MOTOR LISTRIK
Motor listrik termasuk kedalam kategori mesin listrik
dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi
listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya,
memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat
bahan, dll di industri dan digunakan juga pada peralatan listrik rumah tangga
(seperti: mixer, bor listrik,kipas angin).
Motor listrik kadangkala disebut “kuda kerja” nya industri,
sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik
total di industri.
Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara
umum sama (Gambar 1), yaitu:
• Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.
• Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah
lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan
mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.
• Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk
memutar kumparan.
• Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk
memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan
oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.
Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti
apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga
putar/torsi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat
dikategorikan kedalam tiga kelompok:
• Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan
keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya
tidak bervariasi. Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary
kilns, dan pompa displacement konstan.
• Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi
yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah
pompa sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).
• Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan
permintaan torsi yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh
untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.
Gambar 1. Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.
JENIS MOTOR LISTRIK
Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor
listrik: motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan
pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut
dalam bagan dibawah ini.
Gambar 2. Klasifikasi Motor Listrik.
1. Motor DC/Arus Searah
Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus
langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada
penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan
yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas.
Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga
komponen utama:
• Kutub medan. Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi
dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki
kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang
diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara
dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara
kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih
komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik
dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan.
• Dinamo. Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan
menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as
penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo
berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara
dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik
untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo.
• Kommutator. Komponen ini terutama ditemukan dalam motor
DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo.
Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya.
Gambar 3. Motor DC.
Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah
dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat
dikendalikan dengan mengatur:
• Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan
meningkatkan kecepatan.
• Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan
kecepatan.
Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya
pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan
daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab
sering terjadi masalah dengan perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran
yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area
yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor
DC juga relatif mahal dibanding motor AC.
Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo
ditunjukkan dalam persamaan berikut:
Gaya elektromagnetik: E = KΦN
Torsi: T = KΦIa
Dimana:
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal
dinamo (volt)
Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan
N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit)
T = torsi electromagnetik
Ia = arus dinamo
K = konstanta persamaan
Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah
a. Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited, Jika
arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya
terpisah/separately excited.
b. Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited: motor shunt.
Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel
dengan gulungan dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 4. Oleh karena
itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.
Gambar 4. Karakteristik Motor DC Shunt.
Berikut tentang kecepatan motor shunt (E.T.E., 1997):
• Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada
beban (hingga torsi tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4)
dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang
rendah, seperti peralatan mesin.
• Kecepatan dapat dikendalikan dengan cara memasang tahanan
dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang
tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).
c. Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri,
gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A)
seperti ditunjukkan dalam gambar 5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan
arus dinamo.
Berikut tentang kecepatan motor seri (Rodwell International
Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):
• Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.
• Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban
sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali.
Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan
torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist
(lihat Gambar 5).
Gambar 5. Karakteristik Motor DC Seri.
d. Motor DC Kompon/Gabungan.
Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt.
Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan
seri dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6.
Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan
yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan
medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque penyalaan awal
yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-50% menjadikan
motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon
yang standar (12%) tidak cocok (myElectrical, 2005).
Gambar 6. Karakteristik Motor DC Kompon.
2. Motor AC/Arus Bolak-Balik
Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang
membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik
AC memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan
"rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar 7.
Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan
komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC
terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan.
Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak
frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan
dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena
kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah
(harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan
rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).
Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik
a. Motor sinkron. Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja
pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus
searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan
oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah,
seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron
mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada
sistim yang menggunakan banyak listrik.
Komponen utama motor sinkron adalah (Gambar 7):
• Rotor. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor
induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama
dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor
tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited,
yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan
magnet lainnya.
• Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang
sebanding dengan frekwensi yang dipasok.
Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan
oleh persamaan berikut (Parekh, 2003):
Ns = 120 f / P
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub
Gambar 7. Motor Sinkron.
b. Motor induksi. Motor induksi merupakan motor yang paling
umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena
rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung
disambungkan ke sumber daya AC.
Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama
(Gambar 8):
• Rotor. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor:
- Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal
yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi
hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek.
- Lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan
ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase
digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke
cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya.
• Stator. Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots
untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah
kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat .
Klasifikasi motor induksi
Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok
utama (Parekh, 2003):
• Motor induksi satu fase. Motor ini hanya memiliki satu
gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah
rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya.
Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam
peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian,
dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp.
• Motor induksi tiga fase. Medan magnet yang berputar
dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki
kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor
(walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri.
Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai
contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder.
Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp.
Gambar 8. Motor Induksi.
Kecepatan motor induksi
Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke
stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan
kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua,
yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor
berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada
kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya
perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang
meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi.
Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor
tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor”.
Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung
persentase slip/geseran(Parekh, 2003):
% Slip = (Ns – Nb)/Ns x 100
Dimana:
Ns = kecepatan sinkron dalam RPM
Nb = kecepatan dasar dalam RPM
Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi
Gambar 9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.
Gambar 9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi
AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Bila motor (Parekh, 2003):
• Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang
tinggi dan torsi yang rendah (“pull-up torque”).
• Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat
tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun.
• Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi
dan stator turun ke nol.
Generator DC dan Generator AC
A. GENERATOR DCGenerator DC merupakan sebuah perangkat Motor
listrik yang mengubah energi mekanis menjadi energi listrik. Generator DC
menghasilkan arus DC / arus searah. Generator DC dibedakan menjadi beberapa
jenis berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya
terhadap jangkar (anker), jenis generator DC yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
1. Konstruksi Generator DC
Pada umumnya generator DC dibuat dengan menggunakan magnet
permanent dengan 4-kutub rotor, regulator tegangan digital, proteksi terhadap
beban lebih, starter eksitasi, penyearah, bearing dan rumah generator atau
casis, serta bagian rotor.
Generator DC terdiri dua bagian, yaitu stator, yaitu bagian
mesin DC yang diam, dan bagian rotor, yaitu bagian mesin DC yang berputar.
Bagian stator terdiri dari: rangka motor, belitan stator, sikat arang, bearing
dan terminal box. Sedangkan bagian rotor terdiri dari: komutator, belitan
rotor, kipas rotor dan poros rotor.
Bagian yang harus menjadi perhatian untuk perawatan secara
rutin adalah sikat arang yang akan memendek dan harus diganti secara periodic /
berkala. Komutator harus dibersihkan dari kotoran sisa sikat arang yang
menempel dan serbuk arang yang mengisi celah-celah komutator, gunakan amplas
halus untuk membersihkan noda bekas sikat arang.
2. Prinsip kerja Generator DC
Pembangkitan tegangan induksi oleh sebuah generator
diperoleh melalui dua cara:
• dengan menggunakan cincin-seret, menghasilkan tegangan
induksi bolak-balik.
• dengan menggunakan komutator, menghasilkan tegangan DC.
Jika rotor diputar dalam pengaruh medan magnet, maka akan
terjadi perpotongan medan magnet oleh lilitan kawat pada rotor. Hal ini akan
menimbulkan tegangan induksi. Tegangan induksi terbesar terjadi saat rotor
menempati posisi seperti Gambar 2 (a) dan (c). Pada posisi ini terjadi
perpotongan medan magnet secara maksimum oleh penghantar. Sedangkan posisi
jangkar pada Gambar 2.(b), akan menghasilkan tegangan induksi nol. Hal ini
karena tidak adanya perpotongan medan magnet dengan penghantar pada jangkar
atau rotor. Daerah medan ini disebut daerah netral.
Jika ujung belitan rotor dihubungkan dengan slip-ring berupa
dua cincin (disebut juga dengan cincin seret), seperti ditunjukkan Gambar
3.(1), maka dihasilkan listrik AC (arus bolak-balik) berbentuk sinusoidal. Bila
ujung belitan rotor dihubungkan dengan komutator satu cincin Gambar 3.(2)
dengan dua belahan, maka dihasilkan listrik DC dengan dua gelombang positip.
• Rotor dari generator DC akan menghasilkan tegangan induksi
bolak-balik. Sebuah komutator berfungsi sebagai penyearah tegangan AC.
• Besarnya tegangan yang dihasilkan oleh sebuah generator
DC, sebanding dengan banyaknya putaran dan besarnya arus eksitasi (arus penguat
medan).
3. Jangkar Generator DC
Jangkar adalah tempat lilitan pada rotor yang berbentuk
silinder beralur. Belitan tersebut merupakan tempat terbentuknya tegangan
induksi. Pada umumnya jangkar terbuat dari bahan yang kuat mempunyai sifat
feromagnetik dengan permiabilitas yang cukup besar.
Permiabilitas yang besar diperlukan agar lilitan jangkar
terletak pada derah yang induksi magnetnya besar, sehingga tegangan induksi
yang ditimbulkan juga besar. Belitan jangkar terdiri dari beberapa kumparan
yang dipasang di dalam alur jangkar. Tiap-tiap kumparan terdiri dari lilitan
kawat atau lilitan batang.
4. Reaksi Jangkar
Fluks magnet yang ditimbulkan oleh kutub-kutub utama dari
sebuah generator saat tanpa beban disebut Fluks Medan Utama (Gambar 5). Fluks
ini memotong lilitan jangkar sehingga timbul tegangan induksi.
