Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
BAB I PENDAHULUAN
Bab ini menguraikan latar belakang penulisan , tujuan penulisan, pembatasan masalah, metodologi penelitian dan sistematika
penulisan.
BAB II MOTOR SINKRON TIGA PHASA
Bab ini menjelaskan teori umum mengenai motor sinkron, konstruksi motor sinkron tiga phasa, rangkaian ekivalen, prinsip
kerja, metode menjalankan motor sinkron, pengaruh kenaikan beban dengan eksitasi konstan dan pengaruh perubahan eksitasi
pada faktor daya.
BAB III KARAKTERISTIK TORSI-PUTARAN PADA MOTOR SINKRON TIGA PHASA
Bab ini membahas tentang kurva karakteristik motor sinkron tiga phasa dan pengaruh kenaikan beban pada motor sinkron tiga phasa.
BAB IV ANALISIS KARAKTERISTIK TORSI-PUTARAN PADA MOTOR SINKRON TIGA PHASA
Bab ini berisikan tentang jenis komponen dan spesipikasi peralatan percobaan, rangkaian percoban, prosedur percobaaan, data
percobaan, analisis dan grafik hasil percobaan.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Dalam bab ini dituliskan tentang hal-hal yang dianggap penting didalam penulisan yang dirangkumkan sebagai kesimpulan.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
BAB II MOTOR SINKRON TIGA PHASA
II.1. Umum
Motor sinkron tiga phasa adalah motor listrik arus bolak-balik AC yang putaran rotornya serempaksinkron dengan putaran medan statornya. Sesuai
dengan namanya, motor sinkron tiga phasa beroperasi pada tegangan suplay tiga phasa yang dihubungkan pada kumparan jangkaran di stator. Selain mendapat
suplai tegangan tiga phasa untuk beroperasi, motor sinkron juga mendapat arus eksitasi pada kumparan medannya.
Motor sinkron tiga phasa biasanya digunakan sebagai penggerak pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan dengan beban yang
berubah-ubah. Hal ini disebabkan karena motor sinkron tiga phasa mempunyai kelebihan pada karakteristik berbeban yang berbeda dengan motor induksi yang
umum digunakan sebagai penggerak pada sistem operasi. Namun motor sinkron tiga phasa ini juga mempunyai beberapa kekurangan, salah satunya adalah tidak
dapat melakukan start sendiri self starting.
II.2 Konstruksi Motor Sinkron Tiga Phasa
Pada prinsipnya, konstruksi motor sinkron sama dengan generator sinkron. Secara umum, konstruksi motor sinkron tiga phasa terdiri dari stator bagian yang
diam dan rotor bagian yang bergerak. Keduanya merupakan rangkaian magnetik yang berbentuk simetris dan silindris.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Stator
Secara umum stator terdiri dari kerangka stator, inti stator, belitan dan slot. 1.
Rangka Stator Rangka stator berfungsi sebagai tempat melekatya stamping
jangkar dan 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 diperbuat 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 yaitu Slot Terbuka, Slot Setengah Terbuka, Slot Tertutup.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Gambar 2.1. Stator
Rotor
Sebagai tempat belitan penguat yang membentuk kemagnetan listrik kutub Utara-Selatan pada inti rotor. Ada 2 macam bentuk rotor, yaitu :
1. Rotor kutub menonjol Salient Pole Rotor
Rotor tipe ini mempunyai kutub yang jumlahnya banyak. Kumparan dibelitkan pada tangkai kutub, dimana kutub-kutub diberi
laminasi untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh arus Eddy, kumparan-kumparan medannya terdiri dari bilah tembaga persegi. Kutub
menonjol ditandai dengan rotor berdiameter besar dan panjang sumbunya pendek.
2. Rotor kutub tak menonjol Rotor Silinder
Rotor tipe ini dibuat dari plat baja berbentuk silinder yang mempunyai sejumlah slot sebagai tempat kumparan. Karena adanya slot-
slot dan juga kumparan medan yang terletak pada rotor maka jumlah kutub pun sedikit yang dapat dibuat.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Rotor ini biasanya berdiameter kecil dan sumbunya sangat panjang. Konstruksi ini memberikan keseimbangan mekanis yang lebih baik karena
rugi-rugi anginnya lebih kecil dibandingkan rotor kutub menonjol salient pole rotor.
