TUGAS AKHIR PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

(1)

Buhari Tongam Rajagukguk : Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi Terhadap Arus Jangkar Dan Faktor Daya Pada Motor Sinkron 3 Fasa (Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU), 2010.

TUGAS AKHIR

PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA

PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU

)

Diajukan untuk memenuhi salah satu persyaratan dalam menyelesaikan pendidikan sarjana (S-1) pada Departemen Teknik Elektro

Oleh:

BUHARI TONGAM RAJAGUKGUK 030402066

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(2)

PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA

PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

(Aplikasi Pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)

Oleh :

BUHARI TONGAM RAJAGUKGUK NIM : 030402066

Tugas Akhir ini Diajukan Untuk Melengkapi Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro

Disetujui Oleh : Pembimbing

IR.SATRIA GINTING NIP : 131836676 Diketahui Oleh :

A.n. Ketua Departemen Teknik Elektro Sekretaris Departemen Teknik Elektro

RACHMAD FAUZI, ST, MT

NIP : 132161239

DEPARTEMEN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN

(3)

KATA PENGANTAR

Puji syukur penulis panjatkan kepada Tuhan atas berkat dan perlindungan serta segala tuntunan yang diberikan-Nya dalam penyelesaian tugas akhir ini. Tugas akhir ini merupakan suatu syarat bagi penulis untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik dari Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara

Adapun judul tugas akhir ini adalah: “Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi Terhadap Arus Jangkar dan Faktor Daya Pada Motor Sinkron Tiga Fasa (Aplikasi pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU)”.

Selama penulisan tugas akhir ini, penulis mendapatkan banyak bantuan baik berupa bimbingan dan saran. Dengan rasa syukur penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1. Orang tuaku bapak D. Rajagukguk dan ibu (Almh) M. Simanjuntak dan ibu R.M. Simanjuntak serta saudara-saudaraku, bang Sunan, bang Rudy, kak Titin serta adikku Lenny yang tidak pernah berhenti memberi dukungan, semangat dan doa serta segala pengorbanan yang tidak ternilai besarnya. 2. Bapak Ir. Satria Ginting, selaku dosen pembimbing tugas akhir yang telah

banyak membantu dalam penyelesaikan tugas akhir ini.

3. Bapak (Alm) Ir. Nasrul Abdi, MT, selaku Ketua Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

4. Bapak Ir. Rahmad Fauzi, ST, MT, selaku Sekretaris Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

5. Seluruh staff pengajar dan pegawai Departemen Teknik Elektro Fakultas Teknik USU.

(4)

6. Staff administrasi dan asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik yang sudah menyediakan waktunya.

7. Oppung br.Sianipar, Bapauda Ir. S. Rajagukguk dan Ir. A. Rajagukguk yang banyak memberikan motivasi dan inspirasi selama masa perkuliahan.

8. Seluruh teman-teman di Teknik Elektro khususnya stambuk 2003 yang tidak dapat saya sebutkan satu persatu, atas bantuan yang diberikan kepada saya. 9. Semua pihak yang telah membantu penulis baik moral, spiritual maupun

material yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu.

Penulis menyadari bahwa dalam tugas akhir ini masih terdapat kekurangan. Kritik dan saran yang membangun demi tujuan menyempurnakan dan mengembangkan tugas akhir ini sangat penulis harapkan.

Akhir kata, semoga tugas akhir ini bisa bermanfaat dan menambah wawasan bagi kita semua.

Medan, Juni 2009

(5)

Abstrak

Keuntungan terbesar motor sinkron adalah faktor dayanya dapat diatur dengan pengaturan arus eksitasi pada medan rotornya. Ketika arus eksitasi dinaikkan melebihi eksitasi normalnya (over-excitation), faktor daya, seperti terukur pada terminal motor menjadi leading karena motor sinkron dengan eksitasi lebih menghasilkan daya reaktif.

Dengan mengoperasikan motor sinkron pada faktor daya leading, faktor daya sistem dapat ditingkatkan dan dapat memperbaiki jatuh tegangannya. Jika eksitasi kurang dari eksitasi normalnya (under-excitation), faktor daya motor menjadi lagging dan akan menarik daya reaktif dari sistem.

Oleh karena itu dalam tulisan ini akan dibahas bagaimana pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap arus jangkar (Ia) dan faktor daya (cos φ) pada perilaku motor sinkron 3 fasa.

(6)

DAFTAR ISI

Kata Pengantar ...i

Abstrak ... iii

Daftar Isi ... iv

Daftar Gambar ... viii

Daftar Tabel ... x BAB I : PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang ... 1 1.2 Tujuan Penulisan ... 2 1.3 Manfaat Penulisan... 2 1.4 Batasan Masalah ... 3 1.5 Metode Penelitian ... 3 1.6 Sistematika Penulisan ... 5

BAB II: MOTOR SINKRON TIGA FASA

2.1 Umum... 6

2.2 Konstruksi Motor Sinkron Tiga Fasa ... 7

2.2.1 Stator ... 7

2.2.2 Rotor ... 9

2.3 Kumparan Peredam(Damper Winding) ... 10

2.4 Reaksi Jangkar ... 11

2.5 Rangkaian Ekivalen Motor ... 13

(7)

2.7 Daya Kopel Yang Dibangkitkan Motor Sinkron ... 20

2.8 Metode Menjalankan Motor Sinkron ... 22

2.8.1 Starting Motor Sinkron Dengan Penggerak Mula ... 24

2.8.2 Starting Motor Sinkron Dengan Mereduksi Frekuensi ... 24

2.8.3 Starting Motor Sinkron Dengan Kumparan Peredam ... 25

2.9 Sistem Eksitasi Motor Sinkron ... 25

2.9.1 Sistem Eksitasi Tipe Sikat ... 26

2.9.2 Sistem Eksitasi Tipe Tanpa Sikat... 26

2.10 Karakteristik Motor Sinkron ... 27

2.10.1 Karakteristik Torsi-Putaran ... 28

2.10.2 Pengaruh Kenaikan Beban Pada Eksitasi Konstan ... 28

2.11 Kondensor Sinkron ... 29

2.12 Kerugian, Keuntungan Dan Aplikasi Motor Sinkron... 31

2.12.1 Kerugian Motor Sinkron ... 31

2.12.2 Keuntungan Motor Sinkron ... 31

2.12.3 Aplikasi Dan Penggunaan Motor Sinkron ... 32

BAB III : PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI PADA MOTOR SINKRON TIGA FASA 3.1 Umum... 33

3.2 Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi ... 33

3.2.1 Karakteristik Kurva V Motor Sinkron... 38

(8)

BAB IV : PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA PADA MOTOR

SINKRON TIGA FASA

4.1 Umum ... 40

4.2 Peralatan Yang Digunakan ... 40

4.3 Menentukan Reaktansi Mesin Sinkron Tiga Fasa ... 42

4.3.1 Pengujian Beban Nol Mesin Sinkron (Dioperasikan Sebagai Generator) ... 42

a. Rangkaian Pengujian ... 42

b. Prosedur Pengujian ... 42

c. Data Hasil Pengujian ... 43

d. Grafik Data Hasil Pengujian ... 43

4.3.2 Pengujian Hubung Singkat Mesin Sinkron (Dioperasikan Sebagai Generator) ... 44

d. Grafik Data Hasil Pengujian ... 46

4.3.3 Pengukuran Tahanan Jangkar ... 46

a. Rangkaian Pengukuran ... 46

b. Prosedur Pengukuran ... 47

c. Data Hasil Pengukuran ... 47

d. Analisis Data Hasil Pengukuran ... 47

(9)

4.4 Pengujian Motor Sinkron Tiga Fasa ... 49

d. Analisis Data Hasil Pengujian ... 51

4.5 Karakteristik Kurva V dan Kurva V Invers Motor Sinkron 3 Fasa Untuk Beban Berbeda ... 64

BAB V : PENUTUP 5.1. Kesimpulan ... 66

DAFTAR PUSTAKA ... 67

(10)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Kontruksi Motor Sinkron 7

