materi diklat skp listrik 2

2. Group Mesin listrik

Ellectrical Machinery’s

Rot. AC Machine

Rot. DC Machine

Generator

Self Excitation

External Excitation

Motor

Cyl.Pole Rotor

Salient Pole Rotor

Asynchronous

Synchronous

Slipring Motor

Squirrel Cage

Generator

Motor Series / Traction

Compound

Transformer

Instrument

Power

Distribution

Single Phase

3 Phase

LV

MV/HV

Lilitan

SKP/Fellyus/MEI-06 2/1

2.1 Electric Circuit & Single phase Motor

2.1.A Basic Concept Single phase motor

Putaran motor induksi timbul karena adanya medan magnit yang berputar didalam lilitan stator, ini hanya bisa terbentuk jika pada kawat lilitan stator dialiri arus bolak-balik. Pada lilitan 1 phase, tidak ada beda phase dengan demikian flux yang dibangkitkan didalam lilitan stator equivalen dengan flux pada rotor, akibatnya rotor tidak dapat berputar. untuk membuat agar motor single phase bisa berputar, harus ditambahkan auxiliary lilitan.

2.2.B Sistim Starting

Untuk membuat agar motor single phase bisa berputar, maka ditambahkan “aux-lilitan “ yang ditempatkan secara terpisah dengan Main lilitan dengan beda sudut 900 mekanik.

Gambar Single phase motor

Aux. lilitan mempunyai tahanan lebih tinggi dibanding dengan main lilitan, dan arus yang mengalir pada masing-masing lilitan saling membentuk sudut (besar sudut tergantung pada impedansi lilitan). Arus aux-lilitan (Ia) akan leading terhadap main lilitan (Im), dengan demikian medan magnit yang akan timbul didalam stator untuk pertama kali akan mencapai max. sesuai dengan arus (Ia) pada aux.lilitan.

Arus main-lilitan (Im) akan lagging terhadap aux lilitan (Ia), dengan demikian medan magnit yang akan timbul didalam stator untuk yg kedua akan mencapai max. sesuai dengan arus (Im) pada main-lilitan.

Rotor StatorWinding

2.2 Lilitan Machine

Karena sifat sistim isolasi terhadap tegangan mesin listrik maka lilitan dikelompokan atas tegangan kerja mesin: • Lilitan tegangan rendah ≤ 1000 volt • Lilitan tegangan menengah 1000 < V < 4400 Volt • Lilitan tegangan ≥ 4400 volt


Konstruksi lilitan tegangan menengah dengan tegangan rendah tidak ada perbedaan yang signifikan kecuali pada kawat lilitannya. Pada mesin tegangan menengah memilki rapat flux jauh lebih besar dibanding LV mesin, karena keterbatasan konstruksi slot stator jumlah gulungan lilitan pada MV/HV mesin tidak mungkin dibuat banyak, oleh karenanya lilitan pada MV/HV mesin dibuat dari kawat berpenampang besar normalnya dari kawat persegi. Lain halnya pada mesin LV, karena mesin LV memiliki rapat flux rendah, maka gulungan lilitan dapat dibuat banyak, dan pada umumnya lilitan mesin LV dibuat dari kawat bulat (“round wire “). Walaupun demikian pada mesin LV ada juga yang menggunakan lilitan kawat persegi (“square wire”).

Klasifikasi isolasi mesin listrik selain di kelompokkan atas tegangan kerja juga diklasifikasikan atas temperatur kerja:

• Class A: Suhu max yang diizinkan = 1050 C • Class E: Suhu max yang diizinkan = 1200 C • Class B: Suhu max. yang diizinkan 1300C • Class C: Tidak dispesifikasikan secara kusus, pada umumnya > 2000 C • Class F: Suhu max. yang diizinkan = 1550 C • Class H: Suhu max. yang diizinkan = 1800 C

Klasifikasi “round wire” berdasarkan thermal class :

Name Type Class Thermal (0C)

Polyvinyl Formal PVF E 1200C

Polyester PEW B 1300C

Polyesterimide EIW H 1800C

Polyurethane UEW E 1200C

Self bonding Polyurethane SBUEW E 1200C


Aplikasi enameled round wire pada mesin listrik :

