1. Mesin-mesin Elektrik 2

MESIN-MESIN ELEKTRIK 2

Kode Mata Kuliah : F08201048 Jumlah SKS : 2

Pengajar:

1. Dr. Ahmad Antares Adam, ST., MEngSc 2. Mardiansyah ST., MT

Referensi (Beberapa di antaranya):

1. Stephen J. Chapman: Electric Machinery Fundamental 2. D.P. Kothari and I.J. Nagrath: Electric Machines

3. Theodore Wildi: Electrical Machines, Drives, and Power System

Materi Kuliah:

1.Konsep Dasar Mesin Berputar 2.Mesin Induksi

3.Motor Sinkron

4.Generator Sinkron

Definisi Motor Sinkron

Jenis motor listrik yang ketika dihubungkan ke sebuah sumber tegangan 3 fasa, maka putaran rotor dalam kecepatan sinkron, sama dengan kecepatan medan putar pada stator.

 Kecepatan putar motor tergantung pada frekuensi sumber tegangan.

 Karena frekuensi adalah tetap, kecepatan motor adalah konstan,

terlepas dari beban atau tegangan sumber 3 fasa tersebut.

Konstruksi Motor Sinkron

 Motor sinkron konstruksinya identik (mirip) dengan generator AC kutub salient (menonjol).

 Statornya tersusun dari celah berpetak (slotte) inti magnet, yang membawa belitan 3 fasa.

 Dengan demikian, belitan stator motor sinkron mirip dengan belitan stator motor induksi.

 Rotornya mempunyai satu set kutub menonjol yang dieksitasi oleh arus searah (DC).

 Gulungan (koil) medan eksitasi dihubungkan secara seri terhadap dua slip ring dan arus DC dicatu ke dalam belitan rotor dari pengeksitasi luar.

 Belitan damper (peredam) digunakan pada saat motor start.

 Rotor dan stator mesin sinkron selalu mempunyai jumlah kutub yang sama.

 Seperti halnya motor induksi, jumlah kutub menentukan kecepatan putar motor.

ns = 120 f/p

ns = kecepatan motor

f = frekuensi sumber tegangan p = jumlah kutub

Starting Motor Sinkron

Sebuah motor sinkron tidak dapat start sendiri, rotornya selalu dilengkapi dengan belitan rotor sangkar sehingga motor ini dapat start sebagai suatu motor induksi.

Ketika stator dihubungkan pada sumber 3 fasa, maka rotor berakselerasi sampai mencapai suatu nilai kecepatan yang sedikit di bawah kecepatan sinkron. Eksitasi arus DC dicatu selama periode starting.

Ketika rotor berakselerasi, fluks berputar yang diciptakan oleh stator menyapu kutub

menonjol rotor yang berputar lebih rendah. Karena koil (gulungan) pada rotor mempunyai

jumlah lilitan yang relatif banyak, tegangan tinggi diinduksikan pada belitan rotor ketika

rotor berputar pada kecepatan rendah.

Tegangan ini muncul di antara slip ring dan nilainya turun seiring dengan bertambahnya kecepatan rotor, dan pada akhirnya menjadi dapat diabaikan ketika rotor mendekati kecepatan sinkron.

Untuk membatasi tegangan tersebut dan memperbaiki torka starting,

dilakukan dengan dua cara, yaitu menghubungsingkat slip ring atau

menghubungkan slip ring ke resistor pelengkap (auxiliary) selama

periode starting.

Torka Tarik

Segera setelah motor berjalan mendekati kecepatan sinkron, rotor dialiri arus DC. Hal ini menghasilkan kutub N dan S bergantian di sekeliling keliling rotor.

Jika kutub-kutub rotor berhadapan dengan kutub-kutub dengan polaritas berlawanan pada stator, daya tarik magnet yang kuat terbentuk di antara kutub-kutub tersebut. Daya tarik timbal balik mengunci (mengikat) kutub rotor dan stator bersama-sama, dan rotor ditarik sejalan dengan medan putar. Torka yang dikembangkan pada saat ini disebut torka tarik.