Gambar 2.2. Rotor II.3. Rangkaian Ekivalen
Rangakian ekuivalen motor sinkron adalah sama halnya dengan generator sinkron, kecuali untuk arah aliran dayanya dimana arah aliran daya pada motor
sinkron terbalik dengan arah daya pada generator sinkron. Karena arah aliran daya ini terbalik, maka arah arus yang mengalir ke stator motor juga akan terbalik.
Dengan demikian, rangkaian ekivalen motor sinkron adalah sama dengan rangkaian ekivalen generator sinkron, kecuali bahwa refrensi arah I
A
dibalik. Rangkaian ekivalennya diperlihatkan pada gambar 2.3 dan rangkaian per
phasanya diperlihatkan pada gambar 2.4. rangkaian ekivalen tiga phasa biasa dalam bentuk hubungan Y atau hubungan Delta .
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Karena perubahan arah I
A
ini, maka persamaan tegangan menurut hukum kirrchoof untuk rangkaian ekivalennya juga akan berubah. Jadi persamaan hukum
kirrchoof untuk tegangannya untuk rangkaian ekivalen yang baru adalah :
V
ph
= E
A
+ j.X
S
.I
A
+ R
A
. Volt.......................pers.2.1
Jadi persamaan ini sama dengan persamaan generator sinkron, kecuali tanda untuk arusnya adalah terbalik.
f
V
1 A
I
2 A
I
3 A
I
S
jX
S
jX
S
jX
A
R
A
R
A
R
1 A
E
2 A
E
3 A
E
1 ph
V
2 ph
V
3 ph
V
f
R
f
L
f
I
Gambar 2.3. Rangkaian ekivalen motor sinkron 3 phasa
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
A
I
S
jX
A
R
A
E
ph
V
f
L
f
R
f
V
Gambar 2.4. Rangkaian ekivalen motor sinkron per phasanya
Dari persamaan umum motor sinkron yang dituliskan di dalam persamaan 2.1 dapat digambarkan diagram fasor motor sinkron seperti ditunjukkan pada
gambar 2.5 sebagai berikut ;
A
E
A A
R I .
A S
I jX .
ph
V
δ
Gambar 2.5. Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Satu
Keterangan : E
A
= Tegangan Jangkar ggl lawan I
A
= Arus Jangkar V
ph
= Tegangan Terminal X
S
= Reaktansi Sinkron Motor = Sudut Kopel
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Dalam hal ini motor dianggap beroperasi dengan faktor daya satu unity. Namun dalam operasi motor sinkron, motor dapat beroperasi dengan factor daya
mendahului leading dan tertinggal lagging selain dengan faktor daya satu unity.
Diagram fasor motor sinkron dengan factor daya mendahului leading dan tertinggal lagging ditunjukkan seperti pada gambar 2.6 dan gambar 2.7.
A
E
A A
R I .
A S
I jX .
ph
V
δ
Gambar 2.6. Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Leading
A
E
A A
R I .
A S
I jX .
ph
V
δ
θ
A
I
Gambar 2.7. Diagaram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Lagging
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Namun pada kenyataanya, saat motor sinkron dibebani tanpa pengaturan arus medan, motor sinkron akan beroperasi dengan factor daya tertinggal
lagging dan diagram fasornya seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.7. Oleh karena itu, untuk menganalisis motor sinkron digunakan diagram fasor motor
sinkron dengan faktor daya tertinggal lagging. Dari diagram fasor motor sinkron didapat daya mekanik P
mek
motor sinkron menurut persamaan berikut :
P
mek
= E
A
. I
A
…………………………...…pers.2.2 Untuk motor sinkron tiga phasa maka persamaan daya mekanik P
mek
menjadi : P
mek
= 3 . E
A
. I
A
…………………….……pers.2.3 Karena tahanan jangkar R
A
motor sinkron biasanya kecil, maka tahanan jangkar ini biasanya diabaikan. Bila tahanan jangkar R
A
diabaikan R
A
X
S
maka diagram fasornya menjadi seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.8.
