BAB II DASAR TEORI. 2.1 Motor Sinkron Tiga Fasa. Motor sinkron tiga fasa adalah motor listrik arus bolak-balik (AC) yang

Transkripsi

1 BAB II DASAR TEORI 2.1 Motor Sinkron Tiga Fasa Motor sinkron tiga fasa adalah motor listrik arus bolak-balik (AC) yang putaran rotornya sinkron/serempak dengan kecepatan medan putar statornya. Motor ini beroperasi pada sumber tegangan tiga fasa yang dihubungkan dengan kumparan jangkar di stator. Selain mendapat suplai tegangan tiga fasa, motor sinkron juga mendapat arus eksitasi/arus medan dari sumber arus searah (DC) pada kumparan medan di rotornya. Sebuah motor sinkron selalu beroperasi pada kecepatan konstan, pada kondisi tidak berbeban. Tetapi apabila motor diberi beban, maka motor akan selalu berusaha untuk tetap pada putaran konstan. Motor akan melepaskan kondisi sinkronnya apabila beban yang diberikan terlalu besar (torsi pull out). Motor sinkron memiliki kekurangan didalam melakukan start dengan sendirinya. Hal ini dikarenakan tidak memiliki torsi awal, oleh karena itu motor sinkron memerlukan beberapa alat bantu untuk membantu didalam start awal sehingga masuk didalam kondisi sinkron. Perubahan beban pada motor sinkron tidak mempengaruhi kecepatan putarnya, karena ketika motor bekerja, medan magnet pada rotor akan selalu terikat atau terkopel secara magnetis dengan medan putar statornya, sehingga rotor akan dipaksa terus berputar pada kecepatan sinkronnya. Sehingga motor sinkron biasanya digunakan pada sistem operasi yang membutuhkan kecepatan konstan pada beban yang berubah-ubah. Namun apabila beban yang diberikan sudah 5

2 melewati batas kemampuan dari motor maka motor akan melepas kecepatan sinkronnya dan berhenti berputar. Keuntungan lain dari motor sinkron adalah tidak hanya dapat bekerja pada faktor daya terbelakang (lagging) seperti motor induksi, namun juga dapat bekerja dengan faktor daya unity bahkan dengan faktor daya mendahului (leading). Sehingga motor sinkron dapat berperan untuk memperbaiki faktor daya sistem. 2.2 Konstruksi Motor Sinkron Tiga Fasa Motor sinkron juga memiliki dua bagian penting yaitu bagian stator yang merupakan bagian komponen diam, dan bagian rotor yang berfungsi sebagai komponen berputar, stator terdiri dari inti besi dari bahan ferromagnet yang dibelit dengan lilitan 3 fasa, lilitan 3 fasa ini sama dengan lilitan tiga fasa pada rotor induksi. Gambar 2. 1 Konstruksi Motor Sinkron 6

3 Gambar 2. 2 Rotor (a) Salient (b) non-salient Rotor pada motor ada dua type yaitu salient pole ( menonjol ) dan non salient pole ( tidak menonjol ) dan terdiri dari kutubmenonjol yang juga dibeliti dengan lilitan untuk eksitasi DC dari luar. Kumparan dari lilitan excitasiini dihubungkan dengan slip ring untuk dihubungkan dengan sumber eksitasi DC dari luar. Motor sinkron selalu memerlukan arus eksitasiagar selalau dapat berjalan dengan sinkron, arus eksitasi dapat digolongkan menjadi 3 jenis diantaranya : Eksitasi Dynamic, merupakan jenis eksitasi yang konvensional. Dimana arus eksitasi diperoleh dari sebuah generator DC yang dihubungkan ke Rotor motor sinkron. Jenis eksitasi ini memiliki kekurangan, yaitu bahwa generator DC merupakan beban tambahan bagi motor. Kemudian sikat arang sebagai penghubung eksitasi menekan slip ring yang menimbulkan rugi-rugi. Eksitasi Statis, merupakan perkembangan dari eksitasi dinamis. Dimana alat ini menggunakan penyearah elektronik ( Rectifier ), 7

4 penyearah ini memerlukan sumber teganagn input AC yang diambil dari sumber tegangan jala-jala. Karena exciter yang digunakan tidak berputar seperti pada gambar eksitasi konvensional maka eksitasi dapat dikatakan statis. Eksitasi Brushless, pada prinsipnya brusless ini menggunakan generator AC kecil sebagai ekciter. Pertama, arus DC diberikan pada stator, kemudian rotor pada exciter akan menghasilkan arus AC yang kemudian diserahkan oleh rectifier yang juga ikut berputar pada poros rotor motor sinkron. Motor sinkron yang modern umumnya tidak menggunakan sikat untuk eksitasi luar tetapi eksitasi diambil dari sebuah penyearah yang ikut berputar dan sebuah generator AC yang kecil yang dihubungkan langsung pada poros dari motor sinkron tersebut. Prinsip ini sama dengan yang digunakan pada generator modern yang menggunakan sistem eksitasi sendiri (Brushless excitation). Rotor dan stator pada motor sinkron selalu mempunyai jumlah kutub yang sama dan seperti pada motor induksi maka jumlah dari kutub ini menentukan kecepatan dari motor sinkron yang hubungannya dapat dirumuskan dengan : (2.1) Dimana : Ns = Kecepatan Motor ( r/min) f = frekuensi sumber p = jumlah kutub 8