Machine type Wire type

PVF PEW EIW UEW SBUW

Generator √ √ √

Motor standard √ √ √

Dry type transformer √ √ √

Oil immersed Transformer √ √

Measuring Instrument √ √ √ √ √

Coil for communication HF Coil √ √ √ √

Solenoid magnetic switch √ √ √

Ref: Supreme enameled wire

2.3 Synchronous Generator

Magnetic circuit generator terdiri dari: a. 3 phase Exciter yang terdiri dari stationary dc field (exc. Stator) dan 3 phase

rotating armature yang digunakan sebagai power supply ke main rotor field dengan melalui rotating rectifier.

b. 3 phase bridge rotating rectifier atau external rectifier c. 3 phase main a.c. stator lilitan (armature), sebagai keluaran generator

M a in S ta to r

M a in R o to r

E xc ite r M a in G e n e ra to r

E xc .S ta to r

Exc

.R

otor

D io d e

A V R

S h a ft

Pada brushless gen. rangkaian 3 phase Rectifier dihubungkan ke main rotor generator secara mechanical. Pada umumnya generator yang tidak dilengkapi dengan pilot exciter, selalu dilengkapi dengan aux. lilitan yang dipasang menjadi satu dengan main lilitan stator dan diletakkan didasar slot.

Gambar Basic Circuit Generator


Sistim exsitasi pada generator. Generator yang tidak dilengkapi dengan pilot exciter, pada stator exciter selalu dipasang permanen magnit 2 buah dengan polaritas U dan S. dan aux. lilitan. Pada saat generator diputar mencapai putaran 80 – 90 % dari putaran nominalnya stator exciter akan menginduksikan tegangan rotor exciter, keluaran tegangan rotor exciter (tegangan a.c. 3 phase) disearahkan oleh rectifier 3 phase yang terpasang dalam satu shaft dengan main rotor. Setelah main rotor lilitan mendapat power supply d.c dari exciter, maka lilitan rotor akan menginduksikan tegangan pada main stator lilitan. Jika rangkaian kontrol tegangan (AVR) tidak dihubungkan dengan rangkaian generator (AVR fully disconnected), maka pada saat itu akan terukur tegangan pada terminal U-V-W, generator sebesar 12% s/d 30% x Tegangan Nominal generator. Tegangan ini disebut dengan “Residual voltage” Jika semua kabel kontrol pada AVR dihubungkan dengan rangkaian generator, dan setelah generator diputar pada putaran nominalnya, residual voltage akan dibangkitkan dan pada terminal U-V-W generator akan timbul tegangan karena induksi. Waktu yang digunakan untuk membangkitkan tegangan generator dari 0 volt s/d tegangan kerja disebut “build-up time” pada kondisi normal biasanya berkisar antara 2 s/d 6 detik, tergantung dari besaran residual voltage yang dibangkitkan

U V W N

U

V

W

R3

R4

R1

S1

R7

R6

k

L

s

t

UH1

UH2

WH1

WH2

J1

J2

K1

K2

U/F

Voltage

Stability

StaticDroop

AVR

CT

G1

G2

Auxwinding

Var

isto

rD

iode

G1: Main Stator / Main RotorG2: Exciter Stator / Exc. Rotor

E

Stator

Rotor Exc. Rotor

Exc. Stator

Set point potentiometer

Static transformer untuk kerja paralel

Gambar rangkaian generator


Parallel operation Pada kerja paralel dengan generator lain, maka distribusi real power (KW) dan reactive power (kVAR) dari semua generator yang diparalel harus sesuai dengan rating dari setiap generator. Sehingga generator yang satu tidak membebani generator yang lainnya.

Pada saat timbulnya reactive lagging load (generator overexcetited) maka tegangan generator akan naik, maka pada saat itu regulator harus secara responsive menurunkan tegangan eksitasi generator, dan sebaliknya pada saat timbul reactive leading load tegangan generator akan turun dan regulator harus segera dapat menaikkan tegangan eksitasi. Pada umumnya kontrol conpensating voltage droop di AVR telah diset oleh pabrik sebesar 3%, tetapi setting tersebut dapat dirubah sesuai dengan kebutuhan sampai dengan 6%, dengan cara mengatur salah satu variable resistor pada AVR.