A
E
A S
I jX .
ph
V
δ
θ
A
I
Gambar 2.8. Diagram Fasor Yang Disederhanakan Dengan R
A
Diabaikan
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Dari diagaram fasor yang ditunjukkan gambar 2.8 diperoleh :
A S
ph
I X
Sin V
. .
=
δ
Maka diperoleh
S ph
A
X Sin
V I
δ .
= ……………………….......pers.2.4
Jika persamaan 2.4 disubstitusikan kepersamaan 2.3, maka dperoleh :
S ph
A
X Sin
V E
P δ
. .
. 3
= …………………...…pers.2.5
II.4. Prinsip Kerja
Pada motor sinkron tiga phasa terdapat 2 sumber tegangan dari luar yaitu arus bolak-balik AC yang dialirkan kebelitan jangkar dan arus searah yang
dialirkan kebelitan medannya. Perputaran rotor diakibatkan karena adanya kopel magnetik antar medan magnet rotor dan medan putar stator.
Apabila tegangan tiga phasa dihubungkan kekumparan jangkar atau stator akan menghasilkan arus tiga phasa yang mengalir pada kumparan stator tersebut.
Jika arus tiga phasa yang berbentuk sinusoidal murni atau saling berbeda sudut 120
listrik mengalir pada kumparan stator motor sinkron tiga phasa, maka akan menghasilkan intensitas medan magnet H
S
yang juga saling berbeda sudut 120 listrik. Karena kumparan stator mempunyai permeabilitas , maka akan
menghasilkan intensitas medan magnet B
S
sebesar : B
S
= .H
S
Hal inilah yang disebut dengan medan putar yang timbul pada stator. Timbulnya medan putar pada stator ini dapat dijelaskan melalui gambar berikut.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Gambar 2.9.a. Kumparan a-a, b-b, cc
Gambar 2.9.c. Arah fluk secara vektoris saat t
1
Gambar 2.9.d. Arah fluk secara vektoris saat t
2
Gambar 2.9.b. Distribusi i
a
, i
b,
i
c
sebagai fungsi waktu
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Saat tegangan tiga phasa dihubungkan ke kumparan a-a, b-b, c-c gambar 2.9.a dengan beda phasa masing-masing 120
. Maka akan timbul timbul 3 buah arus sinusoidal I
a
, I
b
, I
c
yang terdistribusi berdasarkan fungsi waktu seperti terlihat pada gambar 2.9.b. Secara vektoris, pada keadaan t
1
, t
2
, t
3
, t
4
, arah fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing-masing ditunjukkan
seperti pada gambar 2.9.c, 2.9.d, 2.9.e, 2.9.f. Pada saat t
1
, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a gambar 2.9.c. Pada saat
t
2
, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan b-b gambar 2.9.d. Pada saat t
3
, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan c-c gambar 2.9.e. Pada saat t
4
, arah fluks resultannya berlawanan arah dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a gambar 2.9.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 I
f
motor dan menghasilkan medan magnet B
R
. Karena
Gambar 2.9.f. Arah fluk secara vektoris saat t
4
Gambar 2.9.e. Arah fluk secara vektoris saat t
3
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
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 B
R
akan mendapat tarikan dari kutub medan putar stator dan akan selalu menempel dan
mengikuti putaran B
S
dengan kecepatan yang sama atau sinkron. Interaksi antar kedua medan magnet tersebut akan menghasilkan kopel yang dinyatakan sebagai :
T
ind
= k.B
R
x B T
ind
= k.B
R
.B
S
.Sin …………..………….. pers.2.6
Dan hubungannya dengan diagram medan magnetnya adalah sebagai berikut :
δ
net
B
S
B
R
B
Gambar 2.10. Diagram medan magnet motor sinkron
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Keterangan : B
S
= Medan magnet stator B
R
= Medan magnet rotor B
net
= Resultan medan magnet stator dan rotor Sehingga didapat :
B
net
≈ V
ph
; B
R
≈ E
A
; B
S
≈ j.X
S
.I
A
Karena B
net
= B
S
+ B
R
Atau B
S
= B
net
+ B
R
..................................................... pers.2.7
Maka dengan mensubstitusikan pesamaan 2.7 ke persamaan 2.6, maka akan diperoleh :
T
ind
= k.B
R
B
net
– B
R
Sin T
ind
= k.B
R
.B
net
.Sin – k.B
R
.B
S
Sin B
R
.B
R
= 0
Sehingga persamaan kopel induksinya dapat dituliskan : T
ind
= k.B
R
.B
net.