5 2.3 Prinsip Kerja Motor Sinkron Tiga Fasa Pada motor sinkron tiga fasa terdapat 2 sumber tegangan dari luar yaitu arus bolak-balik (AC) yang dialirkan kebelitan jangkar dan arus searah (DC) yang dialirkan kebelitan medannya. Perputaran rotor diakibatkan karena adanya kopel magnetik antar medan magnet rotor dengan medan putar stator. Apabila tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan jangkar atau stator akan menghasilkan arus tiga fasa yang mengalir pada kumparan stator tersebut. Jika arus tiga fasa (yang berbentuk sinusoidal murni atau saling berbeda sudut listrik) mengalir pada kumparan stator motor sinkron tiga fasa, maka akan menghasilkan intensitas medan magnet (HS) yang juga saling berbeda sudut listrik. Karena kumparan stator mempunyai permeabilitas (µ), maka akan menghasilkan intensitas medan magnet sebesar Bs = µ.hs Hal inilah yang disebut dengan medan putar yang timbul pada stator. Timbulnya medan putar pada stator ini dapat dijelaskan melalui Gambar 2.2 berikut. Gambar 2. 3 Kumparan a-a, b-b, c-c 9

6 Gambar 2. 4 Distribusi ia, ib, ic sebagai fungsi waktu (a) (b) Gambar 2. 5 Arah Fluks Secara Vektoris 10

7 Saat tegangan tiga fasa dihubungkan ke kumparan a-a, b-b, c-c (Gambar 2.2) dengan beda fasa masing-masing Maka akan timbul 3 buah arus sinusoidal (Ia, Ib, Ic) yang terdistribusi berdasarkan fungsi waktu seperti terlihat pada (Gambar 2.3). Secara vektoris, pada keadaan t1, t2, t3, t4, arah fluks resultan yang ditimbulkan oleh kumparan tersebut masing-masing ditunjukkan seperti pada (Gambar 2.4). Pada saat t1, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a (Gambar 2.4a). Pada saat t2, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan b-b (Gambar 2.4b). Pada saat t3, arah fluks resultannya sama dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan c-c (Gambar 2.4c). Pada saat t4, arah fluks resultannya berlawanan arah dengan arah fluks yang dihasilkan kumparan a-a (Gambar 2.2d). 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 If motor dan menghasilkan medan magnet BR. Karena 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 BR akan mendapat tarikan dari kutub medan putar stator dan akan selalu menempel dan mengikuti putaran BS dengan kecepatan yang sama atau sinkron. Interaksi antar kedua medan magnet tersebut akan menghasilkan kopel yang dinyatakan sebagai : Tind = k.br x B...(pers 2.2) Tind = k.br.bs.sin δ...(pers 2.3) 11

8 Dan hubungannya dengan diagram medan magnetnya ditunjukkan pada gambar 2.5 berikut. Keterangan : Gambar 2. 6 Diagram medan magnet motor sinkron BS BR Bnet = Medan magnet stator = Medan magnet rotor = Resultan medan magnet stator dan rotor Sehingga didapat : Bnet Vph ; BR EA ; BS j.xs.ia Karena BS = Bnet - BR Maka dengan mensubstitusikan persamaan (2.3) ke persamaan (2.2), maka akan diperoleh : Tind = k. BR(Bnet BR) Sin β Tind = k. BR. Bnet. Sin β k. BR. BR Sin β BR.BR=0 Sehingga persamaan kopel induksinya dapat dituliskan : Tind = k. BR. Bnet. Sin β (N.m)...(pers 2.4) dimana : k BR Bnet β = Konstanta = Medan magnet rotor = Resultan medan magnet rotor dan medan magnet stator = Sudut kopel 12

9 Pada beban nol, sumbu kutub medan berhimpit dengan sumbu kutub kumparan medan (β = 0). Setiap penambahan beban membuat medan rotor tertinggal sebentar dari medan stator, terbentuk sudut kopel (β), untuk kemudian berputar dengan kecepatan sama lagi (sinkron). Penambahan beban lebih lanjut mengakibatkan hilangnya kekuatan kopel dan motor disebut kehilangan sinkronisasi. Gambar 2. 7 Kedudukan kutub rotor terhadap kutub khayal pada saat motor berbeban 2.4 Rangkaian Ekivalen Motor Sinkron Rangkaian 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 ekuivalen motor sinkron adalah sama dengan rangkaian ekuivalen generator sinkron, kecuali bahwa referensi arah IA dibalik. Rangkaian ekuivalennya diperlihatkan pada gambar (2.7) dan rangkaian per 13