Persyaratan kerja paralel Sebelum generator dikerjakan paralel, maka kondisi seperti dibawah ini harus dipenuhi: • Urutan phase dari setiap generator harus sama • Besar tegangan dari setaip generator harus sama • Jumlha phase sama • Frequency dari setiap generator harus sama, toleransi ≤ 3%

Sinkronisasi yang tidak tepat akan menimbulkan arus kejut pada terminal generator sebesar +/- 1.8 x In, dan akan menimbulkan torsi kejuat sebesar +/- 20 x torsi nominal hal ini sangat membahyakan mesin.

2.4 Polyphase Induction Motor

Terjadinya putaran pada motor induksi 3 phase disebabkan adanya medan magnit yang berputar pada stator. Medan putar akan timbul jika pada stator diberikan tegangan bolak-balik 3 phase (3 phase alternating current). Listrik bolak-bolik 3 phase selalu memiliki beda sudut antar phase 1200 listrik satu sama lain.

Prinsip kerja: Jika sumber tegangan listrik bolak balik 3 phase di hubungkan dengan lilitan stator, akan timbul medan putar didalam stator lilitan dengan kecepatan:

Ns = 120 f / P Ns = putaran sinkron F = frequency


P = jumlah pole

Medan putar stator akan menembus celah udara yang ada yaitu antara stator dengan rotor, kemudian memotong penghantar yang ada didalam rotor. Akibatnya pada rotor akan timbul tegangan induksi perfase sebesar:

E2a = 4.44x f1 x T2 x kw2 x Φm

Karena rangkaian rotor merupakan rangkaian tertutup, maka didalamnya akan mengalir arus sebesar (I) dan aliran arus pada penghantar rotor akan menimbulkan gaya sebesar (F ), gaya yang dibangkitkan pada rotor akan tertinggal terhadap putaran medan stator. Selisih putaran medan stator terhadap putaran rotor di sebut dengan slip, besarnya slip tergantung pada impedansi rotor dan frequency, normalnya berkisar antara 3 – 6 % dari putaran medan.

N = Ns (1-s) N = putaran rotor Ns = putaran medan S = slip

Locked – rotor current. Yang dimaksud dengan Locked rotor current adalah arus yang timbul pada saat rotor dalam kondisi steady state pada tegangan dan frekwensi kerja nominal, yaitu terjadi pada saat rotor motor akan berputar. Locked rotor disebut juga Inrush current atau arus start.

Locked-Rotor KVA x 1000

Locked-rotor current = Motor Voltage x √3

Untuk estimasi daya start yang digunakan pada maotor induksi dengan jenis squirrel cage kurang lebih 5.3 kVA per HP motor.

2.4.1 Squirrel cage Motor

Konstruksi Squirrel cage Rotor. Rotor pada squirrel cage rotor tidak mempunyai lilitan seperti pada rotor slip ring atau pada generator, tetapi menggunakan bar yang terbuat dari bahan aluminium atau tembaga yang di tanam pada slot dan diujung-ujungnya dihubung-singkat satu sama lainnya dengan menggunakan end ring. Arus yang yang akan mengalir pada end ring adalah sebesar jumlah arus yang terjadi pada bar rotor, berkisar antara 8 – 12 x In motor.


Bar dan end ring rotor dapat dibuat dari bahan Alumunium atau dari tembaga dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Bahan alumunium lebih sering digunakan, karena memiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan tembaga. • lebih murah • lebih ringan • lebih mudah pengerjaannya • memiliki impedansi rendah sehingga arus short circuitnya lebih kecil

Kekurangannya: • Riskan terhadap terhadap mechanical stress • Rugi-ruginya lebih besar dibanding dengan tembaga

Kelebihan bahan tembaga dibanding dng Alumunium • Impedansi rendah sehingga rugi2 nya lebih kecil • Mechanical strength tinggi

Kekurangannya: • Berat • Mahal • Arus short circuit besar • Pengerjaannya lebih sulit

Starting Squirrel Cage Induction Motor Arus start pada motor induksi (direct on line) berkisar antara 6 s/d 10 x In, tergantung pada putaran, efficency dan cos φ. Cara start motor induksi Squirrel cage

a. Full Voltage Direct on Line b. Start delta c. Auto Transformer d. Primary resistance e. Solid state soft starter Cara start pada item 2 – 5 adalah cara Untuk mengurangi arus start (“inrush current” ) pada sequirrel cage .