Sin Newton-meter
Dimana : k = Konstanta
B
R
= Medan magnet rotor B
net
= Resultan medan magnet rotor dan medan magnet stator = Sudut kopel
Pada beban nol, sumbu kutub medan berimpit dengan sumbu kutub kumparan medan = 0. Setiap penambahan beban membuat motor rotor
tertingal sebentar dari medan stator, terbentuk sudut kopel , untuk kemudian
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
berputar dengan kecepatan sama lagi sinkron. Beban maksimum tercapai ketika sudut kopel = 90
. Penambahan beban lebih lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan kopel dan motor disebut kehilangan sinkronisasi.
II.5. Metode Menjalankan Motor Sinkron
Sesuai dengan prinsip kerjanya, motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri self starting. Motor sinkron harus diputar terlebih dahulu sampai pada
putaran sinkronnya. Hal ini dilakukan oleh penggerak mula prime mover. Biasanya, motor induksi atau motor DC mengambil peranan sebagai penggerak
mula tersebut. Tetapi penggunaan penggerak mula dalam start motor sinkron sangat tidak praktis. Maka untuk start motor sinkron dilakukan dengan cara lain.
Saat ini ada tiga pendekatan utama yang dapat dilakukan untuk men-start motor sinkron dengan aman, yaitu :
1. Menggunakan penggerak mula prime mover untuk memutar motor
sinkron sampai pada kecepatan sinkronnya. 2.
Mereduksi putaran dengan mengatur medan stator ke harga yang cukup rendah sampai rotor berputar
3. Menggunakan kumparan peredam atau belitan amortisseur
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
II.5.1. Starting Motor Sinkron Dengan Penggerak Mula
Pada metode start motor sinkron dengan penggerak mula, motor sinkron dikopel dengan penggerak mula prime mover, selanjutnya penggerak mula akan
memutar rotor motor sinkron sampai mencapai putaran sinkronnya. Selanjutnya motor sinkron tersebut diparalelkan dengan jala-jala dan bekerja sebagai
generator. Setelah hal ini dicapai, penggerak mula dilepas dari poros motor. Ketika penggerak mula dilepas dari poros motor, poros motor akan berputar
perlahan putarannya menurun sehingga medan magnet B
R
akan tertinggal dibelakang B
net
dan mesin akan start beraksi sebagai motor. Saat paralelnya sudah komplit, maka motor sudah dapat dibebani.
II.5.2. Staring Motor Sinkron Dengan Mereduksi Frekwensi
Cepatnya perputaran medan putar stator juga turut menyebabkan motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri self starting. Perputaran medan
magnet stator setiap menitnya adalah :
n
s
= 120fp
dengan f adalah frekwensi tegangan terminal motor dan p adalah jumlah kutub motor. Cepatnya perputaran medan magnet stator ini membuat tidak mungkinnya
terjadi interaksi tarik-menarik dan tolak menolak antara kutub medan magnet stator dengan kutub medan magnet rotor yang diam.
Pada metode start dengan mereduksi 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
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
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 rectifier-inverter dan cycloconverter.
II.5.3. Starting Motor Dengan Kumparan Peredam
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 phasa 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 induksi.
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
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
metode start ini dibutuhkan alat pengaturan sinkronisasi untuk menghindarkan efek yang dapat merusak motor tersebut.
