ALTERNATOR AND SYNCHRONOUS MOTORNama : Setyawan Santoso/LT-2A/20

Pembimbing : Djodi Antono

setyawansant@ymail.com

Jurusan Teknik Elektro Polines Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang INDONESIA

Intisari

Dalam kegiatan sehari-hari seringkali kita memerlukan motor listrik yang dapat bekerja konstan dengan torsi yang kuat, motor tersebut adalah motor sinkron. Motor sinkron bekerja pada kecepatan dan frekuensi konstan dibawah kondisi “steady state”. Mesin sinkron dapat dioperasikan sebagai generator maupun motor. Sebagai generator, mesin sinkron dioperasikan secara paralel untuk menambah daya pasokan dari pembangkit yang dibebankan pada masing-masing generator yang dikirimkan ke beban. Namun bila digunakan sebagai motor, motor harus mendapat masukan dari tenaga listrik untuk menghasilkan putaran yang dapat memperbaiki cos phi.

Keywords : motor sinkron, generator sinkron, tegangan PLN 3 phasa, sinkronisasi generator dengan tegangan PLN.

A. PENDAHULUAN

Motor Sinkron adalah motor arus bolak-balik (AC) yang bekerja dengan penggerak mula sebagai pemutar awal pada rotornya hingga kecepatan putar sama dengan kecepatan putar kutub khayal pada statornya. Pada keadaan ini motor pemutar akan mati, sehingga putaran motor pada motor sinkron terjadi akibat gaya tarik-menarik magnetik antara kutub-kutub khayal yang berputar di dalam stator.

Motor Sinkron menurut penggunaannya dapat didefinisikan sebagai motor yang mendapatkan masukan dari tenaga listrik untuk menghasilkan putaran atau untuk memperbaiki cos phi.

Motor sinkron dapat beroperasi sebagai generator sinkron, motor sinkron dan kondensator sinkron. Generator sinkron yaitu mengubah energi mekanis penggerak mula menjadi energi listrik. Sinkronisasi adalah salah satu carauntuk menghubungkan dua sumber atau beban arus bolak-balik (AC). Sumber AC tersebut antara lain generator dan beban adalah transformer yang akan diparalel dengan tujuan meningkatkan kendala dan kapasitas sistem tenaga listrik. Dikatakan generator sinkron karena jumlah putaran rotornya sama dengan jumlah putaran medan magnet pada stator. Kecepatan sinkron ini dihasilkan dari kecepatan yang sama dengan medan putar pada stator. Mesin ini tidak dapat dijalankan sendiri karena kutub-kutub rotor tidak dapat tiba-tiba mengikuti kecepatan medan putar pada waktu saklar terhubung dengan jala-jala.

Generator arus bolak-balik dibagi menjadi dua jenis, yaitu:a. Generator arus bolak-balik 1 fasa

b. Generator arus bolak-balik 3 fasaGenerator set (genset) adalah seperangkat alat yang terdiri

dari prime over (penggerak) yang berupa mesin disel atau semacamnya serta dilengkapi generator sebagai pengubah energi mekanik ke energi potensial.

Pada dunia industri, genset menjadi bagian yang sangat penting karena sangat membantu proses produksi apabila terjadi pemadaman bergilir yang dilakukan oleh PLN. Genset digunakan sebagai pengganti suplai tegangan dan menambah daya apabila terjadi kekurangan daya listrik pada perusahaan, yaitu dengan cara memparalelkan genset dengan tegangan PLN.

B. TINJAUAN PUSTAKA

Hampir semua energi listrik dibangkitkan dengan menggunakan mesin sinkron. Generator sinkron (sering disebut alternator) adalah mesin sinkron yang digunakan untuk mengubah daya mekanik menjadi daya listrik. Generator sinkron dapat berupa generator sinkron tiga fasa atau generator sinkron AC satu fasa tergantung dari kebutuhan.

Frekuensi elektris yang dihasilkan generator sinkron adalah sinkron dengan kecepatan putar generator. Rotor generator sinkron terdiri atas rangkaian elektromagnet dengan suplai arus DC. Medan magnet rotor bergerak pada arah putaran rotor. Hubungan antara kecepatan putar medan magnet pada mesin dengan frekuensi elektrik pada stator adalah:

f = frekuensi listrik (Hz)nr = kecepatan putar rotor = kecepatan medan magnet

(rpm)p = jumlah kutub magnetOleh karena rotor berputar pada kecepatan yang sama

dengan medan magnet, persamaan diatas juga menunjukkan hubungan antara kecepatan putar rotor dengan frekuensi listrik yang dihasilkan.