Full Voltage Direct On Line Yang dimaksud dengan full voltage direct starter adalah dengan cara menghubungkan langsung motor induksi dengan jala-jala dan kemudian motor di start pada posisi tegangan penuh.

Pada start dengan cara ini arus start (inrush current) motor sangat tinggi yaitu antara 6 – 10 x Arus nominal berlangsung antara 8 s/d 12 detik tergantung dari daya, putaran dan Cos φ motor.


Keistimewaan start dengan cara ini adalah, moment start nya tinggi dan biayanya murah, karena tidak perlu menambah biaya untuk membeli alat start, tetapi start dengan cara ini sangat membahayakan motor, normalnya motor yang di start dengan cara ini mempunyai daya kecil.

Skema - FVDOL

Kurva arus start – torque vs putaran

Gambar Full Voltage Direct Starter

Start – Delta

ROTOR SPEED

CURRENT TORQUE

FLC

STARTCURRENT

RATEDTORQUE

RATEDCURRENT

L1L2L3

I >>

M O TO R

M C C B

C O N TA C TO R

TE R M IN ATIO N

Salah satu cara yang paling polpuler untuk mengurangi arus start pada saat strat motor induksi adalah menggunakan start – delta starter, alat ini sangat effisien karena murah dan perawatannya relative sangat ringan.

Gambar Star - delta starter

MOTOR

TERMINATION

L1L2L3

MCCB

CONTACTOR

I >>

U V W

x y z

C1 C2 C3

STAR - DELTA STARTER

DELTA TORQUE

STAR TORQUE

STAR - DELTATRANSITION

TOR

QU

E

Y-D TORQUE CURVE

Line

Cur

ren t

Y-DTRANSITION

ROTOR SPEED

1/3 D Y CURRENT

D CURRENT

Y-D CURRENT CURVE


Cara kerja Star – Delta starter.

Pertama – tama motor distart dengan hubungan star (Υ), pada posisi ini kontaktor yang berkerja adalah (C1 & C2), kemudian setelah motor running pada putaran nominal koneksi motor di ubah menjadi hubungan delta, biasanya waktu pemindahan dari star-delta di atur dengan menggunakan “timer” (normal nya timer di set antara 6 s/d 12 detik) tergantung dari karakteristik motor. Pada saat motor terhubung delta, kontaktor yang bekerja adalah (C1 & C3), karena besar arus yang timbul pada saat start dengan hubungan STAR (Υ) arusnya cukup kecil, maka kontaktor C2 dapat menggunakan kontaktor yang kapasitas arusnya lebih kecil. Besarnya arus dan torsi yang terjadi pada saat start (hubungan STAR) hanya sebesar 1/3 arus delta, arus transient (perpindahan dari star ke delta) akan kira-kira sebesar 60 % x Arus start Delta. Walaupun sistim starting dengan star-delta cukup baik dan ekonomis, sistim ini memilki kelemahan yaitu, moment startnya menjadi kecil, oleh karenanya sistim ini tidak dapat dipakai untuk motor-motor yang digunakan untuk menggerakkan beban statis yang besar, dan sistim ini tidak bisa digunkan untuk motor yang di design dengan design NEMA C (double cage motor), karena pada saat motor di switch ke delta motor akan running dengan arus yang masing sangat tinggi dan se-olah-olah motor di koneksi DOL.

Normalnya sistim ini hanya di aplikasikan untuk motor – motor dengan kapasitas kecil s/d menengah .