II.6. Pengaruh Kenaikan Beban Dengan Eksitasi Konstan
Bila beban pada poros motor sinkron bertambah besar maka putaran rotor akan berkurang slow down untuk sesaat. Penambahan beban yang akan
menyebabkan sudut kopel akan semakin besar pula dan torsi induksi motor sinkron juga akan bertambah besar. Bertambah besarnya torsi induks i motor
sinkron akan diikuti menurunnya putaran rotor untuk sesaat dan putaran rotor akan kembali kepada kecepatan sinkronnya setelah beberapa saat tetapi dengan
sudut kopel yang lebih besar.
Jika diandaikan motor sinkron beroperasi dengan faktor daya leading sebelum penambahan beban pada porosnya, maka diagram fasornya dapat dilihat
seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.11. Perubahan tegangan jangkar E
A
hanya dipengaruhi oleh perubahan arus medan I
f
motor sinkron. Jika arus medan I
f
bertambah besar maka tegangan jangkar E
A
pun bertambah besar dan sebaliknya. Pada kondisi ini, arus medan motor sinkron tidak mengalami
perubahan konstan. Maka tegangan jangkar juga akan konstan tetap. Selain arus medan, tegangan terminal motor V
ph
juga dijaga konstan.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
A
E
A A
R I .
A S
I jX .
ph
V
Gambar 2.11. Diagram Fasor Operasi Motor Dengan Faktor Daya Leading
Dengan eksitasi konstan yang menyebabkan tegangan jangkar E
A
juga konstan, penambahan beban pada poros motor akan menyebabkan daya E
A
.Sin dan I
A
.Cos akan bertambah besar. Dengan adanya penambahan beban pada poros motor dengan eksitasi yang konstan menyebabkan E
A
akan mengalami swing down seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.12. Akibat E
A
mengalami
swing down secara bertahap maka kuantitas j.X
S
.I
A
juga akan bertambah secara bertahap. Oleh karena itu, arus jangkar juga akan semakin bertambah besar.
Perubahan ini akan menyebabakan faktor daya Cos akan menjadi lagging.
Gambar 2.12. Pengaruh bertambahnya beban pada operasi motor sinkron
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
II.7. Pengaruh Perubahan Eksitasi Pada Faktor Daya
Pada saat motor sinkron memikul beban mekanis yang konstan, penambahan arus medan akan menyebabkan bertambah besarnya tegangan
jangkar E
A
motor ggl lawan. Tapi kenaikan arus medan I
f
dan tegangan jangkar E
A
tidak mempengaruhi besar daya nyata yang disuplai oleh motor sinkron dan kecepatan putaran motor. Karena daya yang disuplai motor sinkron
hanya akan berubah bila torsi beban yang dipikul motor berubah.
Bertambahnya nilai tegangan jangkar E
A
akan menyebabkan arus jangkar I
A
akan semakin kecil sampai arus minimumnya dan selanjutnya akan bertambah besar. Pada saat sebelum E
A
bertambah besar, arus jangkar I
A
adalah lagging dan motor merupakan beban induktif. Saat arus medan yang diberikan
pada motor semakin besar yang menyebabkan tegangan jangkar juga semakin besar, arus jangkar akan menjadi leading. Pada kondisi ini motor merupakan
beban kapasitif yang dapat menyuplai daya reaktif Q ke sistem. Hubungan arus medan I
f
dan arus jangkar I
A
pada kondisi ini diperlihatkan pada plot I
f
vs I
A
pada gambar 2.13. Plot seperti ini disebut dengan kurva V motor sinkron.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Gambar 2.13. Kurva V motor sinkron
Untuk masing-masing kurva pada gambar 2.13, arus jangkar minimum terjadi saat faktor daya sama dengan 1, yakni ketika hanya daya nyata yang
disuplai ke motor. Pada kurva yang sama dititk yang lain, ada daya reaktif yang disuplai oleh motor. Untuk arus medan yang lebih kecil dari harga minimum I
A
yang diberikan, arus jangkar akan lagging dan mengkomsumsi daya reaktif Q. Untuk arus medan lebih besar dari arus minimum I
A
yang diberikan, arus jangkar akan leading dan mensuplai daya reaktif ke sistem seperti halnya kapasitor.