Gambar 2.2 Penampang Stator 8

Gambar 2.3 Penampang Rotor Kutub Silinder 9

Gambar 2.4 Penampang Rotor KutubMenonjol 10

Gambar 2.5 Kumparan Peredam Pada Rotor Kutub Menonjol 10

Gambar 2.6 Pengaruh Demagnetisasi (Demagnetising Effect) 11

Gambar 2.7 Pengaruh Distorsi Magnet (Cross-Magnetising Effect 12

Gambar 2.8 Pengaruh Magnetisasi (Magnetising Effect) 12

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Perfasa 13

Gambar 2.10 Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Perfasa 14

Gambar 2.11 Rangkaian Ekivalen Motor SinkronTiga Fasa 14

Gambar 2.12 Diagram Fasor Motor Sinkron Pada

(a) Faktor Daya Lagging 15

(b) Faktor Daya Unity 15

(c) Faktor Daya Leading 15

Gambar 2.13 (a) Kumparan a-a, b-b, cc 17

(b) Distribusi ia, ib, ic Sebagai Fungsi Waktu 17

(c) Arah Fluks Secara Vektoris saat t1 18

(d) Arah Fluks Secara Vektoris saat t2 18

(e) Arah Fluks Secara Vektoris saat t3 18

(f) Arah Fluks Secara Vektoris saat t4 18

Gambar 2.14 Diagram Medan Magnet Motor Sinkron 19

(11)

Gambar 2.16 Kurva Hubungan Antara Kopel Dan Sudut δ 21

Gambar 2.17 Masalah Arah Putaran Motor Sinkron 22

Gambar 2.18 Skema Motor Sinkron Dengan Sistem Eksitasi Tipe Sikat 26 Gambar 2.19 Skema Motor Sinkron Dengan Sistem Eksitasi Tanpa Sikat 27

Gambar 2.20 Karakteristik Torsi-Putaran Motor Sinkron 28

Gambar 2.21 Pengaruh Bertambahnya Beban Pada Operasi Motor Sinkron 29

Gambar 2.22 Ilustrasi Besarnya Beban Yang Dipikul Motor Sinkron 29

Gambar 2.23 Diagram Vektor Daya Reaktif Motor Sinkron Tanpa Beban 30 Gambar 3.1 (a) Operasi motor sinkron dengan faktor daya lagging

(Ra diabaikan) 36

(b) Pengaruh Bertambahnya Arus Eksitasi Pada

Operasi Motor Sinkron (Ra diabaikan) 37

Gambar 3.2 (a) Diagram Fasor Motor Sinkron Eksitasi Kurang 37

(b) Diagram Fasor Motor Sinkron Eksitasi Lebih 37

Gambar 3.3 Kurva V Motor Sinkron 39

Gambar 3.4 Kurva V Invers Motor Sinkron 39

Gambar 4.1 Rangkaian Perngujian Beban Nol Mesin Sinkron 42

Gambar 4.2 Grafik Perngujian Beban Nol Mesin Sinkron 44

Gambar 4.3 Rangkaian Perngujian Hubung Singkat Mesin Sinkron 44

Gambar 4.4 Grafik Data Perngujian Hubung Singkat Mesin Sinkron 46

Gambar 4.5 Rangkaian Pengukuran Tahanan Jangkar Motor Sinkron 46

Gambar 4.6 Rangkaian Pengujian Berbeban Motot Sinkron 49

Gambar 4.7 Diagram Fasor Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi

(12)

Gambar 4.8 Kurva V dan Kurva V Invers Motor Sinkron Beban Nol 57

Motor Sinkron Pada Setengah Beban Penuh 59

Gambar 4.10 Kurva V dan Kurva V Invers Motor Sinkron Untuk

Setengah Beban Penuh 61

Motor Sinkron Pada Beban Penuh 62

Gambar 4.12 Kurva V dan Kurva V Invers Motor Sinkron Untuk Beban Penuh 64

Gambar 4.13 Kurva V Motor Sinkron Untuk Beban Berbeda 64

(13)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Perngujian Beban Nol Mesin Sinkron 43

Tabel 4.2 Hasil Pengujian Hubung Singkat Mesin Sinkron 45

Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Tahanan Jangkar 47

Tabel 4.4 Data Hasil Perhitungan Reaktansi Sinkron 48

Tabel 4.5 Data Hasil Pengujian Berbeban Motor Sinkron 50

Tabel 4.6. Data Hasil Perhitungan Untuk Beban Nol 54

Tabel 4.7. Data Hasil Perhitungan IF vs IA dan IF vs cos θ Untuk Beban Nol 55

Tabel 4.8 Data Hasil Perhitungan Untuk Setengah Beban Penuh 58

Tabel 4.9 Data Hasil Perhitungan IF vs IA dan IFvs cos θ Untuk

Setengah Beban Penuh 59

Tabel 4.10 Data Hasil Perhitungan Untuk Beban Penuh 61

(14)

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Motor sinkron tiga fasa adalah mesin listrik arus bolak-balik (AC) yang digunakan untuk mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Sesuai dengan namanya, motor ini beroperasi pada sumber tegangan tiga fasa dimana kecepatan medan putar stator (Ns) sinkron dengan kecepatan putaran rotornya (Nr).

Ada dua sumber pembangkitan fluks pada motor sinkron tiga fasa yaitu sumber arus bolak-balik (AC) yang dihubungkan ke kumparan jangkar di stator dan sumber arus searah (DC) yang dihubungkan ke kumparan medan di rotornya sebagai medan penguat/ eksitasi. Eksitasi ini dialirkan ke rotor melalui dua cara yaitu dengan sistem eksitasi tipe sikat (brush-type exitation system) dan sistem eksitasi tanpa sikat

(brushless exitation system).

Tidak seperti halnya motor induksi yang selalu bekerja pada faktor daya lagging, motor sinkron dapat dioperasikan pada daerah faktor daya yang luas yaitu dari faktor daya lagging, faktor daya unity dan faktor daya leading dengan pengaturan arus eksitasinya.

Ketika arus eksitasi pada rotor cukup untuk membangkitkan fluks yang diperlukan motor, maka stator tidak perlu memberikan arus magnetisasi atau daya reaktif dan motor bekerja pada faktor daya unity. Ketika arus eksitasi pada rotor kurang, stator akan menarik arus magnetisasi dari jala-jala sehingga motor bekerja pada faktor daya lagging. Sebaliknya bila arus eksitasi lebih, kelebihan fluks ini harus diimbangi dan stator akan menarik arus yang bersifat kapasitif dari jala-jala

(15)

sehingga motor bekerja pada faktor daya leading. Motor sinkron dengan faktor daya leading ini dapat memperbaiki faktor daya pada suatu sistem. Pada tulisan ini akan dipelajari pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap arus jangkar dan faktor daya motor sinkron tiga fasa.

1.2. Tujuan Penulisan

Adapun tujuan penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Mendapatkan pengaruh perubahan arus medan terhadap arus jangkar pada motor sinkron tiga fasa.

2. Mendapatkan pengaruh perubahan arus medan terhadap faktor daya pada motor sinkron tiga fasa.

1.3. Manfaat Penulisan

Manfaat penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Menambah pengetahuan dan wawasan bagi penulis dan mahasiswa tentang motor sinkron tiga fasa.

2. Sebagai bahan tulisan untuk menambah percobaan/ praktikum mesin-mesin elektrik dan konversi energi listrik di Laboratorium Konversi Energi Listrik FT – USU.

