Generator dan Motor AC docx

1. Pendahuluan
1.1 Latar Belakang
Kehidupan manusia tidak dapat terlepas dari peran dunia kelistrikan.
Hampir keseluruhan penggunaan alat dan teknologi di zaman ini menggunakan
listrik sebagi sumber tenaga utama. Perlu diketahui adanya listrik juga tidak serta
merta timbul, tetapi juga melalui sebuah sistem pembangkit tenaga listrik. Begitu
banyak sistem pembangkit tenga listrik seperti PLTA, PLTU, PLTN, dan lain-lain.
Energi listrik didapat dari sistem generator yang bekerja pada sistem pembangkit
tenaga listrik tersebut. Hal ini dikarenakan prinsip kerja generator yang merubah
energi mekanik menjadi energi listrik.
Secara umum generator dibagi atas dua jenis generator AC dan DC. Pada
generator AC arus yang dihasilkan adalah arus bolak-balik. Perlu diketahui pula
bahwa generator AC memiliki nama lain yakni generator sinkron. Arus bolak
balik tersebut cukup memberi manfaat yang besar dalam kehidupan sehari-hari.
Salah satu yang membuatnya sangat mudah untuk dimanfaatkan dalam kehidupan
sehari hari adalah karena adanya tranformator. Menurut Rijono (1997:10
menyatakan bahwa kemudahan itu dimungkinkan karena dapat
mentransformasikan arus bolak-balik, baik menaikkan ataupun menurunkan
tegangannya. Dal kehidupan nyata alat pentransformasian tersebut lebih dikenal
dengan sebutan trafo.
Mengetahui hal tersebut, maka dapat disimpulkan bahwa sangat penting

untuk mengetahui deskripsi baik dari generator AC (sinkron), motor sinkron,
hingga transformator. Oleh karena itu, untuk menambah wawasan pemahaman
tentang ketiga hal tersebut, dalam tulisan ini akan dibahas segala yang berkaitan
dengan ketiganya baik yang memakai satu fasa ataupun tiga fasa. Proses di
dalamnya juga akan dibahas demi memantangkan konsep yang ada dan
diharapkan mampu lebih mengembangkan dalam kehidupan nyata.

1

1.2 Rumusan Masalah
1.2.1 Bagaimanakah konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses
yang terjadi dalam generator AC (sinkron)?
1.2.2 Bagaimana konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang
terjadi dalam motor sinkron?
1.2.3 Bagaimana konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses yang
terjadi dalam tranformator?
1.3 Tujuan
1.3.1 Mendiskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses
yang terjadi dalam generator AC (sinkron).
1.3.2 Mediskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses

yang terjadi dalam motor sinkron.
1.3.3 Mediskripsikan konsep dasar, faktor yang mempengaruhi, dan proses
yang terjadi dalam tranformator.
2. Pembahasan
2.1 Generator Arus Bolak Balik (AC)
2.1.1 Generator AC
a. Definisi
Generator AC adalah salah satu jenis generator yang menghasilkan
arus bolak-balik lain halnya dengan generator DC yang menghasilkan
arus searah. Generator AC juga disebut sebagai generator altenator atau
generator sinkron. Jumlah putaran rotor yang sama dengan jumlah
putaran medan magnet pada stator membuat generator ini disebut dengan
generator sinkron (Ardiansyah, dkk 2015:4). Sedangkan untuk
kecepatannya dapat dihasilkan dari kecepatan putar rotor dengan kutubkutub magnet yang berputar dengan kecepatan yang sama dengan medan
putar pada stator.
Generator AC dan DC memiliki perbedaan yang jelas. Selain dari
output keduanya yang berbeda, hal lain yang membedakan adalah prinsip
kerja keduanya. Pada generator DC kumparan jangkar terdapat pada

2

bagian rotor dan kutub-kutub terdapat pada bagian stator, sehingga
kumparan jangkarlah yang diputar oleh tenaga mekanik. Sedangkan pada
generator AC kumparan jangkar terdapat pada bagian stator dan kutubkutub terdapat pada bagian rotor, sehingga kutub-kutub tersebut diputar
oleh tenaga mekanik (Rijono, 1997:209).
Kumparan rotor yang juga berfungsi sebagai pembangkit
kumparan medan magnet akan diputar oleh tenaga pembagkit. Putaran
ini mengakibatkan kumparan rotor akan timbul medan magnet yang
bersifat bolak-balik atau putar. Flux putar akan memotong kumparan
stator, sehingga pada ujung-ujung kumparan stator timbul GGL karena
pengaruh induksi. Pengaruh induksi ini juga menghasilkan output arus
listrik yang bersifat bolak-balik.
b. Konstruksi dan Bagian-bagian Utama
Secara umum konstruksi dasar dari generator AC dapat dibedakan
menjadi dua yakni:


Stator yaitu bagian yang diam dan sebagai tempat keluarnya
tegangan bolak-balik.



Rotor yaitu bagian bergerak yang menghasilkan medan magnet
yang digunakan untuk menginduksi stator

Gambar konstruksi generator AC secara umum

3

Menurut Andika (2013:5) stator memiliki beberapa bagian utama
diantaranya adalah


Inti stator, bentuknya seperti cincin laminasi-laminasi yang diikat
serapat mungkin untuk menghindari rugi arus eddy . Selain itu,
juga terdapat slot-slot sebagai tempat untuk meletakkan konduktor
dan mengatur arah medan magnet.



Belitan stator, terdiri atas beberapa batang konduktor yang
terdapat dalam slot dan ujung-ujung kumparan. Masing-masing
slot dihubungkan untuk mendapat tegangan induksi.



Alur stator, bagian yang berperan sebagai tempat belitan stator
ditempatkan.



Rumah stator, bagian ini terbuat dari besi tuang yang berbentuk
silinder. Bagian belakang biasanya memiliki sirip-sirip sebagai
alat bantu proses pendinginan.



Sikat (brush). Bagian yang berfungsi untuk mengalirkan arus
listrik dari regulator ke rotor coil. Sikat ini memiliki dua jenis
yaitu sikap positif yang berhubungan terminal F altenator dan

sikat negatif berhubungan dengan bodi altenator dan terminal E.
Menurut Ardiansyah (2015:8) rotor memiliki beberapa bagian

utama diantaranya adalah


Slip ring, bagian berbentuk cincin logam melingkar pada poros
rotor dan dipisahkan oleh isolasi tertentu. Terminal kumparan
rotor akan dihubungkan ke sumber arus searaha melalui
sikat(brush) yang letaknya menempel pada slip ring



Kuparan rotor (kuparan medan). Bagian yang memegang peranan
utama untuk menghasilkan medan magnet.



Poros rotor. Bagian yang digunakan sebagai tempat peletakkan
kumparan medan. Pada poros ini telah terbentuk slot-slot yang

tersusun secara pararel terhadap poros rotor.
Selain bagian-bagian penting tersebut, konstruksi rotor secara

umum juga masih dibagi menjadi dua jenis berdasarkan jenis kutub yang
digunakan.

4



Jenis kutub menonjol atau salient pole. Jenis kutub yang menonjol
keluar permukaan rotor. Belitan medannya berhubungan seri. Saat
belitan medan disuplai oleh eksiter maka kutub berdekatan akan
membentuk kutub berlwanan. Jenis ini sangat cocok digunakan
untuk generator sinkron dengan kecepatan bawah hingga sedang
(120-400 rpm). Alasan penggunaan pada rentang kecepatan
tersebut dikarenakan pada konstruksi jenis ini dapat menimbulkan
suara bising dan keluaran angina yang besar jika digunakan
dengan kecepatan tinggi. Selain itu kekuatannya tidak cukup
untuk menahan tekanan mekanis bila diputar dengan kecepatan

tingga.