Perubahan arus medan pada motor sinkron akan mempengaruhi faktor daya motor sinkron. Perubahan ini membuat motor sinkron dapat berada pada 3
kondisi operasi berdasarkan faktor dayanya, yaitu : 1.
Saat motor sinkron mengalami pengurangan arus medan maka motor akan beroperasi dengan faktor daya lagging. Diagram fasor untuk kondisi ini
diperlihatkan pada gambar 2.14.a
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
E
r
V
t
V I
θ α
Gambar 2.14.a. Diagram fasor motor sinkron dengan faktor daya lagging
2. Saat motor sinkron mengalami pengaturan arus medan yang menyebabkan
arus jangkar bernilai minimum maka motor beroperasi dengan faktor daya sama dengan 1. Diagram fasor untuk kondisi ini diperlihatkan pada
gambar 2.14.b.
E
r
V
t
V I
α
Gambar 2.14.b. Diagram fasor motor sinkron dengan faktor daya satu
3. Saat motor sinkron mengalami penambahan arus medan maka motor akan
beroperasi dengan faktor daya leading. Diagram fasor untuk kondisi ini diperlihatkan pada gambar 2.14.c
E
r
V
t
V I
θ α
Gambar 2.14.c. Diagram fasor motor sinkron dengan faktor daya leading
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
BAB III KARAKTERISTIK TORSI-PUTARAN PADA
MOTOR SINKRON TIGA PHASA
III.1. Umum
Karakteristik yang umum dari suatu motor sinkron adalah karakteristik torsi. Karakteristik dari suatu motor layak diketahui, karena karakteristik dari
suatu motor akan mencerminkan performansi unjuk kerja dari motor listrik tersebut selam kondisi operasinya. Dalam tugas akhir ini akan dibahas
karakteristik berbeban dari motor sinkron tiga phasa yaitu karakteristik torsi- putaran. Untuk mengetahui karakteristik motor sinkron tiga phasa dilakukan
pengujian pembebanan terhadap motor sinkron tiga phasa di Laboratorium. Dan data hasil hasil pengujian yang didapat akan dianalisis untuk mengetahui
karakteristik dan mendapatkan grafik karakteristik berbeban motor sinkron tiga phasa.
III.2. Pengaruh Perubahan Beban Pada Motor Sinkron
Pada motor induksi dan DC, penambahan beban akan menyebabkan kecepatan motor berkurang. Pada motor sinkron, hal ini tidak terjadi. Karena rotor
terikat secara magnetik dengan medan putar dan harus terus berputar pada kecepatan sinkron untuk semua beban.
Pada keadaan tanpa beban, posisi relatif kutub stator dan kutub medan DC motor sinkron selalu segaris mempunnyai sudut kopel sebesar 0
. Tetapi jika
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
beban ditambahkan pada motor sinkron maka akan terjadi pergeseran posisi relatif antara kutub stator dengan kutub rotor dan membentuk sudut kopel . Saat ini
nilai tidak lagi sebesar 0 . Namun tidak terjadi perubahan kecepatan motor.
Yang ada hanyalah pergeseran posisi relatif kutub stator dan kutub medan DC dan motor tetap berputar pada kecepatan sinkronnya.
o
180
A
E
ph
V
Gambar 3.1
A
E
ph
V
o
90
r
V
I
θ δ
Gambar 3.2
A
E
ph
V
o
90
r
V
I
θ δ
Gambar 3.3
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Diagram fasor dalam gambar 3.1 menyatakan kondisi motor sinkron tanpa beban, ggl lawan E
A
besarnya sama dengan dan berlawanan arah dengan tegangan V
ph
. Dalam gambar 3.2, penambahan beban menyebabkan E
A
tertinggal dibelakang posisi E
A
tanpa beban sebesar . Tegangan yang dikenakan
dan tegangan lawan tidak lagi tepat berlawanan arah. Resultannya adalah tegangan V
r
seperti yang ditunjukkan oleh gambar 3.2. Tegangan resultan V
r
menyebabkan arus I mengalir dalam lilitan stator. Arus I tertinggal V
r
dengan sudut hampir 90
disebabkan indukt ansi lilitan stator yang tinggi. Jadi masukan daya pada motor adalah 3V
ph
.I.Cos , adalah sudut antara tegangan V
ph
dan arus stator I.