Bila generator dibebani maka pada penghantar jangkar timbul
arus jangkar. Arus jangkar ini menyebabkan timbulnya fluks pada penghantar
jangkar tersebut dan biasa disebut FIuks Medan Jangkar (Gambar 6).
Munculnya medan jangkar akan memperlemah medan utama yang
terletak disebelah kiri kutub utara, dan akan memperkuat medan utama yang
terletak di sebelah kanan kutub utara. Pengaruh adanya interaksi antara medan
utama dan medan jangkar ini disebut reaksi jangkar. Reaksi jangkar ini
mengakibatkan medan utama tidak tegak lurus pada garis netral n, tetapi
bergeser sebesar sudut α. Dengan kata lain, garis netral akan bergeser.
Pergeseran garis netral akan melemahkan tegangan nominal generator.
Untuk mengembalikan garis netral ke posisi awal, dipasangkan
medan magnet bantu (interpole atau kutub bantu), seperti ditunjukkan pada
Gambar 7.(a).
Lilitan magnet bantu berupa kutub magnet yang ukuran
fisiknya lebih kecil dari kutub utama. Dengan bergesernya garis netral, maka
sikat yang diletakkan pada permukaan komutator dan tepat terletak pada garis
netral n juga akan bergeser. Jika sikat dipertahankan pada posisi semula (garis
netral), maka akan timbul percikan bunga api, dan ini sangat berpotensi
menimbulkan kebakaran atau bahaya lainnya. Oleh karena itu, sikat juga harus
digeser sesuai dengan pergeseran garis netral. Bila sikat tidak digeser maka
komutasi akan jelek, sebab sikat terhubung dengan penghantar yang mengandung
tegangan. Reaksi jangkar ini dapat juga diatasi dengan kompensasi yang
dipasangkan pada kaki kutub utama baik pada lilitan kutub utara maupun kutub
selatan, seperti ditunjukkan pada gambar 7 (a) dan (b), generator dengan
komutator dan lilitan kompensasinya.
Kini dalam rangkaian generator DC memiliki tiga lilitan
magnet, yaitu:
• lilitan magnet utama
• lilitan magnet bantu (interpole)
• lilitan magnet kompensasi
5. Jenis-Jenis Generator DC
Seperti telah disebutkan diawal, bahwa generator DC
berdasarkan dari rangkaian belitan magnet atau penguat eksitasinya terhadap
jangkar (anker) dibagi menjadi 3 jenis, yaitu:
1. Generator penguat terpisah
2. Generator shunt
3. Generator kompon
Penjelasan jenis generator DC
1. Generator Penguat Terpisah
Pada generator penguat terpisah, belitan eksitasi (penguat
eksitasi) tidak terhubung menjadi satu dengan rotor. Terdapat dua jenis
generator penguat terpisah, yaitu:
1. Penguat elektromagnetik (Gambar 8.a)
2. Magnet permanent / magnet tetap (Gambar 8.b)
Energi listrik yang dihasilkan oleh penguat elektromagnet
dapat diatur melalui pengaturan tegangan eksitasi. Pengaturan dapat dilakukan
secara elektronik atau magnetik. Generator ini bekerja dengan catu daya DC dari
luar yang dimasukkan melalui belitan F1-F2.
Penguat dengan magnet permanen menghasilkan tegangan output
generator yang konstan dari terminal rotor A1-A2. Karakteristik tegangan V
relatif konstan dan tegangan akan menurun sedikit ketika arus beban I dinaikkan
mendekati harga nominalnya.
Karakteristik Generator Penguat Terpisah
Gambar 9 menunjukkan:
a. karakteristik generator penguat terpisah saat eksitasi
penuh (Ie 100%) dan saat eksitasi setengah penuh (Ie 50%). Ie adalah arus
eksitasi, I adalah arus beban.Tegangan output generator akan sedikit turun jika
arus beban semakin besar.
b. Kerugian tegangan akibat reaksi jangkar.
c. Perurunan tegangan akibat resistansi jangkar dan reaksi
jangkar, selanjutnya mengakibatkan turunnya pasokan arus penguat ke medan
magnet, sehingga tegangan induksi menjadi kecil.
2. Generator Shunt
Pada generator shunt, penguat eksitasi E1-E2 terhubung
paralel dengan rotor (A1-A2). Tegangan awal generator diperoleh dari magnet
sisa yang terdapat pada medan magnet
stator. Rotor berputar dalam medan magnet yang lemah,
dihasilkan tegangan yang akan memperkuat medan magnet stator, sampai dicapai
tegangan nominalnya. Pengaturan arus eksitasi yang melewati belitan shunt E1-E2
diatur oleh tahanan geser. Makin besar arus eksitasi shunt, makin besar medan
penguat shunt yang dihasilkan, dan tegangan terminal meningkat sampai mencapai
tegangan nominalnya. Diagram rangkaian generator shunt dapat dilihat pada
Gambar 10.