1.4. Batasan Masalah

Agar tujuan dan pembahasan dari penulisan tugas akhir ini lebih terfokus dan dapat mencapai hasil yang diharapkan, maka penulis membuat batasan cakupan

(16)

masalah yang akan dibahas. Adapun batasan masalah pada penulisan tugas akhir ini adalah :

1. Analisa percobaan berdasarkan peralatan yang tersedia pada Laboratorium Konversi Energi Listrik FT-USU.

2. Tidak membahas mengenai pengaturan kecepatan motor sinkron. 3. Tidak membahas rugi-rugi motor sinkron tiga fasa

1.5. Metode Penelitian

Metode yang digunakan dalam penulisan tugas akhir ini adalah : 1. Studi Literatur

Berupa studi kepustakaan dan kajian dari berbagai sumber pustaka yang relevan mendukung dalam penulisan tugas akhir ini.

2. Studi Laboratorium

Melakukan pengujian di laboratorium untuk mendapatkan data-data yang diperlukan.

3. Studi Bimbingan

Dalam hal ini penulis melakukan diskusi tentang topik tugas akhir ini dengan dosen pembimbing yang telah ditunjuk oleh Departemen Teknik Elektro.

1.6. Sistematika Penulisan

Untuk memberikan gambaran mengenai tulisan ini, secara singkat dapat diuraikan sistematika pembahasan sebagai berikut :

(17)

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini merupakan pendahuluan yang berisi tentang latar belakang masalah, tujuan penulisan, batasan masalah, manfaat penulisan, metode dan sistematika penulisan.

BAB II MOTOR SINKRON 3 FASA

Bab ini menjelaskan teori umum mengenai motor sinkron, konstruksi motor sinkron tiga fasa, kumparan bantu (damper winding), reaksi jangkar, rangkaian ekivalen, prinsip kerja, daya dan kopel yang dibangkitkan, metode menjalankan motor sinkron, sistem eksitasi, karakteristik torsi-putaran, pengaruh perubahan beban pada eksitasi konstan, kondensor sinkron, keuntungan dan kerugian serta aplikasi motor sinkron

BAB III PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

Bab ini akan menjelaskan mengenai pengaruh perubahan eksitasi pada perilaku motor sinkron, diagram fasornya, karakteristik Kurva V (IA =

f(IF))dan Kurva V Invers (Cos φ = f(IF)) motor sinkron.

BAB IV ANALISIS PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

Bab ini berisikan tentang jenis komponen dan spesfikasi peralatan percobaan, rangkaian percobaan, prosedur percobaan, data percobaan, dan

(18)

analisis pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap arus jangkar dan faktor daya.

BAB V KESIMPULAN

(19)

BAB II

MOTOR SINKRON TIGA FASA

2.1. Umum

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 phasa 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.

Motor sinkron pada pengoperasiannya tidak dapat melakukan start awal (self starting). Oleh karena itu, motor sinkron tiga phasa membutuhkan penggerak mula

(prime mover) untuk memutar rotor sampai pada kecepatan putar medan putar stator. Perubahan beban pada motor sinkron tidak mempengaruhi kecepatan putar motor karena ketika motor bekerja, rotor akan selalu terikat atau terkopel secara magnetis dengan medan putar dan dipaksa untuk berputar dengan kecepatan sinkronnya sehinga motor sinkron biasanya digunakan pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan dengan beban yang berubah-ubah.

Keuntungan lain dari motor sinkron adalah dapat digunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem karena karakteristiknya pada saat eksitasi lebih. Stator akan menarik arus yang bersifat kapasitif dari jala-jala dan sehingga motor bekerja pada faktor daya leading (leading). Hal ini akan dapat memperbaiki faktor daya pada sistem.

(20)

2.2. Konstruksi Motor Sinkron Tiga Fasa

Konstruksi motor sinkron pada prinsipnya adalah sama dengan generator sinkron. Kalaupun ada perbedaan secara fisik yaitu adanya kumparan peredam (Damper Winding) yang ditanamkan pada muka kutub rotor yang berfungsi untuk start awal pada motor sinkron. Secara umum, konstruksi dari sebuah motor sinkron terdiri dari :

1. Stator adalah bagian dari motor yang diam 2. Rotor adalah bagian dari motor yang berputar 3. Celah udara adalah ruang antara stator dan rotor

Konstruksi dari motor sinkron dapat dilihat dari gambar 2.1 dibawah ini:

2.2.1. Stator

Stator merupakan bagian yang diam dan mempunyai alur atau slot memanjang yang di dalamnya terdapat belitan yang disebut dengan belitan jangkar (Armature Winding).

(21)

Secara umum stator terdiri dari kerangka stator, inti stator, belitan stator dan slot.

1. Rangka Stator

Rangka stator berfungsi sebagai tempat melekatnya kumparan jangkar. Pada rangka stator terdapat lubang pendingin dimana udara dan gas pendingin disirkulasikan. Rangka stator biasanya dibuat dari besi campuran baja atau plat baja giling yang dibentuk sedemikian rupa sehingga diperoleh rangka yang sesuai dengan kebutuhan.

2. Inti Stator

Inti stator melekat pada rangka stator dimana inti ini terbuat dari laminasi-laminasi besi khusus atau campuran baja. Hal ini dilakukan untuk memperkecil rugi arus eddy. Tiap laminasi diberi isolasi dan diantaranya dibentuk celah sebagai tepat aliran udara.

3. Slot

Slot adalah tempat konduktor berada yang letaknya pada bagian dalam sepanjang keliling stator. Bentuk slot ada 3 jenis yaitu slot terbuka, slot setengah terbuka, slot tertutup.

(22)

2.2.2. Rotor

Rotor berfungsi sebagai tempat belitan medan (eksitasi) yang membentuk kemagnetan listrik kutub utara-selatan pada inti rotor. Belitan medan tersebut dihubungkan dengan sumber eksitasi DC. Berdasarkan bentuknya ada 2 jenis rotor pada motor sinkron yaitu kutub silinderdan kutub menonjol.

1. Rotor Kutub Silinder (Non-Salient Pole Rotor)

Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-slot dan kumparan medan yang terletak pada rotor mengakibatkan jumlah kutub sedikit. Selain itu motor ini memiliki putaran yang tinggi pada frekuensi yang konstan. Tipe rotor biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksinya memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol.

2. Rotor kutub menonjol (Salient Pole Rotor)

Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak dan putarannya rendah. Kutub menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana

(23)

kutub diberi laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy.

2.3. Kumparan Peredam (Damper Winding)

Kumparan ini berfungsi untuk membantu motor sinkron melakukan start langsung dan juga memberikan keuntungan pada stabilitas motor karena kumparan ini mempunyai kecenderungan untuk meredam gejala peralihan (transient) pada motor. Kumparan peredam yang juga sering dikatakan amortisseur winding,

merupakan pelat kumparan dengan tonjolan pada bagian muka kumparan rotor yang ujung-ujungnya dihubung-singkatkan dengan cincin logam seperti kumparan sangkar bajing (squirrel cage ) pada motor induksi.

Gambar 2.4. Penampang Rotor Kutub Menonjol

(24)

2.4. Reaksi Jangkar

Ketika motor sinkron dioperasikan, arus jangkar IA akan mengalir dan

membentuk fluksi jangkar ϕa di stator. Fluksi jangkar ini kemudian akan

berinteraksi dengan fluksi medan ϕm dari rotor dan akan mempengaruhi nilai

tegangan fasanya. Interaksi antara ϕa dan ϕm ini kemudian dikenal sebagai reaksi

jangkar. Pengaruh yang ditimbulkan reaksi jangkar dapat berupa distorsi, penguatan (magnetising), maupun pelemahan (demagnetising) fluksi arus medan pada celah udara. Pengaruh yang ditimbulkan reaksi jangkar dapat dilihat pada:

a. cosφ = lagging

Arus akan tertinggal sebesar 900 dari tegangan. Fluksi yang dihasilkan oleh

arus jangkar ϕa akan melawan fluksi arus medan ϕm sehingga fluks resultan

ϕg pada celah udara akan berkurang dari ϕm. Dengan kata lain reaksi jangkar

akan demagnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan melemahkan fluksi arus medan (Demagnetising Effect).

b. cosφ = unity

Pengaruh fluksi jangkar terhadap fluksi medan hanyalah sebatas mendistorsinya saja tanpa mempengaruhi kekuatannya (cross magnetising)

Gambar 2.6. Pengaruh Demagnetisasi (Demagnetising Effect)

E lagging dari ϕm sebesar 90°

I lagging dari E sebesar 90° Oleh karena itu I lagging dari ϕm sebesar 180°

Karena ϕa sefasa dengan I , ϕa lagging dari ϕm sebesar 180°

(25)

c. cosφ = leading

Arus akan mendahului tegangan sebesar 900. Fluksi yang yang dihasilkan

arus jangkar akan searah dengan fluksi arus medan sehingga fluks resultan ϕg

pada celah udara akan bertambah dari ϕm. Reaksi jangkar yang terjadi akan

magnetising artinya pengaruh reaksi jangkar akan menguatkan fluksi arus medan (Magnetising Effect).