Kutub-kutub rotor ditarik oleh kutub-kutub yang berlawanan pada stator. Pada kondisi tanpa beban sumbu-sumbu dari kutub-kutub tersebut bertepatan

Torka tarik motor sinkron sangat kuat, tetapi arus DC harus diterapkan pada saat yang tepat. Misalnya, jika kutub N, S yang muncul dari rotor berlawanan dengan kutub N, S dari stator, tolakan magnet yang dihasilkan menghasilkan kejutan mekanis yang keras. Motor akan segera melambat dan pemutus arus akan trip.

Dalam praktiknya, starter untuk motor sinkron dirancang untuk mendeteksi momen yang tepat kapan eksitasi harus diterapkan. Motor kemudian berjalan secara otomatis dan mulus dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan medan putar.

Setelah motor berputar pada kecepatan sinkron, tidak ada tegangan yang diinduksi pada belitan rotor sangkar, sehingga tidak membawa arus. Pada dasarnya motor sinkron berputar karena adanya gaya tarik magnet antara kutub rotor dan kutub stator yang berlawanan.

Untuk membalik arah putaran, kita cukup menukar dua saluran yang terhubung

ke stator.

Motor Sinkron Berbeban

Ketika motor sinkron bekerja tanpa beban, kutub rotor berlawanan langsung dengan kutub stator dan sumbunya bertepatan.

Namun, jika kita memberikan beban mekanis pada shaft, kutub rotor sedikit tertinggal di belakang kutub stator, tetapi rotor terus berputar dengan kecepatan sinkron. Sudut mekanis antara kutub meningkat secara progresif saat kita menambah beban.

Namun demikian, daya tarik magnet

membuat rotor tetap terkunci pada

medan putar, dan motor

mengembangkan torka yang

semakin kuat saat sudut bertambah.

Jika beban mekanik melebihi torka pull-out motor, kutub rotor secara tiba- tiba menjauh dari kutub stator dan motor berhenti. Motor yang berhenti berputar secara tiba-tiba menciptakan gangguan besar pada saluran, dan pemutus sirkuit segera trip. Ini melindungi motor karena sangkar tupai dan belitan stator cepat panas ketika mesin berhenti berjalan pada kecepatan sinkron.

Torka pull-out tergantung pada gaya magneto-motive yang dikembangkan oleh rotor dan kutub stator. Mmf kutub rotor bergantung pada eksitasi dc, sedangkan mmf stator bergantung pada arus ac yang mengalir di belitan.

Torka pull-out biasanya 1,5 hingga 2,5 kali torka beban penuh nominal.

Sudut mekanis antara kutub rotor dan stator memiliki pengaruh langsung pada arus stator.

Saat sudut meningkat, arus meningkat. Karena sudut yang

lebih besar bersesuaian dengan beban mekanis yang lebih

besar, dan peningkatan daya hanya bisa berasal dari sumber ac

3 fasa.

Fluks yang dibuat oleh rotor menginduksikan tegangan di stator. Fluks ini tergantung pada arus penguat DC yaitu . Sehingga bervariasi terhadap eksitasi.

Pergeseran fase menghasilkan perbedaan potensial sepanjang reaktansi sinkron diberikan oleh:

�

_�

= � − �

_�

Arus I yang mengalir pada rangkaian:

Analisis Motor Sinkron Berbeban

Motor pada kondisi tanpa beban,

Motor pada kondisi berbeban mempunyai nilai yang sama dengan pada kondisi tanpa beban, namun terbelakang terhadap .

Daya dan torka Motor Sinkron

Ketika motor sinkron beroperasi pada kondisi berbeban, motor tersebut menarik daya aktif dari saluran. Daya tersebut adalah:

� = �

_�

�

�

_�

sin � adalah tegangan suplai ke motor

adalah tegangan eksitasi adalah sudut antara dan

�

_����

= �

_�

�

�

_�

Jika kita abaikan rugi-rugi besi di dalam stator, semua daya ditransmisikan

melalui celah udara ke rotor.