Penambahan beban lebih lanjut menyebabkan sudut kopel semakin besar dan selanjutnya memperbesar nilai V
r
dan I seperti yang ditunnjukkan pada gambar 3.3. Jadi motor sinkron dapat mencatu bertambahnya beban mekanis,
bukan dengan menurunkan kecepatan sinkronnya tetapi dengan pergeseran relatif rotor dan medan magnet putar. Pada gambar 3.2 dan gambar 3.3, bahwa untuk
beban yang bertambah dengan nilai E
A
konstan, sudut fasa bertambah dan arahnya tertinggal.
Namun jika beban motor sinkron yang ditambahkan terlalu besar dan melebihi batas kekuatan kopel motor sinkron tersebut, rotor tidak sinkron lagi dan
setelah itu motor akan berhenti berputar.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
III.3. Kurva Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron
Motor sinkron biasanya dihubungkan dengan suatu sistem daya yang besar. 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 3.4. Kecepatan steadystate motor adalah konstan dari beban nol sampai torsi maksimum motor.
ind
T
pullout
T
rated
T
sync
n
m
n
Gambar 3.4. Karakteristik Torsi-Putaran Motor Sinkron
Seiring dengan bertambahnya beban mekanis pada motor sinkron maka torsi beban pun akan semakin bertambah pula. Untuk mempertahankan kondisi
putaran motor yang tetap, maka kenaikan torsi beban harus diimbangi oleh kenaikan torsi induksi motor sinkron itu sendiri.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
Persamaan torsi pada motor sinkron adalah : T
ind
= k.B
R
.B
net
.Sin Newton-meter
Atau
S mek
ind
P T
ω =
…....…………………………………pers.3.1
Dengan mensubstitusikan persamaan 2.3 ke persamaan 3.1, maka didapat :
S S
A ph
ind
X Sin
E V
T ω
δ .
. .
3 =
atau
meter Newton
X Sin
E V
T
S S
A ph
ind
− =
. .
. .
3 ω
δ
…..…pers.3.2
Setiap penambahan beban, torsi beban motor akan bertambah karena dipengaruhi oleh bertambahnya nilai Sin . Namun kecepatan sinkron motor tetap.
Jadi setiap terjadi penambahan beban sampai dibawah batas kekuatan kopel tertinggi rotor dan medan putar stator, kecepatan akan tetap. Sehingga kurva
karakteristik Torsi-Putaran pada motor sinkron tiga phasa dapat dilihat seperti pada gambar 3.4
Torsi maksimum atau pull out torque terjadi saat = 90 . Dan torsi
normalnya akan lebih kecil dari harga tersebut. Kenyataannya, torsi maksimum dapat mencapai tiga kali dari pull out torque pada mesin. Ketika torsi pada poros
motor sinkron lebih besar dari torsi maksimumnya, rotor dapat menjaga
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
kesinkronannya terhadap medan magnet stator. Akibatnya rotor akan start dengan slip dibelakangnya. Sebagai akibatnya, rotor akan berputar perlahan dan medan
magnet stator akan semakin naik dan ini terus berulang sampai dicapai arah dari torsi induksi pada rotor berbalik. Rugi-rugi sinkronisasi setelah terjadinya torsi
lebih besar dari torsi maksimum dikenal sebagai slipping pole. Torsi maksimum atau pull out torque dinyatakan oleh persamaan :
Nm X
E V
T atau
B B
k T
S S
A ph
ind net
R ind
ω
. .
. 3
. .
= =
Persamaan ini mengindikasikan bahwa arus medan terbesar dalam hal ini E
A
, menghasilkan torsi maksimum motor. Oleh karena itu, keuntungan stabilitas pada operasi motor akan dicapai dengan arus medan terbesar atau E
A
terbesar.
Ery Brendy Ginting : Analisis Karakteristik Torsi-Putaran Pada Motor Sinkron Tiga Phasa, 2007. USU Repository © 2009
BAB IV ANALISIS KARAKTERISTIK TORSI-PUTARAN