Perubahan nilai tegangan terminal Vt akibat perubahan fluksi karena reaksi jangkar

dinyatakan sebagai reaktansi reaksi jangkar XM. Untuk jatuh tegangan akibat adanya

reaksi jangkar dinyatakan dengan jXMIA.

Gambar 2.8. Pengaruh Magnetisasi (Magnetising Effect)

E lagging dari ϕm sebesar 90°

I leading dari E sebesar 90° Sehingga I sefasa ϕm

Karena ϕa sefasa dengan I , ϕa akan sefasa dengan ϕm Gambar 2.7. Pengaruh Distorsi Magnet (Cross-Magnetising Effect)

E lagging dari ϕm sebesar 90° ϕa lagging dari ϕm sebesar 90°

(26)

Gambar 2.9 Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Perfasa

2.5. Rangkaian Ekivalen

Stator terdiri dari belitan-belitan dimana suatu belitan konduktor akan terdiri dari tahanan RA dan induktansi L. Ketika motor bekerja maka arus akan mengalir

pada konduktor membentuk fluksi jangkar ϕa yang akan membangkitkan medan

putar. Fluksi jangkar ϕa akan berinteraksi dengan fluks medan ϕm sehingga akan

terjadi konversi energi dari energi listrik menjadi energi mekanik. Pada kondisi ini, ada fluks sisa yang tidak dapat berinteraksi dengan fluks medan disebut reaktansi bocor XA. Akibatnya adanya pengaruh reaksi jangkar dan reaktansi bocor XA maka

rangkaian ekivalen suatu motor sinkron adalah seperti gambar 2.9:

Dengan melihat gambar 2.9 maka dapat ditulis persamaan tegangan motor sinkron

sebagai berikut : V_ϕ= EA + j.XA.IA + j.XM .IA + RA.IA (Volt) ...(2.1)

Dari persamaan (2.1) dapat dilihat bahwa selain karena adanya tahanan RA, penyebab

perbedaan antara tegangan induksi EA dan tegangan terminal Vt adalah reaktansi

bocor (XA) dan reaktansi reaksi jangkar (XM). Kedua reaktansi ini memiliki arah

yang sama, yaitu leading dari arus sebesar 90°. Karena itu keduanya dapat disederhanakan menjadi XS yang disebut dengan reaktansi sinkron (XS= XA + XM)

sehingga persamaan (2.1) menjadi: Rf Lf Ea RA jXM IA Vf jXA Radj VΦ

(27)

Gambar 2.10. Penyederhanaan Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Perfasa

Gambar 2.11. Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Tiga Fasa

Vϕ= EA + j.XS.IA + RA.IA (Volt) ...(2.2)

atau

EA = Vϕ - j.XS.IA - RA.IA (Volt) ...(2.3)

Persamaan ini sama dengan persamaan generator sinkron, kecuali tanda untuk arusnya adalah terbalik.

Rf Lf EA RA Vϕ IA Vf XS Radj

(28)

Dari persamaan (2.3) dapat digambarkan diagram fasor motor sinkron seperti ditunjukkan pada gambar 2.12 berikut :

Gambar 2.12.a. Diagram Fasor Motor Sinkron Pada Faktor Daya Lagging b. Diagram Fasor Motor Sinkron Pada Faktor Daya Unity c. Diagram Fasor Motor Sinkron Pada Faktor Daya Leading

(29)

Keterangan : EA = Tegangan Jangkar (ggl lawan)

IA = Arus Jangkar

V_Φ = Tegangan Terminal XS = Reaktansi Sinkron

Zs = Impedansi Sinkron RA = Tahanan Jangkar

Radj = Tahanan Variabel

δ = Sudut Kopel θ = Sudut Daya

Saat motor sinkron dibebani tanpa pengaturan eksitasi, motor sinkron akan beroperasi pada faktor daya lagging dan diagram fasornya seperti yang ditunjukkan pada gambar (2.12.a). Oleh karena itu, untuk menganalisis motor sinkron digunakan diagram fasor motor sinkron dengan faktor daya lagging.

2.6. Prinsip Kerja

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 dan medan putar stator. Kecepatan medan putar stator adalah :

dimana f = frekwensi tegangan terminal motor P = jumlah kutub motor

(30)

Gambar 2.13.a. Kumparan a-a, b-b, cc

Apabila tegangan tiga fasa dihubungkan kekumparan 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 BS = μ.HS

Hal inilah yang disebut dengan medan putar yang timbul pada stator. Timbulnya medan putar pada stator ini dapat dijelaskan melalui gambar berikut.

(31)

Saat tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan a-a, b-b, c-c (gambar 2.13.a) dengan beda fasa masing-masing 1200. Maka akan timbul timbul 3 buah arus

sinusoidal (Ia, Ib, Ic) berdasarkan fungsi waktu seperti terlihat pada gambar (2.13.b).

Pada saat t1, t2, t3, t4, arah fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut

masing-masing ditunjukkan seperti pada gambar (2.13.c, 2.13.d, 2.13.e, 2.13.f). Pada saat t1, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a

(gambar 2.13.c). Pada saat t2, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang

dihasilkan kumparan b-b (gambar 2.13.d). Pada saat t3, arah fluks resultannya sama

dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan c-c (gambar 2.13.e). Pada saat t4, arah

fluks resultannya berlawanan arah dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a Gambar 2.13.d. Arah Fluk Secara

Vektoris Saat t2

Gambar 2.13.c. Arah Fluk Secara Vektoris Saat t1

Gambar 2.13.e. Arah Fluk Secara Vektoris Saat t3

Gambar 2.13.f. Arah Fluk Secara Vektoris Saat t4

(32)

(gambar 2.13.f). 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 BS ..…...………..……...(2.5)

Dan hubungannya dengan diagram medan magnetnya adalah sebagai berikut :

δ net B S B R B

Gambar 2.14. Diagram Medan Magnet Motor Sinkron

Keterangan : BS = Medan magnet stator

BR = Medan magnet rotor

(33)

Sehingga didapat : Bnet = BS + BR

BS = Bnet + BR ...(2.6)

Dengan mensubstitusikan pesamaan (2.6) ke persamaan (2.5), maka diperoleh : Tind = k.BR(Bnet – BR) Sin δ

Tind = k.BR.Bnet.Sin δ – k.(BR.BS) Sin δ→ BR.BR = 0

Sehingga persamaan kopel induksinya dapat dituliskan :

Tind = k.BR.Bnet.Sin δ Nm...(2.7)

2.7. Daya dan Kopel Yang Dibangkitkan Motor Sinkron

Berikut ini akan dijelaskan besar daya yang dibangkitkan oleh motor sinkron:

IA A E B C D EA Vph o φ α θ-α Ψ θ Ψ θ

Dari gambar 2.15, persamaan daya mekanis per fasa yang dibangkitkan pada poros adalah sebesar :

Pmek = EA.IA.Cos Ψ...(2.8)