Jenis kutub silinder atau non salient pole. Konstruksinya
meletakkan kutub magnet rata terhaap permukaan rotor. Jenis ini
terbuat dari baja tempa halus berbentuk silinder dan mempunyai
alur-alur yang terbuat di sisi luarnya. Belitan medan disusun seri
pada alur-alur sisi luar yang dienerjais oleh eksiter. Jenis ini
sangat cocok digunkan untk penggunaan generator kecepatan
tinggi (1500-3000 rpm). Hal ini dikarenakan konstruksinya kuat
menahan beban mekanik yang baik dan distribusi di sekeliling
rotor mendekati gelombang sinus sehingga lebih baik daripada
jenis kutub menonjol.

Jenis Salient Pole

5

Jenis Non Salient Pole

Gambar Konstruksi Utuh Generator AC
c. Jenis pembagian generator AC
Menurut Kusuma (2014:17) generator AC dapat dibagi menjadi
dua. Pertama adalah generator 1 fasa. Penggambaran sistem konstruksi
generator fasa satu hanya berupa kumpulan satu kumparan yang biasa
digambarkan dengan sat ugaris saja. Tiap ujung kumparan fasa biasa
ditandai dengan huruf X dan U . Kedua adalah generator 3 fasa.
Penggambaran sistem konstruksi terdiri dari tiga kumpulan kumparan
dan untuk setiap kumparan disebut lilitan fasa. Pada tiap lilitan fasa
(ujung liltan fasa) diberi tanda dengan huruf U-X, V-Y, dan W-Z.

6

a. Generator AC 3 fasa

b. Generator AC 1 fasa

d.Belitan Armatur atau Belitan Jangkar
Menurut Rijono (1997:219) jenis generator AC khususnya pada

generator AC 3 fasa, belitan jangkar memiliki dua tipe umum yakni
single layer winding dan double layer winding.



Single layer winding (kumparan lapis tunggal)
Dua bentuk pada jenis ini adalah bentuk konsentrik dan bentuk
gelombang. Guna mempermudah pemahaman berikut adalah
salah satu contoh kumpran lapis tungga dengan bentuk
gelombang. Diketahui jika jumlah seluruh slot adalah 12 dan
memiliki 4 kutub. Maka jumlah slot per kutub adalah 3. Jika
ingin mengetahui jumlah slot per fase per kutub
menggunakan rumus berikut:
q=

S
m. P

Keterangan:
q

= jumlah slot per fase per kutub

m

= jumlah slot per kutub

P

= jumlah kutub

S

= total slot

Berdasarkan rumus tersebut maka dapat ditemukan bahwa
jumlah slot per fase per kutub dari jumlah slot, kutub, da slot
per kutub di atas adalah 1.

7

Konstruksi Generator AC 4 Kutub dan 3 Slot Per Kutub

Belitan Armatur Single Layer Wave Wound 4 Pole


Double Layer Winding atau Two Layer Winding (Kumparan
Lapis Ganda)
Memiliki jenis yang sama seperti sebelumnya yaitu bentuk
konsentrik dan gelombang. Namun, ada beberap hal yang
pelru diperhatikan. Pertama, jumlah slot kumparan stator
adalah kelipatan dari jumlah kutub dan jumlah fase. Contoh,
jika julah kutub 4 dan fase generator adalah 3, maka jumlah
slot toal adalah 12. Kemudian dari angka tersebut berlipat
ganda menjadi 24, 36, 48, dst. Kedua, jumlah slot untuk
kumparan satator sama dengan jumlah kumparan. Misalnya,
jumlah slot kumparan stator adalah 12, maka jumlah
kumparan pun juga berisi 12 (masing-masing slot memiliki 1
kumparan). Namun jika masing-masing berisi 2 kumparan
maka bisa memiliki total kumparan hingga 24.

8

Konstruksi Generator AC 4 Kutub 24 Slot Lap Winding
Double Layer
Berdasarkan gambar tersebut dapat diketahui jumlah slot per
kutub dengan rumus .
Y z=

S
P

Keterangan
Yz

: Jumlah slot per kutub

S

: jumlah total slot

P

: kutub

Adapun jumlah slot per kutub per fase dengan rumus seperti
pembahasan sebelumnya ditemukan bahwa untuk 24 slot dan 4
kutub serta 3 fase maka jumlahnya adalah 2 slot per kutub per
fase. Sedangkan untuk mengetahui jumlah kelompok kumparan
per fase adalah;
kk S
=
ph m
Keterangan
Kk/ ph

= kelompok kumparan per fase

S

= jumlah slot

m

= jumlah fase

e. Prinsip Kerja
Pada dasarnya prinsip kerja generator sinkron memiliki
kesamaan dengan generator DC yaitu berdasarkan induksi
elektromagnetik. Juhari (2014: 13) menyatakan bahwa rotor yang telah
diputar oleh penggerak mula (prime over) akan menyebabkan kutubkutub dalam rotor pun berputar. Apabila kumparan kutub disuplai
tegangan searah maka pada permukaan kutub akan timbul medan
magnet yang besar putaran kecepatannya sama dengan putaran kutub.
Berdasarkan Hukum Faraday tentang induksi elektromagnetik
bahwa sebuah lilitan diam yang dipotong oleh garis-garis gaya magnet
yang berputar pada penghantar itu ataupun sebaliknya, maka akan
menimbulkan GGL atau EMF. Besar GGL tersebut dipengaruhi oleh

9

beberapa faktor yaitu kecepatan putaran (n), jumlah kawat pada
kumparan yang memotong fluks (Z), banyaknya fluks magnet yang
dibangkitkan oleh medan magnet (f), dan konstruksi generator
(Ardiansyah, 2015: 18). Sedangkan untuk arus yang dihasilkan juga
dapat disebut sebagai arus induksi. Arus pada generator sinkron bersifat
bolak-balik. Hal ini diakibatkan perubahan yang selalu terjadi pada
aliran arus akibat pengaruh perubahan tekanan yang diinduksikan.
Dalam menentukan arah baik arus listrik dan GGL maka dapat
digunakan kaidah tangan kanan milik Fleming.

Kaidah tangan kanan Fleming
Berdasarkan gambar tersebut diketahui bahwa ibu jari menyatakan arah
gerak F atau perptaran penghantar, jari telunjuk menunjukkan arah
medan magnet pada kutub-kutub, dan jari tengah menyatakan arah arus
dan tegangan. Semua arah pada masing-masing jari tersebu saling tegaka
lurus (Juhari, 2014: 14). Di samping itu untuk mengetahui frekuensi dari
tegangan induksi yang dihasilkan dapat digunakan persamaan sebagai
berikut:
f=

p.n
Hz
120

Keterangan:
F

= frekuensi

p

= banyak kutub

n

= kecepatan putar (rpm)

2.1.2 Arus dan Tegangan Listrik Generator AC

10

Dalam penentuan persamaan arus dan tegangan pada generator sinkron,
sebenarnya tidak jauh terlepas dari keterkaitan dengan prinsip terbentuknya gaya
gerak listrik. Diketahui bahwa GGL sendiri terbentuk akibat peristiwa induksi
elektormagnetik yang terkait pada percobaan Faraday (Sari, 2010). Menurut
Faraday “Besarnya GGL induksi yang terjadi dalam suatu pengahantar atau
rangkaian berbanding lurus dengan kecepatan perubahan flux magnet yang
dilingkupinya”. Secara matematis pernyataan tersebut dapat dituliskan sebagai
berikut.
e=

−dθ
dt

Sedangkan, jika dalam sebuah kumparan memiliki N lilitan maka persamaan
menjadi.
e=−N

dθ
dt

Perlu diketahui bahwa tanda negative tersebut menunjukkan hubungan dengan
hukum Lenz.
Perhatikan gambar berikut kumparan dengan lilitan N yang diputar pada
suatu sumbu dalam medan magnet homogen.