Jika generator shunt tidak mendapatkan arus eksitasi, maka
sisa megnetisasi tidak akan ada, atau jika belitan eksitasi salah sambung atau
jika arah putaran terbalik, atau rotor terhubung-singkat, maka tidak akan ada
tegangan atau energi listrik yang dihasilkan oleh generator tersebut.
Karakteristik kerja Generator
Generator shunt mempunyai karakteristik seperti ditunjukkan
pada Gambar 11. Tegangan output akan turun lebih banyak untuk kenaikan arus
beban yang sama, dibandingkan dengan tegangan output pada generator penguat
terpisah.
Sebagai sumber tegangan, karakteristik dari generator
penguat terpisah dan generator shunt tentu kurang baik, karena seharusnya
sebuah generator mempunyai tegangan output yang konstan, namun hal ini dapat
diperbaiki pada generator kompon.
3. Generator Kompon
Generator kompon mempunyai dua penguat eksitasi pada inti
kutub utama yang sama. Satu penguat eksitasi merupakan penguat shunt, dan
lainnya merupakan penguat seri. Diagram rangkaian generator kompon ditunjukkan
pada Gambar 12. Pengatur medan magnet (D1-D2) terletak di depan belitan shunt.
Karakteristik Generator Kompon
Gambar 13 menunjukkan karakteristik generator kompon.
Tegangan output generator terlihat konstan dengan pertambahan arus beban, baik
pada arus eksitasi penuh maupun eksitasi 50%. Hal ini disebabkan oleh adanya
penguatan lilitan seri, yang cenderung naik tegangannya jika arus beban
bertambah besar. Jadi ini merupakan kompensasi dari generator shunt, yang
cenderung tegangannya akan turun jika arus bebannya naik.
B. GENERATOR SINKRON (AC)
Konstruksi Generator Sinkron
Pada dasarnya konstruksi dari generator sinkron adalah sama
dengan konstruksi motor sinkron, dan secara umum biasa disebut mesin sinkron.
Ada dua struktur kumparan pada mesin sinkron yang merupakan dasar kerja dari
mesin tersebut, yaitu kumparan yang mengalirkan penguatan DC (membangkitkan
medan magnet, biasa disebut sistem eksitasi) dan sebuah kumparan (biasa disebut
jangkar) tempat dibangkitkannya GGL arus bola-balik.
Hampir semua mesin sinkron mempunyai belitan GGL berupa
stator yang diam dan struktur medan magnit berputar sebagai rotor. Kumparan DC
pada struktur medan yang berputar dihubungkan pada sumber DC luar melaui
slipring dan sikat arang, tetapi ada juga yang tidak mempergunakan sikat arang
yaitu sistem “brushless excitation”.
Bentuk Penguatan
Seperti telah diuraikan diatas, bahwa untuk membangkitkan
fluks magnetik diperlukan penguatan DC. Penguatan DC ini bisa diperoleh dari
generator DC penguatan sendiri yang seporos dengan rotor mesin sinkron. Pada
mesin sinkron dengan kecepatan rendah, tetapi rating daya yang besar, seperti
generator Hydroelectric (Pembangkit listrik tenaga air), maka generator DC yang
digunakan tidak dengan penguatan sendiri tetapi dengan “Pilot Exciter” sebagai
penguatan atau menggunakan magnet permanent (magnet tetap).
Alternatif lainnya untuk penguatan eksitasi adalah
menggunakan Diode silikon dan Thyristor.
Ada dua tipe sistem penguatan “Solid state”, yaitu:
• Sistem statis yang menggunakan Diode atau Thyristor
statis, dan arus dialirkan ke rotor melalui Slipring.
• “Brushless System”, pada sistem ini penyearah dipasangkan
diporos yang berputar dengan rotor, sehingga tidak dibutuhkan sikat arang dan
slip-ring.
Bentuk Rotor
Untuk medan rotor yang digunakan tergantung pada kecepatan
mesin, mesin dengan kecepatan tinggi seperti turbo generator mempunyai bentuk
silinder gambar 3a, sedangkan mesin dengan kecepatan rendah seperti Hydroelectric
atau Generator Listrik Diesel mempunyai rotor kutub menonjol gambar 3b.
Bentuk Stator
Stator dari Mesin Sinkron terbuat dari bahan ferromagnetik ,
seperti telah dibahas di sini, yang berbentuk laminasi untuk mengurangi
rugi-rugi arus pusar. Dengan inti ferromagnetik yang bagus berarti permebilitas
dan resistivitas dari bahan tinggi.