Auto Transformer Motor dihubungkan dengan sebuah auto-tranformer 3 phase yang memiliki banyak tapping, untuk memindahkan tapping auto transformer digunakan “starting contactor”. Waktu perpindahnya diatur dengan menggunakan timer. Arus start dan torsinya akan turun sebanding dengan penurunan tegangan pada saat start. Cara kerja Auto Transformer Starter

Motor dihubungkan dengan contactor 1 yang disebut dengan “running cantactor”, contactor ini akan “close” jika waktu startingnya sudah selesai. Dan motor juga dihubungkan dengan bebarapa bh contactor lain + 1 bh auto transformer 3 ph, yang digunakan untuk start. Pada saat start, contactor 1 (running contactor open), starting contactor (A & B) close. Dengan bantuan timer secara otomatis tapping pada auto transformer akan dipindah sesuai tegangan yang diperlukan untuk start. Jika motor telah berputar pada putaran penuh, starting contactor akan membuka dan secara bersamaan “running contactor akan menutup” dengan demikian motor akan di supply dengan tegangan penuh.


TERMINATION

C1

C2

MCCBI >>

L1L2L3

C3

MOTOR

R

ST

RS

TR TS

STARTCONTACT. (B)

STARTCONT (A)

3 PHASEAUTO TRAFO

RUNNINGCONTACTOR

AUTO TRANFORMER STARTER

Gambar Auto Transformer Starter

Auto transformer starting biasanya hanya digunakan untuk motor dengan operasi start-stop yang sedikit, alat ini tidak ekonomis untuk motor yang besar-besar, dan biasanya hanya digunakan untuk motor dengan kapasitas sedang. Beban yang terpasang pada motor dengan starting auto trafo normalnya berupa beban yang tidak memerlukan moment start besar, misal: “fan, pompa”.

Primery Resistance Metode ini menggunakan “Resistor” yang dipasang seri pada setiap phase motor dan di paralel dengan main-contact running contactor . Besarnya resitor yang dipasang tergantung pada impedansi motor. Pada saat start tegangan yang masuk ke stator motor akan dibatasi oleh “resistor” yang terpasang sebesar “I x R” volt. Arus start yang akan timbul akan sebanding dengan rasio “impedans motor terhadap impedans motor + resistor”, Selama start resistor akan dilairi arus besar sehingga resistor akan mudah panas, untuk mengurangi rugi-rugi daya yang hilang menjadi panas maka resistor memerlukan pendinginan tambahan, dapat berupa cairan (oli) atau udara paksa. Karena keterbatasan kemampuan resistor tersebut , maka normalnya metode ini hanya digunakan pada motor-motor sedang dengan beban yang tidak memerlukan starting moment tinggi.


Gambar Primary Resistance Starter

Solid State Soft Starter Solid state soft starter adalah salah satu metode yang digunakan untuk starting motor, dengan cara mengatur tegangan supply ke stator yang dilakukan oleh A.C switch yang dipasang seri dengan setiap phase stator.

L1L2L3

I >>

MOTOR

MCCB

CONTACTOR

TERMINATION

CONTACTOR

MAIN

& STARTRESISTOR

RUNNING

RESISTANCE STARTER

STATORIMPEDANCE

STATORVOLTAGE

LINE VOLTAGE

ROTOR SPEED

A.C. switch dapat berupa sebuah “triac” atau dua bh SCR atau gabungan SCR dan diode yang dipasang paralel dengan polaritas terbalik satu sama lain. Solid state akan mengontrol tegangan power supply dan besarnya arus yang masuk ke-stator, cara kerja ac switch adalah layaknya saklar “on – off – on – off”, dan sudut gelombang tegangan yang akan dipotong dapat diatur dengan mengatur waktu triger pada gate SCR atau triac.

OUT PUTVOLTAGE

1800

CONDUCTIONANGLE

START UP WAVE FORM

MOTOR

TERMINATION

CONTACTOR

L1L2L3

MCCBI >>

AC SWITCH

SOLID STATE SOFT STARTER

Gambar Solid State Starter


2.4.2 Slip ring Motor

Cara starting motor slipring agak berbeda dengan squirrel cage motor, pada slipring motor lilitan rotor dihubungkan dengan “3 phase external variable resistance” untuk menurunkan arus start. Pada awal start “tapping resistor” dibuat maximum, setahap demi setahap tahanan resistor diturunkan, jika putaran motor telah mencapai putaran penuh resistor dihubung singkat.

