BAB II
DASAR TEORI
2.1 Motor Sinkron Tiga Fasa
Motor sinkron tiga fasa adalah motor listrik arus bolak-balik (AC) yang
putaran rotornya sinkron/serempak dengan kecepatan medan putar statornya. Motor
ini beroperasi pada sumber tegangan tiga fasa yang dihubungkan dengan kumparan
jangkar di stator. Selain mendapat suplai tegangan tiga fasa, motor sinkron juga
mendapat arus eksitasi/arus medan dari sumber arus searah (DC) pada kumparan
medan di rotornya.
Sebuah motor sinkron selalu beroperasi pada kecepatan konstan, pada
kondisi tidak berbeban. Tetapi apabila motor diberi beban, maka motor akan selalu
berusaha untuk tetap pada putaran konstan. Motor akan melepaskan kondisi
sinkronnya apabila beban yang diberikan terlalu besar (torsi pull – out).
Motor sinkron memiliki kekurangan didalam melakukan start dengan
sendirinya. Hal ini dikarenakan tidak memiliki torsi awal, oleh karena itu motor
sinkron memerlukan beberapa alat bantu untuk membantu didalam start awal
sehingga masuk didalam kondisi sinkron.
Perubahan beban pada motor sinkron tidak mempengaruhi kecepatan
putarnya, karena ketika motor bekerja, medan magnet pada rotor akan selalu terikat
atau terkopel secara magnetis dengan medan putar statornya, sehingga rotor akan
dipaksa terus berputar pada kecepatan sinkronnya. Sehingga motor sinkron
biasanya digunakan pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan
melewati batas kemampuan dari motor maka motor akan melepas kecepatan
sinkronnya dan berhenti berputar.
Keuntungan lain dari motor sinkron adalah tidak hanya dapat bekerja pada
faktor daya terbelakang (lagging) seperti motor induksi, namun juga dapat bekerja
dengan faktor daya unity bahkan dengan faktor daya mendahului (leading).
Sehingga motor sinkron dapat berperan untuk memperbaiki faktor daya sistem.
2.2 Konstruksi Motor Sinkron Tiga Fasa
Motor sinkron juga memiliki dua bagian penting yaitu bagian stator yang
merupakan bagian komponen diam, dan bagian rotor yang berfungsi sebagai
komponen berputar, stator terdiri dari inti besi dari bahan ferromagnet yang dibelit
dengan lilitan 3 fasa, lilitan 3 fasa ini sama dengan lilitan tiga fasa pada rotor
induksi.
Gambar 2. 2 Rotor (a) Salient (b) non-Salient
Rotor pada motor ada dua type yaitu salient pole ( menonjol ) dan non salient
pole ( tidak menonjol ) dan terdiri dari kutubmenonjol yang juga dibeliti dengan
lilitan untuk eksitasi DC dari luar. Kumparan dari lilitan excitasiini dihubungkan
dengan slip ring untuk dihubungkan dengan sumber eksitasi DC dari luar. Motor
sinkron selalu memerlukan arus eksitasiagar selalau dapat berjalan dengan sinkron,
arus eksitasi dapat digolongkan menjadi 3 jenis diantaranya :
Eksitasi Dynamic, merupakan jenis eksitasi yang konvensional. Dimana arus eksitasi diperoleh dari sebuah generator DC yang
dihubungkan ke Rotor motor sinkron. Jenis eksitasi ini memiliki
kekurangan, yaitu bahwa generator DC merupakan beban tambahan
bagi motor. Kemudian sikat arang sebagai penghubung eksitasi
menekan slip ring yang menimbulkan rugi-rugi.
penyearah ini memerlukan sumber teganagn input AC yang diambil
dari sumber tegangan jala-jala. Karena exciter yang digunakan tidak
berputar seperti pada gambar eksitasi konvensional maka eksitasi dapat
dikatakan statis.
Eksitasi Brushless, pada prinsipnya brusless ini menggunakan generator AC kecil sebagai ekciter. Pertama, arus DC diberikan pada
stator, kemudian rotor pada exciter akan menghasilkan arus AC yang
kemudian diserahkan oleh rectifier yang juga ikut berputar pada poros
rotor motor sinkron.