Gambar 4 memperlihatkan alur stator tempat kumparan jangkar.
Belitan jangkar (stator) yang umum digunakan oleh mesin sinkron tiga fasa, ada
dua tipe yaitu :
a. Belitan satu lapis (Single Layer Winding).
b. Belitan berlapis ganda (Double Layer Winding).
Bentuk Stator Satu Lapis
Gambar 5 memperlihatkan belitan satu lapis, karena hanya ada
satu sisi lilitan didalam masing-masing alur. Bila kumparan tiga fasa dimulai
pada Sa, Sb, dan Sc dan berakhir di Fa, Fb, dan Fc bisa disatukan dalam dua
cara, yaitu hubungan bintang dan segitiga. Antar kumparan fasa dipisahkan
sebesar 120 derajat listrik atau 60 derajat mekanik, satu siklus GGL penuh akan
dihasilkan bila rotor dengan 4 kutub berputar 180 derajat mekanis. Satu siklus
GGL penuh menunjukkan 360 derajat listrik, adapun hubungan antara sudut rotor
mekanis α_mek dan sudut listrik α_lis, adalah :
Contoh:
Sebuah generator Sinkron mempunyai 12 kutub. Berapa sudut
mekanis ditunjukkan dengan 180 derajat listrik.
Jawaban:
Sudut mekanis antara kutub utara dan kutub selatan adalah:
Ini menunjukkan 180 derajat listrik
atau bisa juga secara langsung, yaitu:
Untuk menunjukkan arah dari putaran rotor gambar 6. (searah
jarum jam), urutan fasa yang dihasilkan oleh suplai tiga fasa adalah ABC,
dengan demikian tegangan maksimum pertama terjadi dalam fasa A, diikuti fasa B,
dan kemudian fasa C.
Kebalikan arah putaran dihasilkan dalam urutan ACB, atau
urutan fasa negatif, sedangkan urutan fasa ABC disebut urutan fasa positif.
Jadi ggl yang dibangkitkan sistem tiga fasa secara simetris adalah:
EA = EA ∟ 0° volt
EB = EB ∟ -120° volt
EC = EC ∟ -240° volt
Belitan Berlapis Ganda
Kumparan jangkar yang diperlihatkan pada gambar 5 hanya
mempunyai satu lilitan per kutub per fasa, akibatnya masing-masing kumparan
hanya dua lilitan secara seri. Bila alur-alur tidak terlalu lebar,
masing-masing penghantar yang berada dalam alur akan membangkitkan tegangan
yang sama. Masing-masing tegangan fasa akan sama untuk menghasilkan tegangan
per penghantar dan jumlah total dari penghantar per fasa.
Dalam kenyataannya cara seperti ini tidak menghasilkan cara
yang efektif dalam penggunaan inti stator, karena variasi kerapatan fluks dalam
inti dan juga melokalisir pengaruh panas dalam daerah alur dan menimbulkan
harmonik. Untuk mengatasi masalah ini, generator praktisnya mempunyai kumparan
terdistribusi dalam beberapa alur per kutub per fasa. Gambar 7 memperlihatkan
bagian dari sebuah kumparan jangkar yang secara umum banyak digunakan. Pada
masing-masing alur ada dua sisi lilitan dan masing-masing lilitan memiliki
lebih dari satu putaran. Bagian dari lilitan yang tidak terletak kedalam alur
biasanya disebut “ Winding Overhang”, sehingga tidak ada tegangan dalam winding
overhang.
Faktor Distribusi
Seperti telah dijelaskan diatas bahwa sebuah kumparan
terdiri dari sejumlah lilitan yang ditempatkan dalam alur secara terpisah.
Sehingga, GGLl pada terminal menjadi lebih kecil bila dibandingkan dengan
kumparan yang telah dipusatkan. Suatu faktor yang harus dikalikan dengan GGL
dari sebuah kumparan distribusi untuk menghasilkan total GGL yang dibangkitkan
disebut faktor distribusi Kd untuk kumparan. Faktor ini selalu lebih kecil dari
satu (Kd < onblur="try {parent.deselectBloggerImageGracefully();}
catch(e) {}" href="https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEgLpdtpvncqs0WWtCz7ESRjWyxwZofZTIPGqEBp4bYuwdX5nqMwDQhu5fLRJiwkomHj0EqdCWi2J9VLmwV3RPQ1xWhgrOSfUFAZSVq87nnbMMciBzvADJ_m5HzjR0gBSHbWd83JgyBMo1A/s1600-h/5.png">
dimana m menyatakan jumlah fasa.