Pada segitiga OBD, BD = IA.ZS. Cos Ψ, dimana BD=CD-BC= AE-BC, sehingga :

IA.ZS.Cos Ψ = Vph.Cos (θ-α) – EA.Cos θ, dan didapat :

IA.Cos Ψ = (Vph / ZS). Cos (θ-α) – (EA / ZS).Cos θ...(2.9)

Dengan mensubsitusikan nilai persamaan (2.9) ke persamaan (2.8) didapat : Gbr. 2.15. Ilustrasi Pembangkitan Daya Listrik Pada Motor Sinkron

(34)

Gambar 2.16. Kurva Hubungan Antara Kopel Dan Sudut δ Motor sinkron

Pmek = EA.       − −α θ θ Cos Z E Cos Z V S A S ph ) ( . Pmek = θ α Cosθ Z E Cos Z V E S A S ph A 2 ) ( . − − ...(2.10) Jika RA diabaikan, maka ZS =XS, dan θ ≈ 90o, maka :

Pmek = o S A o S ph A Cos X E Cos X V E 90 . ) 90 ( . . 2 − −α α Sin X V E P S ph A mek . . = ...(2.11) Adapun besarnya kopel yang dibangkitkan (berupa kopel ditambah dengan rugi-rugi mekanisnya, baik berupa rugi gesekan maupun rugi angin) oleh motor sinkron dinyatakan : T = δ ω ω X Sin V E P S S ph A S mek _. . . = ...……....(2.12)

Adapun hubungan antara kopel dan sudut δ pada persamaan 2.12 ditunjukan pada gambar 2.16 sebagai berikut :

Operasi Motor

Operasi Generator T

(35)

2.8. Metode Menjalankan Motor Sinkron

Sesuai dengan prinsip kerjanya, motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting). Hal ini disebabkan torsi start motor sinkron adalah nol. Berikut akan dijelaskan keadaan motor sinkron dengan frekuensi 50 Hz saat start.

1. Pada keadaan mula-mula rotor motor dalam keadaan diam, dan karenanya medan magnetnya (BR) pun dalam keadaan diam. Medan magnet stator (BS)

mulai menyapu sekeliling motor pada kecepatan sinkron.

2. Pada gambar 2.17.a, memperlihatkan motor pada waktu t=0 detik, ketika BR

dan BS benar-benar sefasa/segaris, maka dari persamaan kopel induksinya

(persamaan 2.5), kopel induksi pada poros rotor sama dengan nol. Gambar 2.17. Masalah Arah Putaran Motor Sinkron

BR BR BR BR _BR BS BS BS BS BS ω ω ω ω ω t = 0 detik Tind = 0 (a) t = 1/200 detik Tind = berlawanan arah

jarum jam (b) t = 1/100 detik Tind = 0 (c) t = 3/200 detik Tind = Searah jarum jam (d) t = 1/50 detik Tind = 0 (e)

(36)

3. Pada gambar 2.17.b, menunjukkan situasi rotor pada saat t=1/200 detik, rotor baru saja bergerak, tetapi medan magnet stator sekarang bergerak kekiri. Kembali dengan persamaan 2.5, kopel pada poros rotor sekarang berlawanan dengan arah jarum jam.

4. Pada gambar 2.17.c, menunjukkan situasi pada t=1/100 detik, dimana BR dan

BS berada pada arah yang berlawanan sehingga kopel induksi poros rotor

sama dengan nol.

5. Pada gambar 2.17.d, menunjukkan situasi start pada saat t=3/200 detik, medan magnet stator sekarang menunjukkan ke kanan, sehingga kopel pada poros rotor searah dengan jarum jam

6. Pada gambar 2.17.e, menunjukkan pada waktu t=1/50 detik, BR dan BS

kembali pada posisi segaris dan kopel induksinya sama dengan nol.

Jadi selama satu siklus listrik diatas, kopel mula-mula kopel mula-mula berlawanan dengan arah jarum jam dan kemudian searah jarum jam, sehingga kopel rata-rata selamam satu siklus listrik sama dengan nol. Maka rotor tersebut akan terguncang/ bervibrasi dan akan menimbulkan panas berlebihan. Untuk mengatasi hal tersebut, maka didapatkan 3 cara agar motor sinkron dapat di-start dengan aman, yaitu :

1. Menggunakan penggerak mula (prime mover) eksternal untuk memutar motor sinkron sampai pada kecepatan sinkronnya.

2. Mereduksi putaran dengan mengatur medan stator ke harga yang cukup rendah sampai rotor berputar.

(37)

2.8.1. Starting Motor Sinkron Dengan Penggerak Mula Eksternal

Pada metode start motor sinkron dengan penggerak mula, poros rotor motor sinkron dikopel dengan poros rotor penggerak mula (prime mover) eksternal, 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 BR akan lagging

dibelakang Bnet dan mesin akan start beraksi sebagai motor. Saat paralelnya sudah

selesai, maka motor sudah dapat dibebani.

2.8.2. Starting Motor Sinkron Dengan Mereduksi Frekwensi

Putaran medan magnet stator yang cepat membuat tidak mungkinnya terjadi interaksi tarik-menarik dan tolak menolak antara kutub medan magnet stator dengan kutub medan magnet rotor yang diam sehingga motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting).

Pada metode start dengan mereduksi frekwensi ini, pada saat start, motor disuplai dengan frekwensi 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 frekwensi sistem pun dinaikkan secara perlahan sampai pada frekwensi dan kecepatan sinkron yang diinginkan. Saat ini, pengaturan besar frekwensi yang disuplai dapat dilakukan dengan menggunakan inverter penyearah (rectifier-inverter) dan cycloconverter.

(38)

2.8.3. Starting Motor Dengan Kumparan Peredam (Damper Winding)

Pada metode start dengan kumparan peredam, rotor dilengkapi dengan kumparan peredam atau kumparan sangkar bajing 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 dan stator secara magnetis sehingga rotor pun berputar. Namun kecepatan putar rotor tidak sama dengan kecepatan sinkronnya. Pada saat ini, motor sinkron bertindak sebagai motor induk si. Setelah putaran rotor hampir mencapai kecepatan sinkronnya, maka kumparan medan penguat yang berada pada rotor dieksitasi dengan sumber 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.

2.9. Sistem Eksitasi

Ada dua metode yang umum digunakan untuk aplikasi arus medan DC yang disuplai ke rotor motor sinkron yaitu :

1. Sistem Eksitasi tipe sikat (Brush-Type Exitation System) 2. Sistem Eksitasi Tanpa sikat (Brushless-Type Exitation system)

(39)

2.9.2. Pada metode eksitasi ini arus eksitasi untuk motor sinkron disuplai oleh sebuah generator arus searah (DC) yang dikenal sebagai Exciter.

Exciter ini diputar salah satunya oleh motor sinkron itu sendiri (garis putus-putus) atau motor lain yang terpisah. Medan Shunt dari exciter dihubungkan ke sebuah control medan statis. Beberapa kontrol eksitasi dibuat manual untuk pengaturan arus medannya, tetapi ada juga yang dibuat otomatis untuk mengatur arus medan motor sinkron dalam sebuah konfigurasi loop tertutup yang didesain untuk mengendalikan besar arus medan untuk variasi beban atau untuk mengatur faktor daya tetap. Keluaran DC dari exciter ini akan di suplaikan ke medan magnet rotor motor sinkron melalui slip ring motor.

2.9.2. Sistem Eksitasi Tanpa Sikat

Metode eksitasi ini mengeliminasi kebutuhan akan sikat, antara exciter dan motor. Tegangan DC pada kumparan rotor motor disuplaikan melalui poros yang menghubungkan exciter dan motor sinkron.

(40)

Ketika motor di start kontak A akan tertutup dan tegangan tiga phasa akan disupalikan ke kumparan stator. Motor sinkron di start seperti motor induksi menggunakan kumparan amortisir pada permukaan rotornya. Kontak B juga tertutup dan keluaran DC akan disuplaikan ke kumparan stator exiter.