Ketika kumparan terlihat pada posisi seperti gambar A-B fluks magnet ϕ

yang

dihasilkan terletak pada posisi maksimum ( ϕ m). Namun ketika kumparan
tersebut bergeser ke kanan sejauh α, maka posisi berubah menjadi A’-B’. Hal ini
berimbas pada fluks yang dihasilkan yakni ϕ= ϕm cos α . Sedangkan jika
perputaran ataupun pergeseran tersebut deputar dengan kecepatan ω dan
perubahan posisi

11

AB menjadi A’B; ditepuh selama t detik, maka besar sudut α = ω . t .
Mengetahui pernyataan tersebut maka fluks magnet yang didapat setiap saat
adalah ϕ= ϕm cos ω .t . Berdasarkan persamaan tersebut maka GGL induksi
setiap saatnya dapat dihitung dengan persamaan berikut.
e=N ϕm sin ω . t . ω

Persamaan tersebut jika dikaitkan dengan grafik sinus merupakan persamaan
tegangan sesaat.
Persamaan GGL di atas merupakan fungsi sinus, hal ini menurut Sari
(2010) mengandung makna bahwa tegangan e (GGL) akan mencapai harga
maksimun apabila sin ω . t=1 . Hal ini juga dapat diperlihatkan dengan grafik
sinus dan perlu diketahui bahwa fungsi ini juga berlaku untuk arus listrik.

Grafik Sinus Tegangan Listrik Bolak-Balik

Grafik Sinus Tegangan Listrik Bolak-Balik

i

Grafik Sinus Arus Listrik Bolak-Balik

Keterangan


Tegangan

12

= Tegangan sesaat ( e=Em . sin ω . t )

e

Em = Tegangan maksimal (Em=

e
)
sin ω .t

-Em = Tegangan minimal
ω = 2n.f = kecepatan sudut

t


= waktu (detik)

Arus
i

= Arus sesaat ( i=ℑ. sin ω . t )

Im

= Arus maksimal ( ℑ=

i
)
sin ω . t

-Im = Arus minimal
ω = 2n.f = kecepatan sudut

t

= waktu (detik)

Berdasarkan persamaan dari grafik sinus tersebut maka arus efektif,
tegangan efektif, arus rata-rata, dan tegangan rata-rata pun dapat dicari.

I ef =I =

ℑ
=0.707 ℑ
√2

Eef =I =

Em
=0.707 Em
√2

I rata−rata=

2
=0.636 ℑ
πℑ

Erata−rata =

2
=0.636 Em
π Em

Selain persamaan tersebut, ada beberapa faktor yang memberi pengaruh terhadap
persamaan tegangan khususnya pada pembentukan persamaan gaya gerak listrik
akhir. Pertama adalah faktor bentuk (fb). Faktor ini merupakam perbandingan
antara harga efektif dan harga rata-rata.
fb=

I ef 0,707
=
=1,11
I rt 0,636

fb=

E ef 0,707
=
=1,11
Ert 0,636

Kedua adalah faktor puncak. Faktor ini merupakan perbandingan antara harga
maksimum dan harga efektif.
fp=

Im
Im
=
=1,414
I ef 0,707 I m

13

fp=

Em
Em
=
=1,414
E ef 0,707 Em

Setelah mengetahui faktor-faktor tersebut, maka perolehan tegangan
efektif pada setiap belitan dalam generator untuk satu kali pembangkitan adalah
Eef =E=fb . E rt
Selain itu, faktor pool steck ( τ ¿ juga berpengaruh. Pool steck adalah jarak
antara dua buah kutub magnet terdekat. Apabila rotor berpuar 2x τ , maka
setiap belitan stator mengalami 4x perubahan ϕ . Sehingga dapat disimpulkan
bahwa tegangan (GGL) yang dibangkitkan setiap belitan dalam satu kali putaran
adalah
e=4 ϕ ( ϕ dalam weber ¿

Jika dalam satu detiknya maka dikalikan dengan frekuensi menjadi
e=4. ϕ . f
Atau
Ert =4. ϕ . f

*

P
.n
2
f=
Hz
60

Sehingga,
Eef =E=fb . E rt
Eef =E=fb . 4. ϕ . f

Diketahui sebelumnya fb (faktor bentuk adalah 1,11), jadi persamaan GGL
berubah menjadi
E=1,11. 4. ϕ . f
E=4,44. ϕ . f Volt

Apabila jumlah belitan stator diketahui W, maka persamaan menjadi
E=4,44. ϕ . f . W Volt
Perlu diketahui bahwa persamaan tersebut berlaku jika belitan stator
terkonsentrasi. Namun, pada kenyataan yang ada belitan stator kebanyakan terbagi
sehingga masih memiliki keterkaitan faktor distribusi. Secara umum faktor
distribusi untuk generator fasa tungga adalah 0,8 dan untuk fasa tiga yaitu 0,96.

14

2.1.3 Faktor Distribusi
Menurut Marselindo (2011) bahwa sebuah kumparan stator pada generator
sinkron terdiri atas sejumlah lilitan yang ditempakan pada alur terpisah. Hal ini
membuat GGL terminal menjadi lebih kecil dibandingkan dengan kumparan yang
telah dipusatkan. Agar mendapatkan total GGL yang dibangkitkan, maka GGL
dari kumparan distribusi harus dikalikan dengan sebuah faktor yang disebut faktor
distribusi (kd) untuk kumparan. Besarnya faktor distribusi selalu kurang dari satu.
Demi memahami maksud dan memperjelas tentang faktor distribusi,
Rijono (1997: 227) menjelaskan contoh detail dalam mencari faktor distribusi.
Diberikan contoh terdapat generator sinkron 3 fasa yang memiliki 4 kutub. Setiap
fasa memiliki 12 slot, maka total slot keseluruhan adalah 36 slot. Dengan kata
lain, jumlah slot yang dikenai setiap kutub terdapat 9 slot dan jumlah slot per
kutub per fasa adalah 3. Dalam mengetahui jumlah slot per kutub per fasa dapat
pula digunakan rumus ¿

S
m. p

. Dimana S asalah jumlah slot keseluruhan, m

adalah jumlah fasa, dan p adalah jumlah kutub.

Konstruksi Kumparan Stato
Berdasarkan keterangan sebelumnya dan contoh bentuk konstruksi
kumparan stator seperti gambar di atas, dijelaskan bahwa kumparan 1, 2, 3 pada
fase U-X tidak terikat dalam satu slot yang terikat. Ketiganya berada pada tiga slot
berbeda. Besar pergerseran sudut (L0) antar slot yang berdekatan dapat dicari
dengan persamaan berikut.
d=

1800 L
S/ p

15

Keteranagan:
d

= besar pergeseran sudut antar slot

S

= jumlah slot total

P

= jumlah kutub
Jika dikaitan dengan beberapa hal yang telah diketahui di atas maka,

generator AC dengan total 36 slot dan 4 kutub dinyatakan memiliki besar d senilai
200L. Bentuk pergeseran sudut antar slot yang telah terjadi dapat digambarkan
sebagai berikut.