Perhatikan gambar 8, disini diperlihatkan GGL yang
dinduksikan dalam alur 2 akan tertinggal (lagging) dari GGL yang dibangkitkan
dalam alur 1 sebesar ψ =15 derajat listrik, demikian pula GGL yang dinduksikan
dalam alur 3 akan tertinggal 2ψ derajat, dan seterusnya. Semua GGL ini
ditunjukkan masing-masing oleh phasor E1, E2, E3 dan E4. Total GGL stator per
fasa E adalah jumlah dari seluruh vektor.
E = E1 + E2 + E3 + E4
Total GGLl stator E lebih kecil dibandingkan jumlah aljabar
dari GGL lilitan oleh faktor.
Kd adalah faktor distribusi, dan bisa dinyatakan dengan
persamaan:
Keuntungan dari kumparan distribusi, adalah memperbaiki
bentuk gelombang tegangan yang dibangkitkan, seperti terlihat pada gambar 9.
Faktor Kisar
Gambar 10, memperlihatkan bentuk kisar dari sebuah kumparan,
bila sisi lilitan diletakkan dalam alur 1 dan 7 disebut kisar penuh, sedangkan
bila diletakkan dalam alur 1 dan 6 disebut kisar pendek, karena ini sama dengan
5/6 kisar kutub.
Kisar :
5/6 = 5/6 x 180 derajat = 150 derajat
1/6 = 1/6 x 180 derajat = 30 derajat.
Kisar pendek sering digunakan, karena mempunyai beberapa
keuntungan, diantaranya:
• Menghemat tembaga yang digunakan.
• Memperbaiki bentuk gelombang dari tegangan yang dibangkitkan.
• Kerugian arus pusar dan Hysterisis dapat dikurangi.
EL GGL yang diinduksikan pada masing-masing lilitan, bila
lilitan merupakan kisar penuh, maka total induksi = 2 EL (gambar 11).
Sedangkan kisar pendek dengan sudut 30 derajat listrik,
seperti diperlihatkan pada gambar 8b, maka tegangan resultannya adalah:
E = 2 EL. Cos 30/2
atau,
dimana P° adalah kisar kumparan dalam derajat listrik.
Gaya Gerak Listrik Kumparan
Sebelumnya telah dibahas mengenai frekuensi dan besarnya
tegangan masing-masing fasa secara umum. Untuk lebih mendekati nilai GGL
sebenarnya yang terjadi maka harus diperhatikan faktor distribusi dan faktor
kisar.
Apabila
Z = Jumlah penghantar atau sisi lilitan dalam seri/fasa = 2
T
T = Jumlah lilitan per fasa
dφ = φP dan dt = 60/N detik
maka GGL induksi rata-rata per penghantar:
sedangkan jika,
atau,
Sehingga GGL induksi rata-rata per penghantar menjadi:
bila ada Z penghantar dalam seri/fasa, maka : GGL
rata-rata/fasa
= 2.f.φ.Z Volt
= 2.f.φ.(2T) = 4.f.φ.T volt
GGL efektif/fasa = 1,11x 4.f.φ.T = 4,44 x f .φ.T Volt
bila faktor distribusi dan faktor kisar dimasukkan, maka GGL
efektif/fasa
E = 4,44 . Kd. Kp .f .φ . T (Volt)
PRINSIP-PRINSIP KERJA GENERATOR SINKRON
Setelah kita membahas mengenai konstruksi dari suatu
generator sinkron, maka artikel kali ini akan membahas mengenai prinsip kerja
dari suatu generator sinkron. Yang akan menjadi kerangka bahasan kali ini
adalah pengoperasian generator sinkron dalam kondisi berbeban, tanpa beban,
menentukan reaktansi dan resistansi dengan melakukan percobaan tanpa beban
(beban nol), percobaan hubung-singkat dan percobaan resistansi jangkar.
Seperti telah dijelaskan pada artikel-artikel sebelumnya,
bahwa kecepatan rotor dan frekuensi dari tegangan yang dibangkitkan oleh suatu
generator sinkron berbanding lurus. Gambar 1 akan memperlihatkan prinsip kerja
dari sebuah generator AC dengan dua kutub, dan dimisalkan hanya memiliki satu
lilitan yang terbuat dari dua penghantar secara seri, yaitu penghantar a dan
a’.
Untuk dapat lebih mudah memahami, silahkan lihat animasi
prinsip kerja generator, di sini.
Lilitan seperti disebutkan diatas disebut “Lilitan
terpusat”, dalam generator sebenarnya terdiri dari banyak lilitan dalam
masing-masing fasa yang terdistribusi pada masing-masing alur stator dan
disebut “Lilitan terdistribusi”. Diasumsikan rotor berputar searah jarum jam,
maka fluks medan rotor bergerak sesuai lilitan jangkar. Satu putaran rotor
dalam satu detik menghasilkan satu siklus per detik atau 1 Hertz (Hz).
