Pengertian Motor DC
MOTOR DCPengertian Motor DCMotor 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
kutub-kutub magnet permanen.Gambar 1. Motor D.C SederhanaCatu
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 magnetPrinsip Dasar Cara KerjaJika 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 MotorUntuk 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..z = 0,8
(Vs/m2). 10A. 0,15 m.400 = 480 (Vs.A/m) = 480 (Ws/m) = 480 N.
Electromotive Force (EMF) / Gaya Gerak ListrikEMF 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 magnetTidak ada
arus induksi yang terjadi jika angker dinamo diam.Mengatur
Kecepatan pada ArmatureBerdasarkana persamaan di bawah ini :
Jika flux 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 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 :
Calculatea. Torsi motor dan kecepatan saatEs = 400 V dan Eo =
380 Vb. Torsi motor dan kecepatan saatEs = 350 V dan Eo = 380 V
Solutiona. Arus armature adalahI = (Es Eo)/R = (400-380)/0.01 =
2000 A Daya ke motor armature adalahP = EoI = 380 x 2000 = 760kW
Kecepatan motor adalahn = (380 V / 500 V) x 300 = 228r/min Torsi
motor adalahT = 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 adalahI = (Es-Eo)/R = (350-380)/0.01 = -3000AArusnya
negatif dan mengalir berbalik; akibatnya, torsi motor juga
berbalik. Daya dikembalikan ke generator dan hambatan 10 m :P = EoI
= 380 x 3000 = 1140kWBraking torque yang dikembangkan oleh motor :T
= 9.55 P/n = (9.55 X 1 140 000)/228 = 47.8 kN.mKecepatan 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 FieldBerdasarkan persamaan di atas kita juga dapat
memvariasikan kecepatan motor dc dengan memvariasikan field flux .
Tegangan armature Es tetap dijaga konstan agar numerator pada
persamaan di atas juga konstan. Oleh sebab itu, kecepatan motor
sekarang berubah perbandingannnya ke flux ; 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 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 loadMempertimbangkan 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 motorMotor
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 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 RegeneratifBagan rangkaian di bawah ini menjelaskan
mengenai rangkaian pemenggal yang bekerja sebagai pengerem
regeneratif. Vo hdala gaya gerak listrik yang dibangkitkan oleh
mesin arus searah, sedangkan Vt hdala tegangan sumber bagi motor
sekaligus merupakan batera yang diisi. Ra dan La masing-masing
hdala hambatan dan induktansi jangkar.
Gambar Bagan Pengereman Regeneratif
Prinsip kerja rangkaian ini hdala 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 listrikLa = induktansi jangkarRa =
resistansi jangkarVt = tegangan baterai1 = 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 onI2o = kuat
arus jangkar saat pemenggal mulai offton = lama waktu pemenggal
ontoff = lama waktu pemenggal offtd = lama waktu dimana i2 tidak
nolTp = 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 motorPengereman secara elektrik dapat
dilaksanakan dengan dua cara yaitu secara: Dinamis Plugging
Pengereman secara DinamisPengereman 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. However, it is much easier to draw the
speed-time curves by defining a new time constant T o which is the
time for the speed to decrease to 50 percent of its original value.
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. There is a direct mathematical relationship between the
conventional time constant T and the half-time constant T o It is
given by Ada hubungan matematis langsung antara konvensional
konstanta waktu T dan setengah konstanta waktu T O Buku ini
diberikan oleh T o = 0.693 T (5.8) T o = 0,693 T
Kita dapat membuktikan bahwa waktu mekanis ini konstan diberikan
oleh
di mana
T o = time for the motor speed to fall to one-half its previous
value [s] T o = waktu untuk kecepatan motor jatuh ke satu-setengah
dari nilai sebelumnya [s] J = moment of inertia of the rotating
parts, referred to the motor shaft [kgm] J = momen inersia dari
bagian yang berputar, yang disebut poros motor [kg m] n 1 = initial
speed of the motor when braking starts [r/min] n 1 = awal laju
pengereman motor saat mulai [r / min] P 1 = initial power delivered
by the motor to the braking resistor [W] P 1 = awal daya yang
dikirim oleh motor ke pengereman resistor [W] 131.5 = a constant
[exact value = (30/p) 2 log e 2] 131,5 = konstan [exact value = (30
/ p) 2 log e 2] 0.693 = a constant [exact value = log e 2] 0,693 =
konstan [exact value = log e 2]
Persamaan ini didasarkan pada asumsi bahwa efek pengereman
sepenuhnya karena energi pengereman didisipasi di resistor. In
general, the motor is subjected to an extra braking torque due to
windage and friction, and so the braking time will be less than
that given by Eq. Secara umum, motor dikenakan tambahan akibat
torsi pengereman windage dan gesekan, sehingga waktu pengereman
akan lebih kecil dari yang diberikan oleh Persamaan. 5.9. 5.9.