Agar daya listrik dibangkitkan tetap pada frekuensi 50Hz atau 60 Hz, maka generator harus berputar pada kecepatan tetap dengan jumlah kutub mesin yang telah ditentukan. Sebagai contoh untuk membangkitkan 60 Hz pada mesin dua kutub, rotor arus berputar dengan kecepatan 3000 rpm. Untuk membangkitkan daya 50 Hz

pada mesin empat kutub, rotor harus berputar pada 1500 rpm.

Dengan memutar alternator pada kecepatan sinkron dan rotor diberi arus medan (If), maka tegangan (Ea ) akan terinduksi pada kumparan jangkar stator. Bentuk hubungannya diperlihatkan pada persamaan berikut.

Ea = c.n.fluksyang mana:c = konstanta mesinn = putaran sinkronf = fluks yang dihasilkan oleh IfDalam keadaan tanpa beban arus jangkar tidak mengalir

pada stator, karenanya tidak terdapat pengaruh reaksi jangkar. Fluks hanya dihasilkan oleh arus medan (If).

Dalam keadaan berbeban arus jangkar akan mengalir dan mengakibatkan terjadinya reaksi jangkar. Reaksi jangkar besifat reaktif karena itu dinyatakan sebagai reaktansi, dan disebut reaktansi magnetisasi (Xm ). Reaktansi pemagnet (Xm ) ini bersama-sama dengan reaktansi fluks bocor (Xa ) dikenal sebagai reaktansi sinkron (Xs).

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 X• Reaksi Jangkar Xaa) Resistansi JangkarResistansi jangkar/fasa Ra menyebabkan terjadinya

kerugian tegang/fasa (tegangan jatuh/fasa) dan I.Ra yang sefasa dengan arus jangkar.

b) Reaktansi Bocor JangkarSaat arus mengalir melalui penghantar jangkar,

sebagian fluks yang terjadi tidak mengimbas pada jalur yang telah ditentukan, hal seperti ini disebut Fluks Bocor.

c) Reaksi JangkarAdanya 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.

Persamaan tegangan pada generator adalah:Ea = V + I.Ra + j I.XsXs = Xm + Xa

yang mana:Ea = tegangan induksi pada jangkarV = tegangan terminal outputRa = resistansi jangkarXs = reaktansi sinkronMekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik

secara umum sama yaitu: 1. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan

gaya.2. 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.

3. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan.

4. 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:

1. 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.

2. 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).

3. 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.

Komponen utama motor sinkron adalah :1. 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.

2. Stator. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.

Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut :

Ns = 120 . f / P Dimana: f = frekwensi dari pasokan frekwensi P= jumlah kutub Interaksi antara medan putar stator (Bs) dan medan

rotor (Br) yang membangkitkan torka seperti terlihat dalam persamaan berikut:

T = Bsx Bs(sin δ)δ disebut sudut beban karena besarnya tergantung

pembebanan. Pada saat beban nol nilai δ=0. Jika dibebani, medan rotor tertinggal dari rotor sebesar δ, kemudian berputar sama lagi. Beban maksimum tercapai pada δ=90o. Jika beban dinaikkan terus melebihi batas itu, maka motor akan kehilangan sinkronisasi dan akhirnya akan berhenti.

Pada Motor sinkron 3 fasa, mengalir arus seimbang pada tiap fasa dengan beda sudut fasa 120o

ia = Im sin ωt

ib = Im sin (ωt-120o)ic = Im sin (ωt-240o)Tiap arus fasa membangkitkan ggm F yang merupakan

fungsi sudut ruang ө seperti ia à Fa.cos θ. Dengan Fa=Fm. sin ωtMaka ggm F tiap fasa yang dibangkitkan :Fa = Fm sin ωt.cos θFb = Fm sin (ωt-120o).cos (θ-120o)Fc = Fm sin (ωt-240o) .cos (θ-240o)Resultan ketiga ggm, Fr=Fa+ Fb +FcKarakteristik Motor AC sinkron

Gambar diatas memperlihatkan bahwa Torka adalah fungsi sin δ, dengan δ adalah sudut daya. Pada motor sinkron nilai δ negatif dan nilainya positif pada generator sinkron. Torka maksimum dicapai pada δ= +/- 90o. Jika melebihi batas itu, maka motor atau generator akan kehilangan stabilitas dan sinkronisasi dan pada akhirnya akan berhenti.