Motor sinkron yang modern umumnya tidak menggunakan sikat untuk
eksitasi luar tetapi eksitasi diambil dari sebuah penyearah yang ikut berputar dan
sebuah generator AC yang kecil yang dihubungkan langsung pada poros dari motor
sinkron tersebut. Prinsip ini sama dengan yang digunakan pada generator modern
yang menggunakan sistem eksitasi sendiri (Brushless excitation).
Rotor dan stator pada motor sinkron selalu mempunyai jumlah kutub yang
sama dan seperti pada motor induksi maka jumlah dari kutub ini menentukan
kecepatan dari motor sinkron yang hubungannya dapat dirumuskan dengan :
(2.1)
Dimana :
Ns = Kecepatan Motor ( r/min)
f = frekuensi sumber
2.3 Prinsip Kerja Motor Sinkron Tiga Fasa
Pada motor sinkron tiga fasa terdapat 2 sumber tegangan dari luar yaitu arus
bolak-balik (AC) yang dialirkan kebelitan jangkar dan arus searah (DC) yang
dialirkan kebelitan medannya. Perputaran rotor diakibatkan karena adanya kopel
magnetik antar medan magnet rotor dengan medan putar stator.
Apabila tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan jangkar atau stator
akan menghasilkan arus tiga fasa yang mengalir pada kumparan stator tersebut. Jika
arus tiga fasa (yang berbentuk sinusoidal murni atau saling berbeda sudut 1200
listrik) mengalir pada kumparan stator motor sinkron tiga fasa, maka akan
menghasilkan intensitas medan magnet (HS) yang juga saling berbeda sudut 1200
listrik. Karena kumparan stator mempunyai permeabilitas (µ), maka akan
menghasilkan intensitas medan magnet sebesar Bs = µ.Hs
Hal inilah yang disebut dengan medan putar yang timbul pada stator.
Timbulnya medan putar pada stator ini dapat dijelaskan melalui Gambar 2.2
berikut.
Gambar 2. 4 Distribusi ia, ib, ic sebagai fungsi waktu
Gambar 2. 5 Arah Fluks Secara Vektoris
Saat tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan a-a, b-b, c-c (Gambar
2.2) dengan beda fasa masing-masing 1200. Maka akan timbul 3 buah arus
sinusoidal (Ia, Ib, Ic) yang terdistribusi berdasarkan fungsi waktu seperti terlihat pada
(Gambar 2.3). Secara vektoris, pada keadaan t1, t2, t3, t4, arah fluks resultan yang
ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing-masing ditunjukkan seperti pada
(Gambar 2.4). Pada saat t1, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang
dihasilkan kumparan a-a (Gambar 2.4a). Pada saat t2, arah fluks resultannya sama
dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan b-b (Gambar 2.4b). Pada saat t3, arah
fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan c-c (Gambar
2.4c). Pada saat t4, arah fluks resultannya berlawanan arah dengan arah fluks yang
dihasilkan kumparan a-a (Gambar 2.2d). Perubahan arah fluks ini akan terjadi
berulang setiap satu periode yang menyebabkan perputaran medan magnet stator.
Kutub medan rotor yang diberi penguatan arus searah mengakibatkan
mengalir arus penguat If motor dan menghasilkan medan magnet BR. Karena motor
sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting) maka rotor diputar dengan
suatu penggerak mula sampai pada kecepatan putar rotor sama dengan kecepatan
putar medan stator. Sehingga medan magnet rotor BR akan mendapat tarikan dari
kutub medan putar stator dan akan selalu menempel dan mengikuti putaran BS
dengan kecepatan yang sama atau sinkron. Interaksi antar kedua medan magnet
tersebut akan menghasilkan kopel yang dinyatakan sebagai :
Tind = k.BR x B...(pers 2.2)
Dan hubungannya dengan diagram medan magnetnya ditunjukkan pada
gambar 2.5 berikut.
