induksi!
2. Jelaskan cara mengendalikan keceparan motor DC!
3. Jelaskan perbedaan utama antara motor sinkron dan motor induksi.
Page 36
8.3.2. Kunci Jawaban
1. Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan
dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan
pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan
terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi
kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke
cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel
padanya.
2. Kecepatan Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur:
Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan
kecepatan.
Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.
3. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa
rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran
medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi
terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang
dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan
magnet lainnya.
Daftar Pustaka
1. Zuhal, “Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika Daya”, Penerbit Gramedia, Jakarta,
1995
2. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume I
3. http://www.faqs.org/docs/elctric/ Lessons In Electric Circuits -- Volume II
Page 37
Senarai
Slip : pergeseran
Single Layer Winding : Belitan satu lapis
Double Layer Winding : Belitan berlapis ganda
Winding Overhang : bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur
Pole : kutub