Pada kumparan rotor exciter akan di induksikan tegangan dan tegangan ini akan disearahkan oleh penyearah berputar (rotating rectifier). Ketika putaran rotor mendekati kecepatan sinkronnya, SCR akan bekerja dan tegangan DC dari exciter

akan disuplaikan ke kumparan rotor motor sinkron.

2.10. Karakteristik Motor Sinkron

Adapun karakteristik yang umum pada motor sinkron yaitu karakteristik torsi-putaran dan pengaruh kenaikan beban dengan eksitasi konstan, serta pengaruh perubahan eksitasi terhadap arus jangkar dan faktor daya akan dibahas pada bab III.

(41)

Gambar 2.20. Karakteristik Torsi-Putaran Motor Sinkron

2.10.1. Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron

Motor sinkron biasanya dihubungkan dengan suatu sistem daya yang besar (infinite buses). Hal ini dimaksudkan agar tegangan terminal dan frekwensi sistem akan selalu konstan. Kecepatan putaran motor terkunci pada frekwensi elektrik yang disuplai, maka kecepatan motor juga akan tetap konstan. Karakteristik Kurva Torsi-Putaran diperlihatkan pada gambar (2.16). Kecepatan steady-state motor adalah konstan dari beban nol sampai torsi maksimum motor.

ind T pullout T rated T sync n nm 0 0 0 0 0 100 = × − = SR n n n SR load full load full load no

Dari persamaan torsi pada motor (persamaan 2.12) diperoleh torsi maksimum atau pull out torque terjadi saat δ = 900. Dan torsi normalnya akan lebih kecil dari harga tersebut. Kenyataannya, torsi maksimum dapat mencapai tiga kali dari pull out torque pada mesin.

2.10.2. Pengaruh Kenaikan Beban Dengan Eksitasi Konstan

Bila beban dihubungkan ke poros motor sinkron, motor akan berusaha mendapatkan torsi yang cukup agar motor tetap beroperasi memikul beban dengan kecepatan sinkronnya. Jika beban yang ada diubah besarnya maka motor sinkron akan memiliki perilaku sebagai berikut:

(42)

Beban berat Sudut δ besar Beban ringan

Sudut δ kecil

Gambar 2.22. Ilustrasi Besarnya Beban Yang Dipikul Motor Sinkron Gambar 2.21. Pengaruh Bertambahnya Beban Pada Operasi Motor Sinkron

Jika beban pada poros dinaikkan, maka putaran rotor akan melambat (slow down) untuk sesaat, karena sudut kopel δ akan semakin besar dan torsi induksi motor sinkron juga akan bertambah besar. Peningkatan kopel induksi ini akhirnya mempercepat putaran rotor dan motor kembali berputar pada kecepatan sinkronnya, tetapi dengan sudut kopel δ yang lebih besar. Hal ini dapat di ilustrasikan sebagai gandengan / kopling fleksibel yang memikul beban, untuk lebih jelasnya ditunjukkan gambar 2.22. NS S NS S δ1 δ2 2.11. Kondensor Sinkron

Apabila motor sinkron diberi eksitasi lebih, maka untuk mengkompensasi kelebihan fluks, dari jala-jala akan ditarik arus kapasitif. Karena itu motor sinkron

(43)

Gambar 2.23. Diagram Vektor Daya Reaktif Motor Sinkron Tanpa

(tanpa beban) yang diberi eksitasi lebih akan berfungsi sebagai kapasitor dan mempunyai kemampuan untuk memperbaiki faktor daya. Motor sinkron demikian disebut kondensor sinkron.

Motor sinkron tanpa beban dalam keadaan eksitasi tertentu dapat menimbulkan daya reaktif. Perhatikan diagram vektor motor sinkron tanpa beban pada gambar di bawah ini.

V E I=0 JIXS δ=0 δ=0 δ=0 JIXS V E V E I I (a) (b) (c)

Pada kondisi ideal dan eksitasi normal dan Tahanan Jangkar RA diabaikan,

tanpa rugi-rugi, tegangan induksi akan sama dengan tegangan terminal dan sudut daya akan sama dengan nol karena tidak ada daya output. Pada gambar (a), penguatan normal sehingga V = E. Motor dalam keadaan tidak memberikan ataupun menghasilkan daya reaktif. V berimpit dengan E karena dalam keadaan tanpa beban sudut daya δ = 0. Pada gambar (b), eksitasi lebih sehingga E >V. Arus kapasitif (leading current) ditarik dari jala-jala dimana daya aktif P = VI cos θ= 0. Jadi, motor berfungsi sebagai pembangkit daya reaktif. Pada gambar (c), eksitasi kurang sehingga E < V. Arus magnetisasi (lagging current) ditarik dari jala-jala sehingga motor akan menyerap daya reaktif. Jadi Motor Sinkron dapat dioperasikan sebagai penghasil daya reatif (Kondensor Sinkron) atau sebagai penyerap daya reakif. Dengan sifat tersebut maka motor sinkron diaplikasikan untuk memperbaiki faktor daya jala-jala.

(44)

2.12. Keuntungan, Kerugian dan Aplikasi Motor Sinkron

Pemilihan motor sinkron untuk berbagai aplikasi secara umum didasari atas kebutuhan beban dan perkiraan ekonomis tertentu. Motor sinkron biasanya dibuat berukuran daya yang besar, karena pada ukuran yang kecil motor sinkron kurang ekonomis dibandingkan motor induksi.

2.12.1. Kerugian dan Kekurangan Motor Sinkron Antara Lain :

1. Pengaturan kecepatan putaran sulit dilakukan karena kecepatan putaran-nya serempak dengan putaran medan statornya, sehingga satu-satunya cara untuk merubah kecepatannya adalah dengan merubah frekuensi jala-jala.

2. Motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri,

rotornya harus diputar terlebih dahulu dengan penggerak mula (Prime Mover) sampai putaran sinkronnya, sehingga sangat tidak efesien.

3. Membutuhkan suplai arus searah untuk medan

eksitasinya

2.12.2. Keuntungan Motor Sinkron Antara Lain :

1. Faktor daya motor sinkron dapat diatur dengan mudah melalui pengaturan arus eksitasi.

2. Memiliki efisiensi tinggi dan kecepatannya yang konstan.

3. Untuk operasi sistem yang membutuhkan kecepatan dibawah 500 rpm dan untuk beban yang membutuhkan daya (mekanis) yang besar, motor sinkron lebih murah dari motor induksi.

(45)

2.12.3. Aplikasi Dan Penggunaan Motor Sinkron Antara Lain :

Motor sinkron sering digunakan pada sistem yang membutuhkan kecepatan konstan. Pemakaian yang umum adalah untuk menggerakkan kompressor yang memiliki efisiensi yang tinggi.

1. Aplikasi motor sinkron sebagai motor penggerak (Motor Drive)

Karena mempunyai kecepatan yang konstan, tidak terpengaruh oleh perubahan beban serta efesiensinya yang baik, maka motor sinkron sangat baik digunakan untuk melayani beban yang membutuhkan kecepatan konstan seperti pompa sentrifugal, mesin giling karet dan blower mesin, baling-baling, crushers, mills, conveyor belts, grinders.

2. Aplikasi motor sinkron untuk perbaikan faktor daya

Dalam hal ini, motor sinkron dengan eksitasi lebih dapat digunakan untuk membangkitkan daya reaktif sehingga dapat meningkatkan faktor daya sistem. Motor sinkron tanpa beban yang khusus digunakan untuk memperbaiki faktor daya sistem dikenal dengan nama kondensor sinkron.