Untuk membangkitkan fuksi dibutuhkan daya reaktif yang bersifat induktif. Pada motor sinkron, ggm dibangkitkan arus medan (DC) pada belitan rotor. Jika arus medan ini cukup, maka motor tidak membutuhkan suplai energi reaktif dari sisi stator yang bersumber dari jaringan listrik. Sehingga motor bekerja dengan faktor daya = 1.

Jika penguatan arus medan kurang, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat induktif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya(pf) terbelakang (lagging). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat induktif.Kebalikannya jika kelebihan penguatan arus medan, maka motor sinkron akan menarik daya reaktif yang bersifat kapasitif dari sisi stator. Sehingga motor bekerja dengan factor daya (pf) mendahului (leading). Artinya motor menjadi pembangkit daya reaktif yang bersifat kapasitif.

I. JENIS SINKRONISASI

1. Foward Synchronization (sinkronisasi maju)Sinkronisasi maju adalah proses sinkronisasi

kedalam sistem atau busbar.

Gambar 4.1 Sinkronisasi Maju

2. Reverse Synchronization atau backward (sinkronisasi terbalik)

Terjadi pada sistem tenaga listrik disuatu pabrik, dimana suatu jaringan suplai akan digabungkan kedalam suatu jaringan sistem atau busbar yang ada. Pada kondisi ini tidak dimungkinkan untuk mengatur parameter sinkron pada sisi incoming (jaringan yang akan disinkronkan), yang terpenting CB (PMT) dari beban-beban pada jaringan suplai (grid supply) dalam keadaan terbuka.

Gambar 4.2 Sinkronisasi Terbalik

II. GAMBAR RANGKAIAN

Gambar 5.1 One Line synchronous motor

Gambar 5.2 Rangkaian untuk menjalankan motor sinkron

III. PROSEDUR MENJALANKAN MOTOR SINKRONISASI

Pada percobaan menjalankan motor sinkron harus dipersiapkan alat dan bahan yang dibutuhkan terlebih dahulu. Dalam percobaan ini menggunakan alat yang bernama DE LORENZO. Untuk prosedur percobaannya sebagai berikut :

1) Hubungkan rangkaian sesuai dengan gambar rangkaian 5.2.

2) Pada saat sinkronisasi cek tegangan PLN sampai dengan 380 Volt atau minimal 350 Volt antar linenya. Kecepatan motor mencapai 1500 rpm.

3) Periksa frekuensi sampai dengan 50 Hz atau toleransi 48 Hz.

4) Untuk memutarkan generator sinkron, jalankan motor DC.

5) Generator sinkron menghasilkan tegangan eksitasi dengan menaikkan tegangan sampai dengan 380 Volt.

6) Kemudian tegangan PLN dimasukkan dan akan terlihat unit sinkronisasi ke kanan atau ke kiri. Apabila ke kanan maka akan semakin pelan putaran lampunya.

7) Periksa frekuensi yang dihasilkan generator 50 Hz dan frekuensi PLN 50 Hz.

8) Periksa arah sequence dari generator. Apabila arahnya ke kanan maka dengan cara menambah kecepatan motor dan mengurangi sampai putaran lampu LED pelan.

9) Tunggu sampai lampu LED berwarna hijau, apabila sudah berwarna hijau maka tekan tombol ON pada tegangan PLN (Tombol Hijau/ON). Maka generator sudah sinkron.

10) Matikan power supply penggerak mototr dc11) Bebani motor sinkron dengan beban resistif dan

catat hasil percobaanya

C. ANALISA

Beberapa cara untuk menstart motor sinkron agar putarannya mencapai kecepatan adalah dengan menggunakan motor induksi pembantu kecil yang dipasangkan sementara pada rotor sampai rotor mencapai kecepatan sinkron. Sebuah motor sinkron dapat dinyalakan oleh sebuah motor dc pada satu sumbu. Ketika motor mencapai kecepatan sinkron, arus AC diberikan kepada belitan stator. Motor dc saat ini berfungsi sebagai generator dc dan memberikan eksitasi medan dc kepada rotor. Beban sekarang boleh diberikan kepada motor sinkron. Motor sinkron seringkali dinyalakan dengan menggunakan belitan sangkar tupai (squirrel-cage) yang dipasang di hadapan kutub rotor. Motor kemudian dinyalakan seperti halnya motor induksi hingga mencapai –

95% kecepatan sinkron, saat mana arus searah diberikan, dan motor mencapai sinkronisasi. Torque yang diperlukan untuk menarik motor hingga mencapai sinkronisasi disebut pull-in torque.