Pengereman secara PluggingKita 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).
Figure 5.18 Speed versus time curves for various braking
methods. 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 I 1 = (E s - E o) IR
where R o is the armature resistance.di mana R o adalah
resistansi armature. If we suddenly reverse the terminals of the
source, the net voltage acting on the armature circuit becomes ( E
o + E s ). Jika kita tiba-tiba membalik terminal sumber tegangan
netto yang bekerja pada sirkuit angker menjadi (E o + E s). The
so-called counter-emf E o of the armature is no longer counter to
anything but actually adds to the supply voltage E s . Yang disebut
counter-ggl E o dari angker tidak lagi bertentangan dengan apa-apa
tetapi sebenarnya menambah tegangan suplai E s. This net voltage
would produce an enormous reverse current, perhaps 50 times greater
than the full-load armature current. Bersih ini tegangan akan
menghasilkan arus balik yang sangat besar, mungkin 50 kali lebih
besar daripada beban penuh arus armature. This current would
initiate an arc around the commutator, destroying segments,
brushes, and supports, even before the line circuit breakers could
open. Arus ini akan memulai suatu busur sekitar komutator,
menghancurkan segmen, kuas, dan mendukung, bahkan sebelum baris
pemutus sirkuit bisa terbuka.
Figure 5.19a Armature connected to dc source E s . Gambar A
Amature terhubung ke sumber dc E s.
Figure 5.19b Plugging. 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). As in dynamic
braking, the resistor is designed to limit the initial braking
current I 2 to about twice full-load current. Seperti dalam
pengereman dinamis, resistor dirancang untuk membatasi pengereman
awal arus I 2 sampai sekitar dua kali arus beban penuh. With this
plugging circuit, a reverse torque is developed even when the
armature has come to a stop.
Dengan memasukkan rangkaian, torsi reverse dikembangkan bahkan
ketika angker telah datang berhenti. In effect, at zero speed, E o
= 0, but I 2 = E s /R, which is about one-half its initial value.
Akibatnya, pada kecepatan nol, E o = 0, tapi aku 2 = E s / R, yaitu
sekitar satu setengah nilai awalnya. As soon as the motor stops, we
must immediately open the armature circuit, otherwise it will begin
to run in reverse. Begitu motor berhenti, kita harus segera membuka
sirkuit angker, selain itu akan mulai berjalan secara terbalik.
Circuit interruption is usually controlled by an automatic
null-speed device mounted on the motor shaft. Sirkuit gangguan
biasanya dikontrol oleh sebuah null-kecepatan otomatis perangkat
terpasang pada poros motor.
The curves of Fig. Lekuk Gambar. 5.18 enable us to compare
plugging and dynamic braking for the same initial braking current.
5,18 memungkinkan kita untuk membandingkan pengereman plugging dan
dinamis untuk pengereman awal yang sama saat ini. Note that
plugging stops the motor completely after an interval 2 T o .
Perhatikan bahwa memasukkan motor benar-benar berhenti setelah
selang waktu 2 T o. On the other hand, if dynamic braking is used,
the speed is still 25 percent of its original value at this time.