Gambaran Pergeseran Tiga Kumparan sebesar 200L
Dalam gambar tersebut terdapat E yang merupakan lambsng dari GGL armatur
total. Jika tiga kumparan tersebut terikat dalam satu slot maka GGL armataur total
didapat dari GGL masing-masing slot (Es) yang seluruh arahnya lurus spserti
penggambaran dalam satu fase.
Es1

Es2

Es3

Jika terlihat seperti gambar di atas maka total dari E adalah 3Es. Namun, pada
kenyataan yang ada bahwa letak tiga kumparan tersebut memiliki pergeseran
sudut yang besarnya 200L, maka perhitungan perolehan GGl total pun memiliki
persamaan tersendiri yaitu.
0

0

E=E s . cos 20 + E s+ E s . cos 20

E=2,88 E s
Berdasarkan seluruh uraian tersebut untuk memperoleh faktor distribusi
dapat digunakan persamaan sebagai berikut.

16

kd =

GGL kumparan terdistribusi
GGL kumparanterikat dalam1 slot

Sesuai dengan hasil perhitungan sebelumnya diketahui bahwa besar GGL
kumparan terdistribusi sebesar 2,88 Es dan besar GGl kumparan yang terikat
dalam satu slot adalah 3 Es. Sehingga besar kd adalah.
kd =

2,88 E s
=0,968
3 Es

Dalam kasus umum yang lain perolehan faktor distribusi dapat diketahui
dengan persamaan berikut.
d
sin(q . )
2
kd =
d
q sin( )
2
Keterangan:
q

= jumlah slot per fase per kutub

d

= lebar slot (pergeseran slot) 0L

Dengan demikian adanya faktor distribusi dan pitch factor akan sedikit merubah
persamaan GGL atau tegangan generator sinkron yakni sebagai berikut.
Ea ¿ ph=4,444 f Wϕ k d k p VOLT

*kp untuk full pitch adalah 1
2.1.4 Pitch Factor
Menurut Rijono (1997:225) pitch factor atau bentangan kumparan untuk
jenis belitan baik konsentrik ataupun gelombang menempati satu bentangan penuh
atau disebt sebagai full pitch. Bentangan kumparan ini terletak dalam satu
bentangn kutub selebar 1800. Sebagai contoh perhatikan gambar berikut.

17

Gambar tersebut menunjukkan kumparan dengan full pitch (pada garis biru).
Sedangkan yang terdapat pada garis merah adalah kumparan dengan slot yang
diperpendek 1 slot sehingga kumparan hanya menempati slot 1-6. Secara otomatis
slot yang diperpendek akan berdampak pada perubahan luas bentangan kumparan,
untuk mengetahui hal tersebut dapa digunakan persamaan berikut.

α=

Jumlah pengurangan slot
×1800
Jumlah slot bentangan penuh

Berdasarkan persamaan tersebut maka α dari pengurangan satu slot dapat
diketahui yaitu.
1
α = × 1800 L
6
0

α =30 L

Sedangkan untuk mengetahui faktor kependekan (pitch factor) dapat digunakan
persamaan berikut.
k p =cos . α /2
Menurut perhitungan sebelumnya bahwa α dari pengurangan satu slot adalah 300
L. maka dapat diperoleh kp sebesar 0.966.
Selain persamaan tersebut bisa digunakan cara lain. Pengurangan satu slot
dapat juga diartikan dengan symbol angka 5/6. Angka 5 menunjukkan lebar
bentangan kumparan yang diperpendek. Sedangkan lebar bentangan penuh setelah
mengalami perpendekan ditunjukkan dengan angka 6. Berdasarkan apa yang
diketahui tersebut pencarian fakor kependekan dapat dicari dengan persamaan
lain, yakni.
p=( Y z )1 ×d

dan
k p =sin p /2

Keterangan

( Y z )1
d

= lebar bentangan kumparan yang diperpendek
= α (bentangan kumparan diperpendek)

18

2.1.5 Tegangan Jepit
Tegangan jepit sangat erat kaitannya dengan peristiwa GGL. Jika pada
GGL didefinsiskan sebagai bedal potensial antara ujung-ujung kutub seumber arus
listrik ketika sumber arus listrik tidak mengalirkan arus listrik. Sedangkan
tegangan jepit adalah beda potensial antara ujung-ujung kutub sumber arus listrik
ketika sumber arus listrik telah mengalirkan arus listrik (materi.mafiaol.com
2013)

2.1.6 Reaktansi Sinkron
Menurut (repository.usu.ac.id) reaktansi sinkron dapat diasumsikan dari
reaktansi yang ditimbulkan dari reaksi jangkar. Saat generator sinkron bekerja
pada beban nol dan tidak ada arus yang mengalir pada kumparan jangkar,
sehingga pada celah udara hanya fluksi arus medan motor. Namun ketika diberi
beban maka arus jangkar akan mengandung Ia dan membentuk fluksi jangkar.
Fluks tersebut mempegaruhi fluksi medan dan akhirnya menyebabkan perubahan
harga tegangan terminal generator sinkron. Reaksi ini kemudian disebut sebagai
reaksi jangkar. Berikut gamabra model reaksi jangkar tersebut.

19

Keterangan.
a. Tegangan induksi EAmx dihasilkan akibat medan magnet yang berputar
b. Saat berbeban induktif maka tegagan resultan menghasilkan arus lagging.
c. Arus stator menghasilkan medan magnet sendiri Bs dan tegangan Estat pada
belitan stator.
d. Vektor penjumlahan Bs dan Br akan menghasilkan Bnet dan penjumlahan
Estat dan EAmx akan menghasilkan Vɸ pada outputnya.
Perlu diketahui bahwa fluksi pada jagnkar akan memberikan pengaruh
baik berupa penguatan ataupun pelemahan fluksi arus medan. Perbedaan
pengaruh ini tergantung pada faktor daya bebannya yakni
a. Beban resistif ( cos φ=1 ¿
b. Beban induktif ( cos φ=0 lag ¿
c. Beban kapasitif murni ( cos φ=0 lead ¿
d. Beban tidak murni (induktif/kapasitif)
Apabila ingin mengetahui bentuk vektoris dari pengaruh daya beban tersebut
dapat dilihat pada gambar berikut.

PF = 1

PF = lagging

20

PF = leading

2.1.7 Generator AC Tanpa Beban dan Berbeban
a. Generator AC Tanpa Beban
Dikatakan sebagai generator sinkron tanpa beban, jika sebuah
generator tersebut diputar pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus
medan (If). Namun, dalam keadaan ini arus armatur (Ia) tidak mengalir
pada stator sehingga tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Hal ini
menurut Rijono (1997:211) mengandung arti bahwa Ia = 0 yang mana
tegangan terminal diperoleh sebesar Vt = Ea = E0. Oleh karena itu, besar
GGL armatur merupakan fungsi dari flux magnet sehingga dapat
dituliskan seperti berikut.
Ea =f (ϕ)
Atau dapat diartikan juga bahwa tegangan tanpa beban yang diinduksikan
pada kumparan jangkar stator adalah (E0). Sehingga tegangan tersebut juga
dapat dihitung dengan persamaan berikut.
E0=4,44. k d . k p . f W . ϕ

Mengetahui bahwa hanya arus medan (If) saja yang bekerja sehingga
fluks pun dihasilkan dari arus medan tersebut. Apabila arus medan tersebut
diatur besarnya (besarnya dinaikkan), maka hal ini akan berdampak pula
pada tegangan keluaran. Tegangan keluaran yang dihasilkan akan naik
bahkan hingga titik jenuh (saturasi). Berikut adalah grafik hubungan antara
arus medan If dan tegangan keluaran Ea.