Cara kerja starting slip ring

Analogi starting slipring terhadap Squirrel cage motor, jika external resistor di hubung-singkat (tahanan external resistance = 0), mesin akan bekerja seperti pada motor squirrel cage, karena tahanan rotor menjadi sangat kecil motor akan berputar dengan slip rendah dan akan menghasilkan torsi besar. Jika external resistor ditambahkan pada lilitan rotor, maka putaran dan torsi motor akan berubah sebanding dengan perubahan impedansi lilitan + tahanan external, arus yang mengalir ke rotor akan dibatasi oleh penjumlahan Impedansi rotor + external resistor, dengan demikian arus induksi pada stator akan turun sebanding dengan penurunan arus pada rotor.

Karakteristik motor Slip ring: • Low starting current • High starting torque • High acceleration Karena sifat-sifat mesin tersebut, maka motor ini sangat sesuai digunakan untuk beban dengan moment diam yang besar, contoh: • Hoist • Conveyor • Elevator

Berikut adalah skema starting motor slip ring


Main Stator

Wound Rotor Shaft

INCOMING

SLIPRING3 PCS

ExternalResistor

External resistor di short jika motor telah mencapai putaran penuh

2.5 DC Motor

Direct current motor sangat luas digunakan di industri, karena speed dan torque pada motor d.c. dapat dengan mudah di atur dengan sangat halus. Pada putaran rendah motor d.c. masih dapat mentransfer torque secara penuh, hal ini tidak mungkin dilakukan oleh motor a.c. selain itu putaran motor d.c. dapat di balik secara mudah.

Konstruksi mesin dc

Armature core: terbuat dari baja silikon dengan ketebalan 0.4 – 0.6 mm dengan lapisan isolasi di satu sisi dan sisi lainnya tanpa isolasi.

Stator pole core: sperti pada rotor, hanya saja pole stator lebih tebal dari core rotor, berkisar antara 1.5 – 3.2 mm

Frame yoke: terbuat dari rolled mild steel plate Commutator: terbuat dari “hard-copper” dari setiap lembar tembaga

dipisahkan dengan lembaran isolasi yang terbuat dari “mica” dengan ketebalan 0.5 – 1.3 mm tergantung dari size generator dan tegangan kerja max. antar bar. Isolasi mica dan bar tembaga di klem bersama dengan menggunakan V ring dari metal dan di isolasi dengan mica yang berbentuk kubah (“cone”)

Commutator

Rotor


Stator

Copound dc motor Stator Series dc Generator

Karakteristik konstruksi lilitan Konstruksi lilitan d.c dapat dikategarikan menjadi 2, yaitu:

Permanent magnet motor Wound field motor

Permanent magnet motor

Permanent magnet motor, biasanya didesain untuk motor d.c dengan kapasitas kecil (fractional power motor) Permanent magnit motor: field nya berupa permanent magnit yang memilki pole dari 2 atau lebih, Magnetic flux akan membangkitkan arus pada lilitan armature yang menyebabkan motor akan berputar. Flux yang dibangkitkan oleh permanent magnet akan konstan pada semua speed sehingga speed – torque dan current - torque motor memiliki kurva linier. Permanent magnet memilki beberapa keuntungan dibandingkan dengan wound field lilitan.

• Excitation power supply tidak memerlukan pengkabelan • Reliability nya lebih tinggi sepanjang tidak ada kerusakan lilitan rotor. • Tidak akan pernah terjadi over-speed, karena tidak akan pernah ada

gangguan field. • Karakteristik Torque vs arus mendekati linier Temperature effect pada PM (permanent magnet) sangat tergantung pada material permanent magnet yang membentuknya. ALNICO PM memiliki temperature lebih rendah dari bahan “ceramic” karena karakteristik flux yang dibangkitnya Alnico lebih konstan


Wound field d.c motor: Shunt motor: Field lilitan motor di hubungkan paralel dengan armature Series motor: Field lilitan dihubungkan seri dengan armature Compound motor : Motor yang memilki field seri dan shunt


materi diklat skp listrik 2

Business