Di sisi lain, jika pengereman dinamis digunakan, kecepatan masih 25
persen dari nilai aslinya pada saat ini. Nevertheless, the
comparative simplicity of dynamic braking renders it more popular
in most applications. Meskipun demikian, kesederhanaan komparatif
pengereman dinamis menjadikan lebih populer di sebagian besar
aplikasi.Reaksi JangkarTerjadinya 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 2E= (230 2 ) (48 x 0.312) = 213 voltDaya
yang dibangkitkan pada jangkar = Ea Ia= 213 x 48= 10.224 wattb. Eb=
V Ia Ra 2E= (230 2) (48 x 0.417) = 208 voltDaya yang dibangkitkan
pada jangkar = Ea Ia= 208 x 48= 9984 watt
Generator1. Pengertian Generator Arus Bolak-balikGenerator 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 kutub-kutub 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
jala-jala.Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis,
yaitu:a. Generator arus bolak-balik 1 fasab. 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
meletakkanlilitan 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-balikStator :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-balikPrinsip 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 FasaBesar tegangan
generator bergantung pada :1. Kecepatan putaran (N)2. Jumlah kawat
pada kumparan yang memotong fluk (Z)3. Banyaknya fluk magnet yang
dibangkitkan oleh medan magnet ()
Jumlah KutubJumlah kutub generator arus bolak-balik tergantung
dari kecepatan rotor dan frekuensi dari ggl yang dibangkitkan.
Hubungan tersebut dapat ditentukan dengan persamaan :
f =
dimana : f = frekuensi tegangan (Hz)p = jumlah kutub pada rotorn
= 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 dimana :c = konstanta mesinn = putaran sinkron = fluks yang
dihasilkan oleh IfGenerator 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 (),
yang berarti pengaturan arus medan sampai kondisi tertentu akan
mengakibatkan ggl induksi tanpa beban dalam keadaan saturasi
seperti ditunjukkan pada Gambar 3.
Generator BerbebanTiga 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 bebangenerator
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 GeneratorKeterangan :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 sinkronArus 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 SinkronJika 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 SinkronFrekuensi 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:Fe =
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 bebanDengan 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.yang mana: c =
konstanta mesinn = putaran sinkron = fluks yang dihasilkan oleh
IFDalam 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 BerbebanDalam 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.XsXs = Xm + Xayang mana:Ea = tegangan
induksi pada jangkar V = tegangan terminal output Ra = resistansi
jangkar Xs = reaktansi sinkronKarakteristik 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 SinkronTegangan 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 sepatuRangkaian ekuivalen generator sinkron
perfasa ditunjukkan pada gambar di bawah ini
Gambar 1.6 Rangkaian ekuivalen generator sinkron perfasa
Menentukan Parameter Generator SinkronHarga 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 bebanPengujian 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 =Oleh
karena Xs >> Ra, maka persamaan diatas dapat disederhanakan
menjadi:Xs = Jika Ia dan Ea diketahui untuk kondisi tertentu, maka
nilai reaktansi sinkron dapat diketahui. Tahanan jangkar dapat
diukur dengan menerapkan tegangan DC pada kumparan jangkar pada
kondisi generator diam saat hubungan bintang (Y), kemudian arus
yang mengalir diukur. Selanjutnya tahanan jangkar perfasa pada
kumparan dapat diperoleh dengan menggunakan hukum ohm sebagai
berikut.Ra = 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 mendahuluiDiagram fasor memperlihatkan
bahwa terjadinya pebedaan antara tegangan teminal V dalam keadaan
berbeban dengan tegangan induksi (Ea ) atau tegangan pada saat
tidak berbeban. Diagram dipengaruhi selain oleh faktor kerja juga
oleh besarnya arus jangkar (Ia ) yang mengalir. Dengan
memperhatikan perubahan tegangan V untuk faktor keja yang
berbeda-beda, karakteristik tegangan teminal V terhadap arus
jangkar Ia diperlihatkan pada gambar 1.9.
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.