21

Sedangkan gambar rangkaian ekuivalen dari generator sikron tanpa beban
adalah sebagai berikut.
Rs
Ia = 0

If
Rf

Xl

Ea = E0

V

Apabila ditinjau secara vektoris besar GGL armatur tanpa beban (E0)
yang dipengaruhi oleh faktor daya beban (PF) dapat dibagi menjadi tiga
yakni
1. Pf = 1 (artinya arus jangkar I sefasa dengan V)

Pf = 1 juga dapat diartikan bahwa cos φ=1 , sehingga
arc . cos φ=0

0

. Sudut dengan besar 00 menadakan bahawa I dan

V berada dalam satu garus lurus (sefasa). Agar dapat diperolah
besar E0 maka dapat digunakan persaman phytagoras mengingat

22

grafik vektor tersebut berbentuk segitiga. Sehingga persamaan
dapat dituliskan sebagai berikut.
E0= √ (V + I a R a)2 +(I . X s )2

Keterangan
E0

= GGl armature tanpa beban

V

= tegangan output

Ia

= arus jangkar

Ra

= hambatan jangkar

I.Xs

= arus reaktan sinkron

2. Pf = lagging (mengikuti)
Faktor daya beban lagging atau mengikuti dapat diartikan bahwa
arus I pergerakannya telah mengalami pergeseran sejauh φ
yang mana I bergerak mengikuti V.

C

D

O

A

E

B

23

Pada dasarnya untuk mengetahui besar E0 juga menggunakan
persamaan phytagoras. Berdasarkan gambar tersebut dapat
diketahui tahapa-tahapan perolehan rumus utuh untuk mencari E0.
Cosφ=

OA
, sehingga OA=cos φ .OD
OD

OA=cos φ .V . Sedangkan Sinφ=

AD =Sinφ .OD

AD
, sehingga
OD

atau dapat dituliskan

AD = EB = Sinφ .V

atau dapat dituliskan

AD =Sinφ .V . Posisi

dan posisi AB = DE = Ia.Ra. Nilai E0 sama

dengan nilai OC yang diperoleh dari persamaan phytagoran
segitiga OCB, sehingga,
OC= √OB 2+ BC 2
OA + AB
¿
¿
¿
OC =√ ¿

cos φ . V + I a . R a
¿
¿
¿
E 0= √ ¿
3. Pf = leading (mendahului)
Faktor daya beban mendahului diartikan bahwa arus I mengalami
pergeseran gerak sejauh φ dan bergerak mendahului V.
D

E

O

C

A
B

24

Sama halnya dengan cara memperoleh persamaan E0 pada
pembahasan pf = lagging. Cosφ=
OE=Cosφ .OA

atau dapat dituliskan OE=Cosφ .V .

Sedangkan Sinφ=
dituliskan

OE
, sehingga
OA

AE
, sehingga
OA

AE=Sinφ .OA

AE=Sinφ .V . Nilai AE = BD = Sinφ .V

atau dapat
dan nilai

ED = AB = Ia.Ra. Berdasarkan berbagai penjelasan tersebut, maka
dapat diketahui bahwa nilai E0 memiliki kesamaan dengan nilai
OC, sehingga persamaannya dapat dituliskan sebagai berikut.
OC= √OD 2+ DC 2
OE+ ED
¿
¿
¿
OC= √ ¿

cos φ . V + I a . R a
¿
¿
¿
E 0= √ ¿
Adapun cara untuk memperoleh impedansi sinkron (Zs) adalah melalui
persamaan berikut.
Z s=√ R a2 + X s2

Dalam mencari impedansi sinkron dapat pula digunakan persamaan
berikut.
Z s=[ Ra + J ( X s ) ]
Dimana J adalah bilangan khayal atau imajiner yang besarnya

√ −1 .

b. Generator AC berbeban
25

Menurut Rijono (1997:212) menyatakan bahwa pada generator jenis
ini terdapat beban yang terpasang pada output generator sinkron. Hal ini
menyebabkan arus armatur (Ia) mengalir pada kumparan jangkar dan
menimbulkan flux putar jangkar. Namun, perlu diketahui juga flux putar
tersebut bersifat mengurangi atau menambah flux putar yang dihasilkan
oleh rotor. Hal ini seperti yang dikatan oleh Marselindo (2011), selain
berdampak pada timbulnya flux jangkar, tegangan terminal yang
dihasilkan pun dapat berubah-ubah. Perubahan tersebut diakibatkan oleh
rugi tegangan yang terjadi pada :


Resistansi jangkar Ra
Resistansi jangkar atau Ra menyebabkan terjadinya kerugian
tegang atau fasa dan I.Ra memiliki posisi sefasa dengan arus
jangkar (Ia).



Reaktansi bocor jangkar (XL)
Arus yang mengalir pada penghantar jangkar tidak sepenuhnya
mengimbas pada jalur yang telah ditetapkan. Akhirnya terjadi
kebocoran dan hal fluks tersebut juga disebut fluks bocor.



Reaktansi jangkar
Sama seperti pernyataan sebelumnya bahwa arus yang mengalir
pada kumparan jangkar akan menimbulkan flux jangkar ϕA
dan arus yang dihasilkan rotor akan menimbulkan fluks rotor
ϕF . Keduanya dapat berintraksi sehingga dapat dihasilkan

fluksi resultan yakni
ϕR = ϕA + ϕF

Interaksi keduanya disebut sebagai reaksi jangkar. Namun
reaktansi jangkar yang sebenarnya masih terdapat pembagian yang
mana dipengaruhi oleh faktor daya beban.

a

b

26

c

d

Diagram Pengaruh Faktor Daya Beban terhadap Interaksi
Reaktansi Jangkar
Gambar a, menunjukkan bahwa faktor daya beban (pf) = 1. Hal
ini diartikan bahwa arus armature sefase dengan tegangan beban.
Pada keadaan ini flux putar armature tertinggal 900 terhadap flux
putar rotor. Akibatnya interksi kedua flux tersebut menghasilkan
flux baru yang cacat. Kecacatan ini juga berdampak pada tegangan
keluaran yang mana juga menghasilkan sinyal flux dalam keadaan
tidak murni. Keadaan seperti ini hendaknya segera dihindari.
Gambar b, menunjukkan bahwa faktor daya beban tertinggal
(PF) = 0. Hal ini menunjukkan bahwa arus armature tertinggal 900
terhadap tegangan. Keadaan ini membuat flux putar jangkar
berbeda fase hingga 1800 terhadap flux putar rotor. Dampak dari
peristiwa ini adalah pengurangan besar yang terjadi pada flux rotor
atau disebut dengan demagneisasi. Jika peristiwa itu benar terjadi,
maka akan menyebabkan besar GGl armatur akan berkurang. Agar
GGl armature besarnya tetap, maka arus penguat medan (If) harus
diperbesar.
Gambar c, faktor daya beban (PF =0) mendahului, berarti arus
armature mendahului 900 terhadap tegangan beban. Hal ini
menyebabkan flux putar armatur sefase dengan flux putar rotor.
Akibat interaksi kedau flux tersebut, dihasilkan flux baru
bertambah besar terhadap flux rotor. Proses ini disebut proses
magnetisasi yang menyebabkan GGl armature timbul bertambah

27

besar. Demi menjaga GGL armature tetap besar, maka hendaknya
arus penguat diperkecil atau dikurangi.
Gambar d, menunjukkan bahwa faktor daya beban menengah.
Maksudnya adalah beda fase antara arus armatur dan tegangan
beban 0 sampai 900 mendahului ataupun sebaliknya tertinggal.
Keduanya memiliki nama berbeda yakni faktor daya menengah
mendahului untuk arus armature dan tegangan beban 0 – 90
mendahului dan faktor daya menengah tertinggal untuk arus
armature dan tegangan beban 0 -90 tertinggal. Pada bagian
mendahului flux armatur yang timbul akan bergeser ke kanan
terhadap flux rotor. Akibatnya timbul peristiwa dimagnetisasi
sebagaian dan bentuk sinyal GGL yang dihasilkan sedikit cacat.
Flux putar armatur yang timbul ternyata berpengaruh pada timbulnya
reaktans pemagnit (Xm) pada kumparan. Reaktans pemagnit ini bersama
dengan reaktans bocor (XL) dapat membentuk sebuah reaktans sinkron
(Xs). Berikut bukti persamaannya.
X s=X m + X L

Dengan adanya persamaan tersebut maka, secara umum bentuk rangkaian
listrik generator berbeban adalah sebagai berikut.