Bila kecepatannya 60 Revolution per menit (Rpm), frekuensi 1
Hz. Maka untuk frekuensi f = 60 Hz, rotor harus berputar 3600 Rpm. Untuk
kecepatan rotor n rpm, rotor harus berputar pada kecepatan n/60 revolution per
detik (rps). Bila rotor mempunyai lebih dari 1 pasang kutub, misalnya P kutub
maka masing-masing revolution dari rotor menginduksikan P/2 siklus tegangan
dalam lilitan stator. Frekuensi dari tegangan induksi sebagai sebuah fungsi
dari kecepatan rotor, dan diformulasikan dengan:
Untuk generator sinkron tiga fasa, harus ada tiga belitan
yang masing-masing terpisah sebesar 120 derajat listrik dalam ruang sekitar
keliling celah udara seperti diperlihatkan pada kumparan a – a’, b – b’ dan c –
c’ pada gambar 2. Masing-masing lilitan akan menghasilkan gelombang Fluksi
sinus satu dengan lainnya berbeda 120 derajat listrik. Dalam keadaan seimbang
besarnya fluksi sesaat :
ΦA = Φm. Sin ωt
ΦB = Φm. Sin ( ωt – 120° )
ΦC = Φm. Sin ( ωt – 240° )
Besarnya fluks resultan adalah jumlah vektor ketiga fluks
tersebut adalah:
ΦT = ΦA +ΦB + ΦC, yang merupakan fungsi tempat (Φ) dan waktu
(t), maka besar- besarnya fluks total adalah:
ΦT = Φm.Sin ωt + Φm.Sin(ωt – 120°) + Φm. Sin(ωt– 240°). Cos
(φ – 240°)
Dengan memakai transformasi trigonometri dari :
Sin α . Cos β = ½.Sin (α + β) + ½ Sin (α + β ),
maka dari persamaan diatas diperoleh :
ΦT = ½.Φm. Sin (ωt +φ )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) + ½.Φm. Sin ( ωt
+ φ – 240° )+ ½.Φm. Sin (ωt – φ) +½.Φm. Sin (ωt + φ – 480°)
Dari persamaan diatas, bila diuraikan maka suku kesatu,
ketiga, dan kelima
akan silang menghilangkan. Dengan demikian dari persamaan
akan didapat
fluksi total sebesar, ΦT = ¾ Φm. Sin ( ωt - Φ ) Weber .
Jadi medan resultan merupakan medan putar dengan modulus 3/2
Φ dengan
sudut putar sebesar ω. Maka besarnya tegangan masing-masing
fasa adalah :
E maks = Bm. ℓ. ω r Volt
dimana :
Bm = Kerapatan Fluks maksimum kumparan medan rotor (Tesla)
ℓ = Panjang masing-masing lilitan dalam medan magnetik
(Weber)
ω = Kecepatan sudut dari rotor (rad/s)
r = Radius dari jangkar (meter)
Generator Tanpa Beban
Apabila sebuah mesin sinkron difungsikan sebagai generator
dengan diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka
pada kumparan jangkar stator akan diinduksikan tegangan tanpa beban (Eo), yaitu
sebesar:
Eo = 4,44 .Kd. Kp. f. φm. T Volt
Dalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir pada
stator, sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan
oleh arus medan (If). Bila besarnya arus medan dinaikkan, maka tegangan
keluaran juga akan naik sampai titik saturasi (jenuh), seperti diperlihatkan
pada gambar 3. Kondisi generator tanpa beban bisa digambarkan rangkaian
ekuivalennya seperti diperlihatkan pada gambar 3b.
Generator Berbeban
Bila generator diberi beban yang berubah-ubah maka besarnya tegangan
terminal V akan berubah-ubah pula, hal ini disebabkan adanya kerugian tegangan
pada:
• Resistansi jangkar Ra
• Reaktansi bocor jangkar Xl
• Reaksi Jangkar Xa
a. Resistansi Jangkar
Resistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya kerugian
tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.
b. Reaktansi Bocor Jangkar
Saat arus mengalir melalui penghantar jangkar, sebagian
fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal
seperti ini disebut Fluks Bocor.
c. Reaksi Jangkar
Adanya arus yang mengalir pada kumparan jangkar saat
generator dibebani akan menimbulkan fluksi jangkar (ΦA ) yang berintegrasi
dengan fluksi yang dihasilkan pada kumparan medan rotor(ΦF), sehingga akan
dihasilkan suatu fluksi resultan sebesar :
Interaksi antara kedua fluksi ini disebut sebagai reaksi
jangkar, seperti diperlihatkan pada Gambar 4. yang mengilustrasikan kondisi
reaksi jangkar untuk jenis beban yang berbeda-beda.