Kerja Paralel AlternatorUntuk 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
samaBila sebuah generator G akan diparalelkan dengan jala-jala,
maka mula-mula G diputar oleh penggerak mula mendekati putaran
sinkronnya, lalu penguatan IF diatur hingga tegangan terminal
generator tersebut sama denga jala-jala. Untuk mendekati frekuensi
dan urutan fasa kedua tegangan (generator dan jala-jala) digunakan
alat pendeteksi yang dapat berupa lampu sinkronoskop hubungan
terang. Benar tidaknya hubungan pararel tadi, dapat dilihat dari
lampu tersebut. Bentuk hubungan operasi paralel generator sinkron
dengan lampu sinkronoskop diperlihatkan pada gambar di bawah
ini.
Gambar 1.10 Operasi paralel generator sinkronJika 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 SINKRONMotor 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 (). Semakin
besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi yang dihasilkan
akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.
T = k .BR .Bnet sin Pada beban nol, sumbu kutub medan putar
berimpit dengan sumbu kumparan medan ( = 0). Setiap penambahan
beban membuat medan motor tertinggal dari medan stator, berbentuk
sudut kopel (); untuk kemudian berputar dengan kecepatan yang sama
lagi. Beban maksimum tercapai ketika = 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 SinkronMotor 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 sinkronDari gambar 2.2
dapat dibuatkan persamaan tegangan rangkaian ekuivalen motor
sinkron sebagai berikut.V = Ea + Ia.Ra + jIa.XS atau Ea = V - Ia.Ra
jIa.XS
Kurva Karakteristik Torsi-Kecepatan Motor SinkronMotor sinkron
pada dasarnya merupakan alat yang menyuplai tenaga ke beban pada
kecepatan konstan. Kecepatan putaran motor adalah terkunci pada
frekuensi listrik yang diterapkan, oleh karena itu kecepatan motor
adalah konstan pada beban bagaimanapun. Kecepatan motor yang tetap
ini dari kondisi tanpa beban sampai torsi maksimum yang bisa
disuplai motor disebut torsi pullout. Bentuk karakteristik torsi
terhadap kecepatan ini diperlihatkan pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.3 Karakteristik torsi kecepatan
Dengan mengacu kebali ke persamaan (2.3) dapat dibuatkan kembali
persamaan torsi motor sinkron sebagai berikut.Tind = Torsi maksimum
motor terjadi ketika = 90. Umumnya torsi maksimum motor sinkron
adalah tiga kali torsi beban penuhnya. Ketika torsi pada motor
sinkron melebihi torsi maksimum maka motor akan kehilangan
sinkronisasi. Dengan mengacu kembali ke persamaan (2.1) dan (2.4),
maka persamaan Torsi maksimum (pullout) motor sinkron dapat
dibuatkan sebagai berikut.Tind = K . Br . Bnet AtauTind = 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 sinkronGambar 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 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 yang lebih besar.
Pengaruh Pengubahan Arus Medan pada Motor SinkronKenaikan 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 (Ea.sin dan Ia.cos ) juga harus konstan. Ketika arus medan
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 sinkronKetika
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 sinkronBeberapa
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 SinkronTelah 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 ReaktifMotor sinkron tanpa beban dalam keadaan penguatan
tertentu dapat menimbulkan daya reaktif. Perhatikan diagram vektor
motor sinkron tanpa beban pada gambar di bawah ini.
Gambar 2.7 Diagram vektor daya reaktif motor sinkron tanpa
beban
Pada gambar (a), penguatan normal, sehingga V = E. Motor dalam
keadaan mengambang karena tidak memberikan ataupun menarik arus. V
berimpit dengan E karena dalam keadaan tanpa beban sudut daya = 0.
Pada gambar (b), penguatan berlebih, sehingga E >V. Arus
kapasitif (leading current) ditarik dari jala-jala. Daya aktif P =
VI cos = 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 SinkronPada 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 = siklus rotor belum
bergerak dan medan magnet stator ke arah kiri menghasilkan torsi
induksi pada rotor berlawanan arah jarum jam. Selanjutnya pada t =
siklus BR dan BS berlawanan arah dan torsi induksi pada kondisi ini
adalah nol. Pada t = 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).
A
V
R
S
T
Rotor
Stator