If

Raa

Xs = XL + Xm

Diketahui pada jenis generator
ini kumparan armatur akan timbul Ia
Ia
dan Xm pengaruhnya akan menyebabkan penurunan GGL tenpa beban.
Zl Ea
Hal ini juga berpengaruh
terhadap
Eo menjadi
Ea perubahan GGL outuputVt
Rf

dengan persamaan

Ea =E0− j I a X m dan tegangan menjadi Vt. Jika

penggambaran secara vektoris dan pegaruhnya dari faktor daya
pembebanan, maka dapat digambarkan sebagai berikut.
Dikarenakan

Ea =E0−I a X m ,

28

maka persamaan yang diperoleh
berdasarkan gambar di samping
adalah
Ea =√ (V t + I a Ra ) +(I . X L )
2

2

Pada PF=1, maka arus listrik
dikatakan sefasa dengan tegangan.
Dasar pembentukan rumus berdasarkan gambaran vektor, tidak jauh
berbeda dari penentuan rumus pada gambaran vektor generator sinkron
tanpa beban. Intinya terdapat pada penentuan phytagoras segitia, hanya
saja karena pengaruh penuruan Eo sehingga yang digunakan dalam
persamaan bukanlah I.Xs, melaikan I.XL
PF tertinggal diartikan bahwa arus
dan tegangan memiliki pergeseran
sudut sebesar φ

yang mana

tegangan
bergerak mendahului arus, sehingga
ditemukan persamaan berikut.
cos φ . V t + I a . R a
¿
¿
¿
Ea = √ ¿

PF mendahului dapat diartikan
Pergerakan pergeseran arus
Mendahului tegangan, sehingga
Ditemukan persamaan berikut

29

cos φ . V t + I a . R a
¿
¿
¿
Ea = √ ¿
Adapun cara memperoleh impedansi armatur (Za) adalah sebagai
berikut.
Z a = √ R a 2+ X l 2

2.1.8 Generator AC Hubungan Bintang dan Segitiga Beserta Analisis Arus
dan Tegangan Listrik
Generator AC hubungan bintang memiliki arti bahwa kumparan-kumparan
besar dihubungkan secara bintang. Kumparan-kumparan tersebut dihubungkan
dengan plat seperti pada gambar berikut.

Apabila dianalisis dengan diagram maka akan menjadi seperti berikut.

30

Masing-masing U,V,W dihubungkan dengan R,S,T sehingga diagramnya menjadi
seperti di bawah ini,

Jika dianalisis arus dan tegangan listriknya,maka,
(Il) arus luar

=

arus dalam (Ia), sedangkan

(El) tegangan luar

>

tegangan dalam (Ea), sehingga:

Ia1 = Il1 = IR

Ea1 = El1 = ERS = Ea√3

Ia2 = Il2 = IS

Ea2 = El2 = EST = Ea√3

Ia3 = Il3 = IT

Ea3 = El3 = ERT = Ea√3

Sedangkan pada generator hubungan segitiga yang dimaksud adalah
kumparan-kumparan besar dihubungkan dengan plat secara segitiga (delta) seperti
gambar berikut.

31

Jika diubah dalam diagram akan menjadi seprti berikut.

Analisis arus dan tegangan untuk hubungan delta adalah sebagai berikut.
(Il) Arus Luar

>

Arus Dalam (Ia), sedangkan

(El) Tegangan Luar

=

Tegangan Dalam (Ea), sehingga:

IR = Il1 = Ia1√3 Ea1 = El1 = ERS
IS = Il2 = Ia2√3

Ea2 = El2 = EST

IT = Il3 = Ia3√3

Ea3 = El3 = ERT

2.1.9 Tenaga Listrik Generator Sinkron

32

Tenaga listrik generator sinkron ditentukan oleh sifat-sifat beban kerja.
Bagi generator sinkron satu fasa dalam mencari daya output menggunakan
persamaan berikut.
Po=V t . I a . cosφ

Sedangkan untuk generator sinkron tia fasa adalah sebagai berikut.
Po=3 V t . I a .cosφ
Keterangan.
Po

= daya output beban penuh

Ia

= arus jangkar per fasa

Vt

= tegangan terminal per fasa

cosφ

= faktor daya.
Apabila ditinjau kembali kaitannya terhadap hubungan dengan sambungan

bintang dan segitiga maka untuk memperoleh tenaga atau daya output adalah
sebagai berikut.
a. Hubungan Segitiga atau Delta
(Il) Arus Luar

>

(El) Tegangan Luar =

Tegangan Dalam (Ea), sehingga:

IR = Il1 = Ia1√3
IS = Il2 = Ia2√3

Arus Dalam (Ia), sedangkan

Ea1 = El1 = ERS
Ea2 = El2 = EST

IT = Il3 = Ia3√3
Ea3 = El3 = ERT
menghitung daya output (Po)
Po = 3.Vt.Ia.Cos φ


Vt = Vl



Il = Ia√3



Ia = 1/3√3.Il

Maka:

33

Po = 3.Vt.Ia.Cos φ
Po = 3.Vl. 1/3√3.Il.Cos φ
Po = Vl.Il.√3.Cos φ
b. Hubungan Bintang
(Il) arus luar

=

arus dalam (Ia), sedangkan

(El) tegangan luar >

tegangan dalam (Ea), sehingga:

Ia1 = Il1 = IR

Ea1 = El1 = ERS = Ea√3

Ia2 = Il2 = IS

Ea2 = El2 = EST = Ea√3

Ia3 = Il3 = IT
Ea3 = El3 = ERT = Ea√3
menghitung daya output,
Po = 3.Vt.Ia.Cos φ


Ia = Il



Vl = Vt√3



Vt = 1/3.√3.Vl

Po = 3.1/3.√3.Vl.Il. Cos φ
Po = Vl.Il.√3.Cos φ

2.2 Motor Sinkron
2.2.1 Motor Sinkron dan Daya Motor Sinkron
a. Definisi
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.
b. Konstruksi dan Bagian-Bagian Utama
34

• 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. (Wirabuana, 2010).
Perlu diketahui juga bahwa motor ini berputar dengan kecepatan
sinkron dan diberikan persamaan untuk menghitungnya yakni
Ns = 120 f / P
Dimana:
f = frekwensi dari pasokan frekwensi
P= jumlah kutub

c. Prinsip Kerja

Perhatikan gambar tersebut. Gambar di atas jelas memperlihatkan
keadaan terjadinya torsi pada motor sinkron. Keadaan ini dapat
dijelaskan sebagai berikut: apabila kumparan jangkar (pada stator)
dihubungkan dengan sumber tegangan tiga fasa maka akan mengalir
arus tiga fasa pada kumparan. Arus tiga fasa pada kumparan jangkar ini