� = 9,55 �

�

_�

Hubungan antara sudut mekanik , sudut torka dan jumlah kutub p :

�=� � / 2

Torka maksimum motor yang dapat dibangkitkan disebut torka pull out,

terjadi pada saat

Jika eksitasi motor sinkron dikurangi secara bertahap ketika berputar tanpa beban, maka motor terus berjalan pada kecepatan sinkron bahkan saat arus eksitasi nol. Alasannya karena fluks yang dihasilkan oleh stator lebih suka melewati celah pendek antara kutub yang menonjol dan stator daripada celah udara yang jauh lebih panjang antara kutub.

Dengan kata lain, karena keengganan sirkuit magnetik lebih kecil pada sumbu kutub yang menonjol, fluks terkonsentrasi.

Karena fenomena ini, motor mengembangkan torka reluktansi.

Fluks yang diproduksi oleh stator mengalir menyebrang melalui kutub menonjol

Jika beban mekanis diterapkan pada poros, kutub rotor akan jatuh di belakang kutub stator, dan fluks stator akan berbentuk. Dengan demikian, torka reluktansi yang cukup besar dapat dikembangkan tanpa eksitasi DC sama sekali.

Torka reluktansi menjadi nol ketika kutub rotor berada di tengah antara kutub-kutub stator.

Alasannya adalah kutub N dan S pada stator menarik kutub yang menonjol dalam arah yang berlawanan. Akibatnya, torka reluktansi adalah nol tepat pada sudut di mana torka reguler T mencapai nilai maksimumnya, yaitu pada 90°.

Kutub-kutub menonjol ditarik ke kutub

stator sehingga menghasilkan torka reluktansi Torka reluktansi adalah nol ketika kutub-kutub

menonjol berada di tengah antara kutub-kutub stator

Torka mencapai nilai positif maksimum pada = 45°. Untuk sudut yang lebih besar mencapai nilai negatif maksimum pada = 135°. Jelas, untuk dijalankan sebagai motor torka reluktansi, sudutnya harus antara nol dan 45°. Meskipun torka positif masih dikembangkan antara 45° dan 90°, ini adalah wilayah operasi yang tidak stabil.

Alasannya adalah karena sudut bertambah, daya berkurang.

Kurva daya mekanik memiliki bentuk yang persis sama dengan kurva torka. Jadi, dengan tidak adanya eksitasi DC, daya mekanik mencapai puncaknya pada = 45°.

Torka reluktansi terhadap sudut torka

Apakah sifat menonjol kutub rotor memodifikasi kurva daya dan torka ?

Torka motor kutub menonjol sama dengan jumlah komponen torka rotor halus dan komponen torka reluktansi.

Torka reluktansi puncak adalah sekitar 25 persen dari torka rotor halus puncak.

Akibatnya, torka puncak motor kutub menonjol sekitar 8 persen lebih besar daripada motor rotor halus.

(1) Torka reluktansi (2) Torka rotor halus

(3) Torka resultan, (1) + (2).

Torka (2) disebabkan eksitasi DC dari (pada) rotor

Kerugian dan efisiensi motor sinkron

1. Sudut torka pada beban penuh berkisar antara 27° dan 37°.

2. Tenaga yang dibutuhkan untuk mengeksitasi motor 2000 hp (4,2 kW) hanya sekitar dua kali lipat dari yang dibutuhkan motor 200 hp (2,1 kW). Secara umum, semakin besar motor sinkron semakin kecil daya per unit yang dibutuhkan untuk mengeksitasinya.

3. Total kerugian Motor A (38 kW) hanya empat kali lipat dari Motor B (9,5 kW) meskipun faktanya Motor A sepuluh kali lebih bertenaga. Semakin banyak tenaga kuda yang mereka kembangkan, semakin kecil kerugian. Akibatnya, efisiensi meningkat seiring dengan peningkatan tenaga motor.

4. Reaktansi sinkron per fase jauh lebih besar resistansi pada belitan stator.