Gambar 4a , memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat
generator dibebani tahanan (resistif) sehingga arus jangkar Ia sefasa dengan
GGL Eb dan ΦA akan tegak lurus terhadap ΦF.
Gambar 4b, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat
generator dibebani kapasitif , sehingga arus jangkar Ia mendahului ggl Eb
sebesar θ dan ΦA terbelakang terhadap ΦF dengan sudut (90 -θ).
Gambar 4c, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat
dibebani kapasitif murni yang mengakibatkan arus jangkar Ia mendahului GGL Eb
sebesar 90° dan ΦA akan memperkuat ΦF yang berpengaruh terhadap pemagnetan.
Gambar 4d, memperlihatkan kondisi reaksi jangkar saat arus
diberi beban induktif murni sehingga mengakibatkan arus jangkar Ia terbelakang
dari GGL Eb sebesar 90° dan ΦA akan memperlemah ΦF yang berpengaruh terhadap
pemagnetan.
Jumlah dari reaktansi bocor XL dan reaktansi jangkar Xa
biasa disebut reaktansi Sinkron Xs.
Vektor diagram untuk beban yang bersifat Induktif, resistif
murni, dan kapasitif diperlihatkan pada Gambar 5a, 5b dan 5c.
Gambar 5a, 5b dan 5c. Vektor Diagram dari Beban Generator
Berdasarkan gambar diatas, maka bisa ditentukan besarnya
tegangan jatuh yang terjadi, yaitu :
Total Tegangan Jatuh pada Beban:
= I.Ra + j (I.Xa + I.XL)
= I {Ra + j (Xs + XL)}
= I {Ra + j (Xs)}
= I.Zs
Menentukan Resistansi dan Reaktansi
Untuk bisa menentukan nilai reaktansi dan impedansi dari
sebuah generator, harus dilakukan percobaan (test). Ada tiga jenis test yang
biasa dilakukan, yaitu:
• Test Tanpa beban ( Beban Nol )
• Test Hubung Singkat.
• Test Resistansi Jangkar.
Test Tanpa Beban
Test Tanpa Beban dilakukan pada kecepatan Sinkron dengan
rangkaian jangkar terbuka (tanpa beban) seperti diperlihatkan pada Gambar 6.
Percobaan dilakukan dengan cara mengatur arus medan (If) dari nol sampai rating
tegangan output terminal tercapai.
Test Hubung Singkat
Untuk melakukan test ini terminal generator dihubung
singkat, dan dengan Ampermeter diletakkan diantara dua penghantar yang dihubung
singkat tersebut (Gambar 7). Arus medan dinaikkan secara bertahap sampai
diperoleh arus jangkar maksimum. Selama proses test arus If dan arus hubung
singkat Ihs dicatat.
Dari hasil kedua test diatas, maka dapat digambar dalam
bentuk kurva karakteristik seperti diperlihatkan pada gambar 8.
Impedansi Sinkron dicari berdasarkan hasil test, adalah:
, If = konstatn
Test Resistansi Jangkar
Dengan rangkaian medan terbuka, resistansi DC diukur antara
dua terminal output sehingga dua fasa terhubung secara seri, Gambar 9.
Resistansi per fasa adalah setengahnya dari yang diukur.
Dalam kenyataannya nilai resistansi dikalikan dengan suatu
faktor untuk menentukan nilai resistansi AC efektif , eff R . Faktor ini
tergantung pada bentuk dan ukuran alur, ukuran penghantar jangkar, dan
konstruksi kumparan. Nilainya berkisar antara 1,2 s/d 1,6 .
Bila nilai Ra telah diketahui, nilai Xs bisa ditentukan
berdasarkan persamaan:
ANIMASI GENERATOR DC/AC
Animasi kali ini mengenai prinsip kerja generator, baik itu
generator DC ataupun generator AC. Prinsip kerja untuk generator DC pada
dasarnya tidak berbeda dengan motor DC, hanya saja pada generator untuk lilitan
rotornya akan menghasilkan energi listrik, sementara pada motor lilitan rotornya
mendapatkan suplai energi listrik, seperti telah dibahas tersebut diatas untuk
lebih jelasnya lihatlah animasi bibawah ini (Silahkan Klik disini)
Melalui animasi ini anda dapat memahami prinsip kerja
generator DC dan grafik fungsi dari tegangan DC terhadap waktu.
http://listriksmkn1madiun.weebly.com/materi-pelajaran.html
http://dunia-listrik.blogspot.com/2010/06/unduh-buku-buku-teknik-elektro-gratis.html
http://dunia-listrik.blogspot.com/search/label/Animator%20dan%20Software
Tidak ada komentar:
Posting Komentar