35

menghasilkan medan putar homogen (BS). Berbeda dengan motor
induksi, motor sinkron mendapat eksitasi dari sumber DC eksternal
yang dihubungkan ke rangkaian rotor melalui slip ring dan sikat. Arus
DC pada rotor ini menghasilkan medan magnet rotor (BR) yang tetap.
Kutub medan rotor mendapat tarikan dari kutub medan putar stator
hingga turut berputar dengan kecepatan yang sama (sinkron). Torsi
yang dihasilkan motor sinkron merupakan fungsi sudut torsi (d).
Semakin besar sudut antara kedua medan magnet, maka torsi yang
dihasilkan akan semakin besar seperti persamaan di bawah ini.
T = k .BR .Bnet
sin d
Pada beban nol, sumbu kutub medan putar berimpit dengan sumbu
kumparan medan . Setiap penambahan beban membuat medan motor
“tertinggal” dari medan stator, berbentuk sudut kopel (d); untuk
kemudian berputar dengan kecepatan yang sama lagi. Beban maksimum
tercapai ketika d = . Penambahan beban lebih lanjut mengakibatkan
hilangnya kekuatan torsi dan motor disebut kehilangan sinkronisasi.
Oleh karena pada motor sinkron terdapat dua sumber pembangkit fluks
yaitu arus bolak-balik (AC) pada stator dan arus searah (DC) pada rotor,
maka ketika arus medan pada rotor cukup untuk membangkitkan fluks
(ggm) yang diperlukan motor, maka stator tidak perlu memberikan arus
magnetisasi atau daya reaktif dan motor bekerja pada faktor daya = 1,0.
Ketika arus medan pada rotor kurang (penguat bekurang), stator akan
menarik arus magnetisasi dari jala-jala, sehingga motor bekerja pada
faktor daya terbelakang (lagging). Sebaliknya bila arus pada medan
rotor belebih (penguat berlebih), kelebihan fluks (ggm) ini harus
diimbangi, dan stator akan menarik arus yang bersifat kapasitif dari
jala-jala, dan karenanya motor bekerja pada faktor daya mendahului
(leading). Dengan demikian, faktor daya motor sinkron dapat diatur
dengan mengubah-ubah harga arus medan (IF).
d. Macam-Macam Daya Motor Sinkron

36

Menurut Rijono (1997:289) daya motor sinkron memiliki beberapa
macam. Hal ini diawali dengan mengetahui besar daya aktif armatur per
fase yaitu

( Pam / ph )aktif =E am I am cos α
Sedangkan daya armature tiga fase dapat menggunakan persamaan
berikut

( Pam )3 ph=

2 π Ns T
746
33000

untuk daya input dapat menggunakan persamaan
P¿ =Rugi Cu + Pam
Atau
C P
P¿
=rugi u + am
ph
ph ph
P am P¿
C
= −rugi u
ph ph
ph
P am
2
=V t I L cos θ−( I a ) Ra
ph
Setelah membahas daya aktif armature per fase, kemudian beralih
pada motor sinkron tiga fase dengan sambungan bintang. Berikut
persamaan daya armaturnya (Pam).
Tegangan terminal V t =V l / √3
dengan arus fase

, sedangkan arus jala-jala sama

I L =I ph=I a . Sehingga besar daya armaturnya

adalah.
P am V L
2
=
I L Cosθ−( I a ) R a
ph
√3

( )

Sedangkan untuk motor sinkron tiga fasa sambungan delta, besar
V L =V ph=V a . Namun untuk arus adalah

I L = √ 3 I p= √ 3 I a ,

sehingga daya armaturnya adalah
P am V L
2
=
I ph Cosθ−( I a ) R a
ph
√3

( )

Untuk mengetahui besar kopel elektromagnetik dapat
menggunakan persamaan berikut.

37

T a=21,21 E am I am

Cosα
lb. ft
Ns

Atau
T a=9,55

P am
N .m
Ns

Adapun hubungan daya armature dengan daya mekanik adalah
Pam=Po + ∑ rugi
Korelasi antara kopel sumbu dan daya mekanik adalah
T s=Pm / 2 π n s

atau
T s=746 Po / 2 π n s

2.2.2 Motor Induksi
a. Definisi
Motor induksi adalah suatu mesin listrik yang merubah energi listrik
menjadi energi gerak dengan menggunakan gandengan medan listrik dan
mempunyai slip antara medan stator dan medan rotor.
b. Konstruksi
Diketahui bahwa motor induksi tergolong dalam motor asinkron. Mesin ini
memiliki dua jenis secara umum yakni squirrel cage (sangkar tupai) dan
wound motor (rotor belitan).

38

Namun pada dasarnya konstruksi motor induksi terdiri atas stator dan rotor
(Rijono, 1997:311).


Stator
Pada bagian ini terdapat beberap slot yang merupakan tempat
kawat (konduktor) dari tiga kumparan yang disebut kumparan
stator, yang mana masing-masing kumparan mendapat suplai arus
tiga fase. Akibatnya timbullah fluks magnet putar dan
menyebabkan rotor berputar karena adanya induksi magnet.



Rotor
Bagian ini merupakan tempat kumparan rotor yang mana ampu
bergerak atau berputar. Berdasarkan jenis yang telah disebutkan di
atas maka hampir 90% menggunakan jenis squirrel cage. Hal ini
disebabkan bentuknya yang sederhana dan tahan terhadap
goncangan. Ciri khususnya yakni ujung-ujung kumparan rotor
terhubung singkat secara permanen.

c. Prinsip Kerja
Menurut (staff.ui.ac.id) prinsip kerja berdasarkan percobaan induksi
seperti gambar berikut.

Dimana arus listrik yang dialirkan dalam suatu medan megnet dengan
kerapatan fluks akan menghasilkan suatu gaya magnet. Pernyataan ini juga
telah dijelaskan dalam persamaan yang tertulis dalam gambar tersebut.
Kemudian apabila sumber tegangan tiga fasa dipasang pada kumparan
stator maka pada kumparan stator akan timbul medan putar dengan
kecepatan.

39

Medan magnet tersebut akan memotong konduktor yang terdapat pada sisi
rotor akhirnya akan timbul ggl dengan persamaan berikut.

Untuk membangkitkan tegangan induksi E2s agar tetap ada, maka
diperlukan adanya perbedaan realtif antara kecapatan putar stator dengan
kecepatan putar rotor. Sehingga secara matematis dapat dicari dengan
persamaan berikut.

Jika ns = nr tegangan akan terinduksi tetapi arus tidak dapat mengalir
sehingga tidak ada torsi yang dihasilkan. Agar torsi dapat dihasilkan maka
ns > nr
2.3 Transformator
2.3.1 Definisi, Konstruksi, dan Prinsip Kerja
a. Definisi
Arus bolak-balik banyak dipakai dalam keperluan sehari-hari, hal ini
disebabkan karena pentransformasian arus bolak-balik tersebut sangat
mudah. Sehingga tegangannya dapat diatur untuk dinaikkan ataupun
diturunkan. Alat yang digunakan disebut transformator atau biasa disebut
sebagai trafo. Menurut Rijono (1997:1) trafo adalah alat listrik yang
mampu memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih
dari sebuah rangkaian listrik satu ke yang lainnya, melalui gandengan
magnet berdasar atas prinsip induksi elektromagnetik. Sedangkan
menurut Hanif (2014) trafo merupakan salah satu peralatan listrik yang
termasuk dalam klasifikasi mesin listrik statis yang berfungsi dalam
40

penyaluran tegangan dari yang tinggi ke rendah ataupun sebaliknya
dengan frekuensi yang sama.
Secara umum, dalam pengoperasiaanya trafo-traf tenaga ditanahkan
pada titik netral, sesuai dengan kebutuhan untuk sistem pengaman atau
proteksi. Misalnya, terdapat trafo 150/70 kV ditanahkan langsung pada
sisi netral 150 kV dan pada trfo 70/20 kV ditanahkan dengan tahanan sisi
netral 20 kV. Trafo yang telah diproduksi harus melalui pengujian
standart yang telah ditetapkan.
Perlu diketahui pula terdapat beberapa pengklasifikasian trafo.
Berdasarkan frekuensi kerja trafo dibedakan atas trafo daya (50-60 Hz),
trafo pendengaran (20 Hz – 20 KHz), trafo MF (455 KHz), trafo RF
(>455 KHz). Sedangkan pengelompokkannya dalam bidang tenaga listrik
dibedakan atas trafo daya, trafo distribusi, trafo pengukuran.
b. Konstruksi dan Bagian-Bagian Utama Transformator
Konstruksi transformator pada umunya terdiri dari kumparan primer
dan sekunder yang dibelitkan pada inti feromagnetik. Menurut
Permatasari, dkk (2015:3) konstruksi transformator dapat diagambarkan
sebagai berikut.