Gambar 2. 6 Diagram medan magnet motor sinkron Keterangan :
BS = Medan magnet stator
BR = Medan magnet rotor
Bnet = Resultan medan magnet stator dan rotor
Sehingga didapat : Bnet ≈ Vph ; BR ≈ EA ; BS ≈ j.Xs.IA
Karena BS = Bnet - BR
Maka dengan mensubstitusikan persamaan (2.3) ke persamaan (2.2), maka akan
diperoleh :
Tind = k . BR(Bnet – BR) Sin β
Tind = k . BR . Bnet . Sin β – k . BR . BR Sin β BR.BR=0
Sehingga persamaan kopel induksinya dapat dituliskan :
Tind = k . BR . Bnet . Sin β (N.m)...(pers 2.4)
dimana : k = Konstanta
BR = Medan magnet rotor
Bnet = Resultan medan magnet rotor dan medan magnet stator
Pada beban nol, sumbu kutub medan berhimpit dengan sumbu kutub
kumparan medan (β = 0). Setiap penambahan beban membuat medan rotor
tertinggal sebentar dari medan stator, terbentuk sudut kopel (β), untuk kemudian
berputar dengan kecepatan sama lagi (sinkron). Penambahan beban lebih lanjut
mengakibatkan hilangnya kekuatan kopel dan motor disebut kehilangan
sinkronisasi.
Gambar 2. 7 Kedudukan kutub rotor terhadap kutub khayal pada saat motor berbeban
2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron
Rangkaian ekuivalen motor sinkron adalah sama halnya dengan generator
sinkron, kecuali untuk arah aliran dayanya dimana arah aliran daya pada motor
sinkron terbalik dengan arah daya pada generator sinkron. Karena arah aliran daya
ini terbalik, maka arah arus yang mengalir ke stator motor juga akan terbalik.
Dengan demikian, rangkaian ekuivalen motor sinkron adalah sama dengan
rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali bahwa referensi arah IA dibalik.
fasanya ditunjukkan pada gambar (2.8). Rangkaian ekuivalen tiga fasa biasa dalam
bentuk hubungan Y atau hubungan Delta (∆).
Karena perubahan arah IA ini, maka persamaan tegangan menurut hukum
Kirchoff untuk rangkaian ekuivalennya juga akan berubah. Jadi persamaan hukum
Kirchoff untuk tegangannya untuk rangkaian ekuivalen yang baru adalah :
ℎ = + . . + . ...(pers 2.5)
Jadi persamaan ini sama dengan persamaan generator sinkron, kecuali tanda untuk
arusnya adalah terbalik.
Gambar 2. 9 Rangkaian ekuivalen motor sinkron per fasanya
Dari persamaan umum motor sinkron yang dituliskan di dalam persamaan
(2.3) dapat digambarkan diagram fasor motor sinkron seperti ditunjukkan pada
gambar (2.9) sebagai berikut :
Gambar 2. 10 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Unity Keterangan :
EA = Tegangan Jangkar (GGL lawan)
IA = Arus Jangkar
Vph = Tegangan Terminal
XS = Reaktansi Sinkron Motor
δ = Sudut Kopel
Dalam hal ini motor dianggap beroperasi dengan faktor daya satu (unity).
Namun dalam operasi motor sinkron, motor dapat beroperasi dengan faktor daya
Diagram fasor motor sinkron denga faktor daya mendahului (leading) dan
tertinggal (lagging) ditunjukkan seperti pada gambar (2.10) dan gambar (2.11).
Gambar 2. 11 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Leading
Gambar 2. 12 Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Lagging
Namun pada kenyataannya, saat motor sinkron dibebani tanpa pengaturan
arus medan, motor sinkron akan beroperasi dengan faktor daya tertinggal (lagging)
dan diagram fasornya seperti yang ditunjukkan pada gambar (2.11). Oleh karena
itu, untuk menganalisis motor sinkron digunakan diagram fasor motor sinkron
dengan faktor daya tertinggal (lagging).
Dari diagram fasor motor sinkron didapat daya mekanik (Pmek) motor
= . ...(pers 2.6)
Untuk motor sinkron tiga fasa maka persamaan daya mekanik (Pmek) menjadi:
= 3. . ...(pers 2.7)
Karena tahanan jangkar (RA) motor sinkron biasanya kecil, maka tahanan
jangkar ini biasanya diabaikan. Bila tahanan jangkar (RA) diabaikan (RA<<XS)
maka diagram fasornya menjadi seperti yang ditunjukkan pada ….