(46)

BAB III

PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI PADA MOTOR SINKRON 3 FASA

3.1. Umum

Karakteristik yang umum dari suatu motor sinkron adalah pengaruh perubahan eksitasi pada motor sinkron. Pengaruh perubahan eksitasi dari suatu motor perlu diketahui untuk memahami perilaku dari motor listrik tersebut dalam berbagai kondisi operasinya. Dalam tugas akhir ini akan dibahas pengaruh perubahan eksitasi terhadap arus jangkar dan faktor daya motor sinkron tiga phasa. Pengaruhnya tersebut dapat dilihat dalam bentuk diagram fasor, kurva v dan kurva v invers motor sinkron.

Kurva v motor sinkron menunjukkan hubungan antara variasi arus eksitasi terhadap arus jangkar, sedangkan kurva v invers menunjukkan hubungan antara variasi arus eksitasi terhadap faktor daya

3.2. Pengaruh Perubahan Arus Eksitasi

Pengaruh perubahan arus eksitasi pada motor sinkron dapat dilihat dari persamaan tengangan induksi berikut:

(47)

Emax

maka E ...(3.1)

dimana : E = ggl induk si (volt) f = frekwensi (Hz) C = konstanta n = putaran (rpm)

Φ = fluks magnetik (weber) N = jumlah belitan

p = jumlah kutub

dari persamaan fluksi, yaitu:

Ф = B . A

(48)

Dimana : B = Fluksi magnet

H = Intensitas medan magnet

A = Luas penampang konduktor (dalam hal ini stator) i = Arus (dalam hal ini merupakan arus eksitasi) μ0 = permeabilitas bahan konduktor (rotor)

lc = Panjang konduktor (rotor)

Nilai arus eksitasi yang diberikan sebanding dengan nilai fluksi yang dihasilkan. Karena besar tegangan induksi yang dihasilkan berbanding lurus dengan fluksi yang diinduksikan rotor maka perubahan eksitasi juga akan berbanding lurus dengan perubahan tegangan induksi. Hal ini dapat dilihat dari persamaan (3.1) dan (3.2), sehingga:

Kenaikan IF≈ Kenaikan Ф ≈ Kenaikan E

Pada gambar 3.1.a ditunjukkan motor sinkron mula-mula beroperasi dengan faktor daya lagging, lalu kemudian arus eksitasinya diperbesar. Bertambahnya arus eksitasi juga mengakibatkan nilai EA bertambah, tetapi tidak mempengaruhi daya

nyata yang disuplai oleh motor. Untuk lebih memudahkan analisis, tahanan jangkar Ra diabaikan sementara reaktansi sinkron XS dan tegangan terminal Vθ tetap konstan.

Dari persamaan dibawah dapat dilihat daya perphasa yaitu :

) 3 . 3 ....( ... ... cos sin . _θ _δ _θ A t A I V Xs V E P= =

(49)

Untuk daya keluaran konstan, E_Asinδ dan I_A cosθ harus tetap konstan karena V_θ dan XS juga konstan. Hal ini berarti apabila arus eksitasi divariasikan,

tegangan induksi EA juga bervariasi tetapi komponen EA normal terhadap Vθ yaitu

δ

sin

A

E tetap konstan. Karena EA bervariasi, IAXS dan arus jangkar IA juga

bervariasi, dimana I_A cosθ tetap konstan.

Saat tegangan induksi adalah EA1, motor dalam keadaan eksitasi kurang dan

arus jangkar IA1 lagging dari Vθ dengan sudut daya θ1. Ketika arus eksitasi

dinaikkan, tegangan induksi meningkat menjadi EA2, sudut kopel akan berkurang dari

1

δ menjadiδ₂ sehingga EA1 sinδ₁= EA2 sin δ2 dan fasor arus IA1 akan menjadi IA2,

dan motor beroperasi pada faktor daya unity seperti pada gambar 3.1.b.

Ketika eksitasi dinaikkan lagi, tegangan induksi EA2 akan bertambah menjadi

EA3, sudut kopel beban berkurang dari δ2 menjadi δ3 sehingga EA3 Sinδ3 = EA2Sinδ2

= EA1 Sinδ1. Fasor arus IA2 berubah menjadi IA3 yang leading terhadap Vθ seperti

gambar 3.1.b dan sekarang motor beroperasi pada faktor daya leading. Dengan catatan bahwa komponen daya aktif dari arus jangkar adalah sama yaitu IA1 cosθ1 =

IA

Vθ

EA

δ

(50)

(b)

Gambar 3.1 (a) Operasi Motor Sinkron Pada Cos θ Lagging (Ra diabaikan) (b) Pengaruh Bertambahnya Arus Eksitasi Pada

Operasi Motor Sinkron (Ra diabaikan)

Oleh karena itu, dengan mengontrol arus eksitasi pada motor sinkron, daya reaktif yang disuplai atau dikonsumsi dari sistem daya akan dapat dikontrol. Bila proyeksi dari fasor EA ke Vθ, (EAcos δ), lebih pendek dari Vθ itu sendiri, maka motor

akan mempunyai arus lagging dan mengkonsumsi daya reaktif Q. Bila arus eksitasi lebih kecil dari situasi ini, maka motor disebut eksitasi kurang (under excited) atau dengan kata lain bila proyeksi EA terhadap Vθ, lebih panjang dari Vθ, itu sendiri,

motor sinkron memiliki arus leading dan mensuplai daya reaktif Q ke sistem daya. Jadi bila arus medan lebih besar dari situasi ini, maka motor sinkron disebut eksitasi lebih (over excited). Diagram fasor dari konsep ini diilustrasikan oleh gambar berikut: IA1 IA2 IA3 Vθ EA1 EA2 EA3 IA1.XS IA2.XS IA3.XS δ1δ2δ3 θ1 θ3 IA Cos θ = Konstan EA Sin δ =Konstan

(51)

IA Vθ EA δ θ EA sin δ < Vθ (a) Vθ IA EA EA sin δ > Vθ θ δ (b)

Gambar 3.2. (a). Diagram Fasor Motor Sinkron Eksitasi Kurang (b). Diagram Fasor Motor Sinkron Eksitasi Lebih

3.2.1. Karakteristik Kurva V Motor Sinkron (IA = f(IF))

Besarnya arus jangkar untuk suatu beban tertentu bervariasi dengan perubahan arus eksitasi atau IA = f(IF), ditunjukkan dalam bentuk kurva v pada

gambar 3.3. Karena bentuknya menyerupai huruf v, maka dinamakan sebagai kurva v motor sinkron. Pada gambar dibawah dapat digambarkan beberapa kurva v yang dibedakan berdasarkan level daya nyatanya. Untuk arus eksitasi yang lebih kecil dari harga minimum IA, arus jangkar akan lagging dan mengkonsumsi daya reaktif .

Untuk arus eksitasi lebih besar dari harga minimum IA, arus jangkar akan leading dan

(52)

3.2.2. Karakteristik Kurva V Invers Motor Sinkron (Cos φ = f(IF))

Untuk daya yang konstan, jika faktor daya digambarkan sebagai fungsi arus ek sitasi atau Cos φ = f(IF) maka akan diperoleh kurva. Karena bentuknya

terbalik/berlawanan dengan kurva v maka kurva ini dinamakan kurva v invers motor sinkron. Pada gambar 3.4. ditunjukkan beberapa kurva v invers yang dibedakan berdasarkan level daya nyatanya. Kurva mencapai nilai maksimum sama dengan satu pada harga arus eksitai IF tertentu.

Gambar 3.4. Kurva V Invers Motor Sinkron Gambar 3.3. Kurva V Motor Sinkron

Cos θ (PF)

IF (A)

PF

(53)

BAB IV

ANALISA PENGARUH PERUBAHAN ARUS EKSITASI TERHADAP ARUS JANGKAR DAN FAKTOR DAYA

MOTOR SINKRON TIGA FASA

4.1. Umum

Motor sinkron tiga fasa adalah mesin listrik arus bolak-balik (AC) yang banyak digunakan untuk melayani beban mekanik yang membutuhkan putaran konstan dan perbaikan faktor daya sistem. Dalam berbagai kondisi operasinya, perilaku motor sinkron dipengaruhi oleh pengaturan atau perubahan eksitasi dari medan rotornya. Pengaruh perubahan arus eksitasi terhadap arus jangkar dan faktor daya untuk daya yang konstan dapat ditunjukkan dalam bentuk diagram fasor, kurva v (v curve) serta kurva v invers (inverted v curve) motor sinkron.