Pada gambar tersebut terlihat terdapat Np yang merupakan jumlah lilitan
primer dan Ns jumlah lilitan sekunder. Sedangkan Vp adalah tegangan
primer dan Vs adalah tegangan sekunder. Jika dalam bentuk asli trafo
dapat digambarkan sebagai berikut.

41

Apabila ditinjau dari bagian-bagian utamanya, transformator
memmiliki beberapa bagian utama yakni.


Kumparan primer yang bertindak sebagai input



Kumparan sekunder yang bertindak sebagai output



Inti yang terbuat dari lembaran-lembaran plat besi lunak atau baja
silicon yang diklem menjadi satu. Berfungsi memperlancar
jalannya fluks yang ditimbulkan oleh aliran listrik.



Kumparan tersier. Digunakan untuk memperoleh tegangan tersier
atau untuk kebutuhan lain. Biasanya kumparan ini dihubungkan
secara delta atau segitiga.



Minyak transformator. Menurut Permatasari, dkk (2015:9)
sebagian besar trafo tenaga khususnya pada kumparan dan intinya
biasanya direndam dalam minyak trafo. Terutama yang
berkapasitas besar dengan alasan minyak tersebut mempunyai sifat
sebagai pemindah panad dan bersifat pula sebagai isolasi sehingga
bisa dikatakan pua sebagai media pendingin.



Bushing. Merupakan sebuah penghubug berbahan konduktor yang
diselubungi oleh isolator dan berfungsi sebagai penyekat antara
konduktordengan tangki transformator.



Tangki dan konservator. Pada trafo yang terendam minyak
biasanya minyak tersebut ditempatkan dalam tangki

Perlu diketahui pula bahwa menurut Rijono (1997:5) bahwa kedua
kumparan tidak terhubung secara fisik melainkan terdapat perantara di
keduanya berupa garis gaya magnet (flux magnet) yang nantinya akan
dibangkitkan oleh aliran listrik yang mengalir melalui kumparan primer.
c. Prinsip Kerja Transformator
Diketahui bahwa transformator memiliki dua kumparan yakni
primer dan sekunder. Keduanya terpisah secara fisik, tetapi dihubungkan
secara megnetis. Ketika kumparan primer dihubungkan dengan sumber
tegangan bolak-balik, maka akan timbul medan magnet atau fluks. Medan

42

magnet yang timbul diperkuat dengan adanya inti besi. Kemudian
dihantarkan menuju kumparan sekunder (Permatasari, 2015: 10)
Efek ini dinamakan dengan induktansi timbal balik (mutual
inductance) khususnya terjadi pada kumparan sekunder. Kemudian
mengalirlah arus sekunder jika rangkaian sekunder dibebani, sehingga
energi listrik dapat ditransfer keseluruhan (secara magnetis). Pada
dasarnya dapat disimpulkan dalam satu transformator terjadi peristiwa
induksi bersama antara dua rangkaian yang dihubungkan dengan fluks
magnet.
2.3.2 Transformator Tanpa Beban dan Berbeban
a. Transformator tanpa beban
Dikatakan tanpa beban dikarenakan kumparan sekunder dalam
keadaan terbuka (open circuit).

Menurut Rijono (1997:6) arus io yang terlihat pada gambar mengalir
sangat kecil pada kumparan primer. Arus ini disebu juga arus penguat
yang terdiri dari arus pemagnet iM dan arus tembaga ic. Arus iM
menimbulkan fluks magnet bersama yang menyebabkan timbulnya rugi
histeris dan rugu eddy current. Sedangakan arus tembaga ic hanya
menimbulkan rugi tembaga.
Hubungan antara io , iM, ic dalam diagram fluks dan tegangan dapat
dilihat pada gambar berikut.

43

E1

Pada gambar tersebut jelas terlihat beda fase antara ic dan io
sebesar α sehingga didapatkan persamaan.
i c =i 0 cos α

i M =i 0 sin α
i 0=√ i c2 +i M2

Pada umumnya Rc>> Xm sehingga ic >> iM dianggap ic = 0 maka α =
90o. Sehingga dapat ditemukan rugi inti dengan persamaan berikut
2

2

i M . X M =i 0 . X M
Trafo tanpa beban apabila digabarkan dalam rangkaian listrik maka
akan menjadi seperti gambar berikut.

a. Rangakaian Tanpa Beban, b. Rangkaian dengan pengabaian rugi
tembaga
Berdasarkan gambar (b) V1 dan io dapat dihitung dengan persamaan
berikut.
V 1=L

d io
dt

Oleh karena i o=I M . Sinϖt
V 1=L

d I M sin ϖ . t
dt

V 1 = ϖL . I M

d sin ϖ . t
dϖt

V 1=E XM .sin (90o + ϖ .t )
44

Perlu diketahui bahwa EXM adalah amplitudo tegangan. Adanya arus io
sesuai persamaan sebelumnya menunjukkan bahwa fluks magnet timbul
sefase dengan io sehingga dapat dituliskan persamaan secara matematis
sebagai berikut.
ϕ=ϕ M . sin ϖ . t

Menurut Faraday dalam Rijono (1997:10) kumparan Xm mendapat
pengaruh flux yang berubah-ubah, maka diujung-ujung kumparan akan
timbul GGl yang menentang terhadap tegangan sumber. Adanya io yang
mengalir akan menimbulkan GGL dengan persamaan berikut.
e 1=−N

dϕ
dt

Dimana e1 adalah GGl primer, maka persamaan GGL primer maksimum
adalah.
E1=E M 1=N 1 .2 π . f . ϕ M
Berikut grafik hubungan antara V1, io, ϕ , E1

Sedangkan untuk menghitung tegangan efektif dari GGL primer
dapat digunakan persamaan berikut.
Eef =

EM
=E . 0,707
√2 M

Jika persamaan tegangan efektf digabungkan dengan persamaan GGL
primer maksimum, maka akan menajadi.
Eef =

N 1 . 2 π . f . ϕM
√2

Eef =4,44 . N 1 . f ϕ M

Keterangan:

45

Eef satuan adalah Volt
f satuan adalah Hz
ϕ

satuan adalah weber (dikalikan 10-8 jika satuan adalah Maxwell)
Mengingat pembahasan yang terkait akan prinsip kerja trafo bahwa

timbulnya fluks pada kumparan primer juga akan mencakup kumparan
sekunder, sehingga peristiwa fluks magnet bolak-balik secara
bersamaan akan menimbulkan GGL pada kumparan sekunder sebesar.
e 2=−N 2 ϖ ϕ M . sin (90o + ϖt )
Dengan model persamaan yang sama dalam mencari tegangan efektif
seperti halnya pada kumparan primer maka diperoleh perbandingan
antara keduanya.
a=

E ef 1 N 1
=
E ef 2 N 2

Jika harga a>1 maka trafo berjenis step down dan jika harga a