Gambar 2. 13 Diagram Fasor Yang Disederhanakan Dengan RA Diabaikan
Dari diagram fasor yang ditunjukkan pada
ℎ. δ = Xa. Ia ...(pers 2.8)
Maka diperoleh,
= . ...(pers 2.9)
Jika persamaan (2.10) disubstitusikan ke persamaan (2.5), maka diperoleh :
= . . . ...(pers 2.10)
2.5 Metode Starting Motor Sinkron
Sesuai dengan prinsip kerjanya, motor sinkron tidak dapat melakukan start
sendiri (self starting). Motor sinkron harus diputar terlebih dahulu sampai pada
Biasanya, motor induksi atau motor DC mengambil peranan sebagai penggerak
mula tersebut. Tetapi penggunaan penggerak mula dalam start motor sinkron sangat
tidak praktis. Maka untuk start motor sinkron dapat dilakukan dengan cara lain.
Saat ini ada tiga pendekatan utama yang dapat dilakukan untuk menjalankan
motor sinkron dengan aman, yaitu :
1. Menggunakan penggerak mula (prime mover) untuk memutar
motor sinkron sampai pada kecepatan sinkronnya
2. Mereduksi putaran dengan mengatur medan stator ke harga yang
cukup rendah sampai rotor berputar (mengurangi frekuensi)
3. Menggunakan kumparan peredam (Amortisseur Winding).
2.5.1 Starting Dengan Penggerak Mula
Pada metode start motor sinkron dengan penggerak mula, motor sinkron
dikopel dengan penggerak mula (prime mover), selanjutnya penggerak mula akan
memutar rotor motor sinkron sampai mencapai putaran sinkronnya. Selanjutnya
motor sinkron tersebut diparalelkan dengan jala-jala dan bekerja sebagai generator.
Setelah hal ini dicapai, penggerak mula dilepas dari poros motor. Ketika penggerak
mula dilepas dari poros motor, poros motor akan berputar perlahan (putarannya
menurun) sehingga medan magnet rotor (BR) akan tertinggal dibelakang Bnet dan
mesin akan start beraksi sebagai motor. Saat paralelnya sudah komplit, maka motor
2.5.2 Starting Dengan Mereduksi Frekuensi
Cepatnya perputaran medan putar stator juga turut menyebabkan motor
sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting). Perputaran medan
magnet stator setiap menitnya adalah :
Ns = ...(pers 2.11)
Dimana :
f = frekuensi tegangan terminal motor (Hz)
p = jumlah kutub motor
Ns = perputaran medan magnet stator (rpm)
Cepatnya perputaran medan magnet stator ini membuat tidak mungkinnya
terjadi interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak antara kutub medan magnet stator
dengan kutub medan magnet rotor yang diam.
Pada metode start dengan mereduksi frekuensi ini, pada saat start, motor
disuplai dengan frekuensi yang rendah sehingga kecepatan putaran medan putar
stator juga rendah. Hal ini akan membuat terjadinya interaksi tarik-menarik dan
tolak-menolak antara kutub medan magnet stator dan kutub medan magnet rotor.
Setelah terjadi interaksi antara kedua kutub medan magnet tersebut, maka frekuensi
sistem dapat dinaikkan secara perlahan sampai pada frekuensi dan kecepatan
sinkron yang diinginkan. Saat ini, pengaturan besar frekuensi yang disuplai dapat
2.5.3 Starting Dengan Kumparan Peredam
Pada metode start dengan kumparan peredam, rotor dilengkapi dengan
kumparan peredam atau kumparan sangkar tupai yang ditempatkan pada
permukaan rotor yang dihubung singkat pada kedua ujungnya.
Saat kumparan stator dihubungkan dengan tegangan tiga fasa maka akan
timbul medan putar pada stator. Kemudian medan putar ini akan menginduksikan
GGL kedalam kumparan peredam yang telah terhubung singkat, maka dalam
kumparan peredam akan mengalir arus. Arus ini akan menimbulkan kopel antara
rotor dengan stator secara magnetis sehingga rotor pun berputar. Namun kecepatan
putar rotor tidak sama dengan kecepatan sinkronnya. Pada saat ini, motor sinkron
bertindak sebagai motor induksi karena terdapat slip antara kecepatan putar rotor
dengan kecepatan medan putar statornya.
Setelah putaran rotor hampir mencapai kecepatan sinkronnya, maka
kumparan medan penguat yang berada pada rotor dieksitasi dengan sumber arus
DC. Selanjutnya motor akan menuju ke keadaan sinkron. Namun dalam
pelaksanaan metode start ini dibutuhkan alat pengaturan sinkronisasi untuk
menghindarkan efek yang dapat merusak motor tersebut.