Motor sinkron tidak dapat bekerja sendiri, kita harus menggerakkan seperti yang telah kita praktikkan pada gambar rengkaian. Pada kecepatan 3000 rpm dan tegangan anta fasa 380 Volt. Untuk mensinkronisasikan generator, frekuensi yang dihasilkan generator dan frekuensi dari PLN harus sama-sama menunjuk 50 Hz. Apabila lampu LED kekanan maka sistem keseluruhan bersifat induktif, sedangkan apabila kekiri maka sistem keseluruhan bersifat kapasitif. Untuk mensinkronisasi keadaan lampu LED tidak pada saat induktif maupun kapasitif, tetapi pada saat keadaan 0 atau berhenti yaitu pada saat keadaan lampu dari yang warnanya merah menjadi hijau. Maka generator tersebut sudah sinkron. Dan dengan demikiaan generator sinkron dapat diubah menjadi motor sinkron dengan mematikan mematikan power supply pada motor dc lalu menguji cobanya menggunakan beban.

Untuk mengetahui daya yang diserap, dan yang menghasilkan daya dengan tegangan daya naik melebihi tegangan awal dilihat menggunakan cos phi meter. Saat cos phi meter menunjukan posisi induktif, generator berjalan pada keadaan leading induktif. Apabila tegangan dan kecepatan dari motor naik maka cos phi meter akan turun. Keadaan tersebut menunjukan bahwa pada kapasitif generator berubah menjadi motor dengan melihat daya pada watt meter.

D. KESIMPULAN

Aplikasi / Kegunaan motor sinkron:1. Generator.2. Penggilingan karet.3. Penggilingan bubur kayu.4. Pompa-pompa sentrifugal.5. Motor pada jam.6. Motor pada kompresor.

Keuntungan:• Daya motor sinkron lebih baik sehingga efisiensi

energi sangat besar.• Putaran tidak berkurang meskipun beban bertambah.• Bila terjadi overload, motor akan langsung berhenti

sehingga akan lebih aman.• Dapat memperbaiki motor daya.• Dapat beroperasi pada penyetelan arus penguat medan

Kerugian:• Motor sinkron lebih mahal dari motor induksi.• Tidak mampu menstart sendiri.• Tidak praktis bila digunakan sebagai pemutar.

E. SARAN

Kebutuhan akan energi sangatlah banyak, dikarenakan setiap manusia di muka bumi sangat bergantung pada listik. Untuk itu alangkah baiknya dalam memenuhi kebutuhan energi ini diharapkan manusia juga memikirkan untuk mencari energi alternatif sebagai cadangan dari energi yang ada saat ini.

Dalam pemakaian energi listrik supaya lebih hemat, karena untuk ketersediaan kembali membutuhkan waktu yang lama.

F. PENUTUP

Demikian makalah mengenai motor sinkron, apabila terdapat kesalahan penulisan atau kalimat yang kurang baik penulis mohon maaf. Semoga bermanfaat bagi pembacanya.

G. REFERENSI

[1] Siswoyo, Teknik Industri Jilid 2. Jakarta: Direktorat Sekolah Menengah Kejuruan, 2008.

[2] Zuhal, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya. Jakarta:Gramedia,1988.

[3] Politeknik UNDIP. 1984. Machine Laboratory Jurusan Teknik Listrik. Bandung:PEDC Bandung.

[4] De Lorenzo. Alternator and Paralel DL GTU101.1 for Electrical Power Engineering. Italy.

[5] Dewangga, A. (2011). Generator Sinkron. [Online]. Tersedia : http://anggadewangga.wordpress.com/2011/03/28/generator-sinkron/. Html [18 Mei 2013].

[6] http://mediabanten.blogspot.com/2012/12/sinkronisasi.html[7] http://papersyncchronousmotor.pdf[8] http://dunia-listrik.blogspot.com/2009/11/sinkronisasi.html