Penelitian ini dilakukan dengan cara melakukan pengujian dan mengambil data di Labotatorium Konversi Energi Listrik Departemen Teknik Elektro Universitas Sumatera Utara.

4.2. Peralatan Yang Digunakan

Peralatan yang digunakan dalam penelitian ini adalah :

1. Motor sinkron tiga fasa Tipe 72SA

P = 5 KW

Cos φ = 0,8

Jumlah kutub = 4

(54)

Tegangan terminal = 400 Volt

Arus = 9 Amp

Kelas Isolasi

• Stator = E

• Rotor = E

Tegangan Eksitasi = 44 Volt DC

Arus eksitasi = 5,7 Amp

Frekwensi = 50 Hz

N = 1500 rpm

2. Motor Induksi Tiga Fasa Tipe VZ 132M4 (Penggerak mula)

P = 7,5 KW

Cos φ = 0,82

Jumlah Kutub = 4

IP = 44

Kelas rotor = D (rotor sangkar)

Belitan = Y / ∆

Tegangan = 380 / 220 Volt

Arus = 16,5 / 28,5 Amp

3. 2 Unit Power Suplai AC 4. 1 Unit Power Suplai DC 5. Multimeter LCR

6. Amperemeter Tipe 4539-A

7. Portable Polyphase Wattmeter Tipe 2042 8. Portable Power Faktor Meter Tipe 2039 9. 1 Unit Phony Brake

(55)

Gambar 4.1. Rangkaian Pengujian Beban Nol Mesin Sinkron

4.3. Menentukan Reaktansi Mesin Sinkron Tiga Fasa

Untuk menentukan reaktansi dari mesin sinkron maka dilakukan pengujian berikut, dimana pada kondisi ini mesin sinkron dioperasikan sebagai generator.

4.3.1. Pengujian Beban Nol Mesin Sinkron (Dioperasikan Sebagai Generator) a. Rangkaian Pengujian M Sinkron M Induksi T PTDC A P T A C S2 S1 R S T R S T N U V W ω V b. Prosedur Pengujian

1. Peralatan disusun dan dirangkai sesuai dengan gambar 4.1 di atas.

2. Saklar S1, S2 dan dalam posisi terbuka dan sumber tegangan dalam

keadaan minimum.

3. Saklar S1 ditutup dan atur PTAC sampai motor induksi memutar rotor

mesin sinkron dengan kecepatan sinkron 1500 rpm.

4. PTDC di-nyalakan dengan menutup Saklar S2,dan melalui PTDC, arus

eksitasi (A) bertahap dinaikkan hingga diperoleh pembacaan tegangan terminal (V).

5. Untuk tiap kenaikan arus eksitasi, dicatat perubahan tegangan terminalnya dan putaran dijaga konstan.

(56)

6. PTDC diminimumkan, saklar S2 dibuka, kemudian PTAC

diminimumkan lalu saklar S1 dibuka.

7. Pengujian selesai.

c. Data Hasil Pengujian

N =1500 rpm

Tabel 4.1 Data Hasil Pengujian Beban Nol Mesin Sinkron

No IF (A) EA (Volt) 1 0 11 2 0,2 41 3 0,4 88 4 0,6 118 5 0,8 164 6 1,0 190 7 1,2 218 8 1,4 260 9 1,6 305 10 1,8 333 11 2,0 364 12 2,2 380 13 2,4 409 14 2,6 420 15 2,8 435 16 2,9 440 17 3,0 447

d. Grafik Hasil Pengujian

Pada pengujian beban nol mesin sinkron sebagai generator dapat dilihat bahwa kenaikan tegangan terminal EA tidak linier terhadap kenaikan arus eksitasi IF

(57)

Gambar 4.2. Grafik Pengujian Beban Nol Mesin Sinkron

Gambar 4.3. Rangkaian Pengujian Hubung Singkat Mesin Sinkron IF (A)

EA (V)

4.3.2. Pengujian Hubung Singkat Mesin Sinkron (Dioperasikan Sebagai Generator) a. Rangkaian Pengujian U V W A1 S2 S T ω R _P T A C 1 M

Induksi Generator _Sinkron

S1 A2 PTDC U V W b. Prosedur Pengujian

1. Peralatan dirangkaian seperti gambar 4.3 dengan semua saklar terbuka, PTAC dan PTDC pada posisi minimum.

(58)

2. Saklar S2 ditutup dan motor induksi (prime mover) dijalankan.

3. Saat If = 0, dicatat pembacaan arus pada amperemeter A2

4. Saklar S2 ditutup. PTDC diatur untuk memberikan arus eksitasi secara

bertahap hingga dicapai arus hubung singkat. Putaran rotor dijaga konstan. Setiap kenaikan arus eksitasi, arus yang terukur pada ampermeter A2

dicatat.

5. Setelah mencapai arus hubung singkat yang diizinkan, atur PTDC hingga arus eksitasi yang terukur menjadi nol.

6. PTAC diatur pada posisi minimum dan saklar S1 dibuka. PTDC diatur

pada posisi minimum dan saklar S2 dibuka.

7. Percobaan selesai.

c. Data Hasil Pengujian

No IF (A) Ihs(A) 1 0 0,19 2 0,2 0,72 3 0,4 1,55 4 0,6 2,14 5 0,8 3,15 6 1,0 3,7 7 1,2 4,35 8 1,4 5,3 9 1,6 6,3 10 1,8 6,89 11 2,0 7,75 12 2,2 8,15 13 2,4 9,04 14 2,6 10,1

(59)

Gambar 4.5. Rangkaian PengukuranTahanan Jangkar Motor Sinkron Gambar 4.4 Grafik Data Hubung Singkat Mesin Sinkron

15 2,8 10,8

16 2,9 11,42

17 3,0 11,8

d. Grafik Hasil Pengujian

Untuk setiap arus medan IF yang diberikan maka diperoleh arus hubung

singkat IHS seperti berikut:

4.3.3 Pengukuran Tahanan Jangkar a. Rangkaian Pengukuran IHS (A) IF (A) ADC VDC P T D C S1 RA R S T RA _R_A

(60)

b. Prosedur Pengukuran

1. Peralatan diusun dan dirangkai sesuai gambar 4.5 di atas.

2. PTDC di-nyalakan dengan menutup saklar S1, kemudian atur PTDC

hingga pembacaan pada Amperemeter (ADC) menunjukan nilai nominal

arus jangkar motor atau mendekati nilai nominalnya.

3. Catat pembacaan pada Voltmeter (VDC) dan Amperemeter (ADC).

4. Ulangi prosedur 2 dan 3 untuk tiga kali percobaan. 5. Percobaan selesai.

c. Data Hasil Pengukuran

Tabel 4.3 Data Hasil Pengukuran Tahanan Jangkar

No VDC (Volt) ADC (Ampere)

1 27,50 9

2 27,45 9

3 27,87 9

d. Analisa Hasil Pengukuran

Dari rangkaian pengukuran tahanan jangkar dapat dilihat bahwa ketika saklar S1 ditutup dan PTDC diatur sesuai dengan prosedur, maka nilai yang terbaca pada

Voltmeter (VDC) dan Amperemeter (ADC) merupakan nilai 2 tahanan belitan seri

antara fasa R dan fasa S atau sama dengan 2 RA, sehingga:

RA1 = 1,527 Ω ; RA2 = 1,525 Ω ; RA3 = 1,548 Ω nilai rata-rata RA = 3 54 , 1 525 , 1 527 , 1 + + = 1,53 Ω