2.6 Teori Suplai Tegangan Lepas Satu Fasa
Dalam sistem tiga fasa yang seimbang, tegangan line to netral memiliki
magnitude yang sama dan tiap – tiap sudut fasanya berbeda 120 derajat satu sama
lain. Terjadinya gangguan berupa lepasnya suplai satu fasa menyebabkan tegangan
tiga fasa yang magnitudnya tidak sama dan sudut fasanya mengalami pergeseran
sistem tersebut memiliki tegangan tidak seimbang yang diakibatkan oleh lepasnya
suplai satu fasa yang menyuplai motor sinkron tiga fasa.
Ketika beban tiga fasa seimbang dihubungkan dengan sistem suplai yang
mendapat gangguan lepas suplai satu fasa, maka arus yang dialirkan ke beban juga
menjadi tidak maksimal di ketiga fasa. Oleh karena itu sangat sulit / tidak mungkin
untuk menyediakan suatu sistem suplai yang sempurna dan efisien kepada
konsumen, sehingga perlu dilakukan berbagai upaya untuk meminimalisasi
terjadinya gangguan lepas suplai tegangan satu fasa ini agar suplai dari sistem ke
beban tetap sempurna.
I ii
Gambar 2. 14 diagram vector suplai tegngan fasa lengkap; diagram vector tegangan lepas suplai satu fasa
Metode yang biasa digunakan dalam menganalisa baik arus ataupun
tegangan dalam keadaaan lepas suplai satu fasa adalah dengan menggunakan
komponen – komponen simetris yaitu suatu metode yang secara matematis
memecahkan suatu sistem yang tidak seimbang menjadi tiga buah sistem yang
Untuk sistem yang sempurna, maka sistem urutan negatife dan urutan nol tidak ada.
i ii iii
Gambar 2. 15 Diagram vector urutan positif (i) ; diagram vector urutan negatif (ii); diagram vector urutan nol (iii)
Sistem urutan ini dapat dilukiskan secara fisika. Arah perputaran dari motor
sinkron tiga fasa ketika diaplikasikan dengan tegangan urutan negatif akan
berlawanan arah dengan arah perputaran motor sinkron sewaktu diaplikasikan
dengan tegangan urutan positif. Sementara itu sistem urutan nol tidak akan
menimbulkan perputaran pada motor sinkron, karena tidak ada pebedaan fasa pada
ketiga tegangannnya, sehinggan tidak akan dibangkitkan medan putar.
Lepas suplai tegangan satu fasa akan menghasilkan arus tidak seimbang
dalam jumlah besar, yang mana hal ini akan menimbulkan kenaikan temperatur
pada motor. Jika terjadi lepas suplai tegangan satu fasa yang menyuplai motor
sinkron, maka daya kuda nominal dari motor harus dikalikan dengan suatu faktor
Gambar 2. 16 Kurva penurunan rating motor sinkron (NEMA)
2.7 Metode Menentukan Temperatur Motor Sinkron
2.7. 1 Menggunakan thermometer infrared
Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan
thermometer infrared, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian
tertemperatur dari mesin yang dapat diakses .
2.7. 2 Menggunakan Embedded Detector
Motor yang menggunakan embedded detector pada lilitannya dapat
dimonitor langsung output yang dideteksi pada peralatan. Output temperature yang
ditunjukkan adalah temperature tertemperatur dimana lokasi sensor diletakkan.
Perbedaan antara embedded detector dengan thermometer infrared yaitu
embedded detector tertanam di lilitan stator motor sedangkan thermometer
infrared dapat diletakkan dimana saja bagian motor yang paling temperatur yang
2.7. 3 Mengukur Tahanan Lilitan Motor
Metode digunakan untuk motor yang tidak memiliki embedded detector
seperti thermocouple atau resistance temperature detectors (RTDs). Kelebihan
metode ini yaitu dapat dilakukan tanpa harus membongkar kerangka motor
Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan
tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan (pada saat motor
temperatur) dengan tahanan yang sudah diketahui temperaturnya (temperature
ambient). Temperature tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan
persamaaan :
= + ( + )...(pers 2.16)
Dimana :
Tt : Temperatur total lilitan (oC)
Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oC)
Rt : Tahanan pada saat motor temperatur (ohm)
Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm)
K : 234.5 ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oC)