10 fasanya ditunjukkan pada gambar (2.8). Rangkaian ekuivalen tiga fasa biasa dalam bentuk hubungan Y atau hubungan Delta ( ). Karena perubahan arah IA ini, maka persamaan tegangan menurut hukum Kirchoff untuk rangkaian ekuivalennya juga akan berubah. Jadi persamaan hukum Kirchoff untuk tegangannya untuk rangkaian ekuivalen yang baru adalah : h = (pers 2.5) Jadi persamaan ini sama dengan persamaan generator sinkron, kecuali tanda untuk arusnya adalah terbalik. Gambar 2. 8 Rangkaian ekuivalen motor sinkron 3 fasa 14

11 Gambar 2. 9 Rangkaian ekuivalen motor sinkron per fasanya Dari persamaan umum motor sinkron yang dituliskan di dalam persamaan (2.3) dapat digambarkan diagram fasor motor sinkron seperti ditunjukkan pada gambar (2.9) sebagai berikut : Gambar Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Unity Keterangan : EA IA Vph XS δ = Tegangan Jangkar (GGL lawan) = Arus Jangkar = Tegangan Terminal = Reaktansi Sinkron Motor = Sudut Kopel Dalam hal ini motor dianggap beroperasi dengan faktor daya satu (unity). Namun dalam operasi motor sinkron, motor dapat beroperasi dengan faktor daya mendahului (leading) dan tertinggal (lagging) selain dengan faktor daya unity. 15

12 Diagram fasor motor sinkron denga faktor daya mendahului (leading) dan tertinggal (lagging) ditunjukkan seperti pada gambar (2.10) dan gambar (2.11). Gambar Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Leading Gambar Diagram Fasor Motor Sinkron Dengan Faktor Daya Lagging Namun pada kenyataannya, saat motor sinkron dibebani tanpa pengaturan arus medan, motor sinkron akan beroperasi dengan faktor daya tertinggal (lagging) dan diagram fasornya seperti yang ditunjukkan pada gambar (2.11). 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 (Pmek) motor sinkron menurut persamaan berikut : 16

13 =....(pers 2.6) Untuk motor sinkron tiga fasa maka persamaan daya mekanik (Pmek) menjadi: = (pers 2.7) Karena tahanan jangkar (RA) motor sinkron biasanya kecil, maka tahanan jangkar ini biasanya diabaikan. Bila tahanan jangkar (RA) diabaikan (RA<<XS) maka diagram fasornya menjadi seperti yang ditunjukkan pada. Gambar Diagram Fasor Yang Disederhanakan Dengan RA Diabaikan Dari diagram fasor yang ditunjukkan pada h. δ = Xa. Ia...(pers 2.8) Maka diperoleh, =....(pers 2.9) Jika persamaan (2.10) disubstitusikan ke persamaan (2.5), maka diperoleh : =......(pers 2.10) 2.5 Metode Starting 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). 17

14 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 dapat dilakukan dengan cara lain. Saat ini ada tiga pendekatan utama yang dapat dilakukan untuk menjalankan 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 (mengurangi frekuensi) 3. Menggunakan kumparan peredam (Amortisseur Winding) Starting 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 rotor (BR) akan tertinggal dibelakang Bnet dan mesin akan start beraksi sebagai motor. Saat paralelnya sudah komplit, maka motor sudah dapat dibebani. 18

15 2.5.2 Starting Dengan Mereduksi Frekuensi Cepatnya perputaran medan putar stator juga turut menyebabkan motor sinkron tidak dapat melakukan start sendiri (self starting). Perputaran medan magnet stator setiap menitnya adalah : Dimana : Ns =...(pers 2.11) f p Ns = frekuensi tegangan terminal motor (Hz) = jumlah kutub motor = perputaran medan magnet stator (rpm) 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 frekuensi ini, pada saat start, motor disuplai dengan frekuensi yang rendah sehingga kecepatan putaran medan putar stator juga rendah. Hal ini akan membuat terjadinya interaksi tarik-menarik dan tolak-menolak antara kutub medan magnet stator dan kutub medan magnet rotor. Setelah terjadi interaksi antara kedua kutub medan magnet tersebut, maka frekuensi sistem dapat dinaikkan secara perlahan sampai pada frekuensi dan kecepatan sinkron yang diinginkan. Saat ini, pengaturan besar frekuensi yang disuplai dapat dilakukan dengan menggunakan rectifier-inverter dan cycloconverter. 19

16 2.5.3 Starting Dengan Kumparan Peredam Pada metode start dengan kumparan peredam, rotor dilengkapi dengan kumparan peredam atau kumparan sangkar tupai yang ditempatkan pada permukaan rotor yang dihubung singkat pada kedua ujungnya. Saat kumparan stator dihubungkan dengan tegangan tiga fasa 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 dengan 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 karena terdapat slip antara kecepatan putar rotor dengan kecepatan medan putar statornya. Setelah putaran rotor hampir mencapai kecepatan sinkronnya, maka kumparan medan penguat yang berada pada rotor dieksitasi dengan sumber arus DC. Selanjutnya motor akan menuju ke keadaan sinkron. Namun dalam pelaksanaan metode start ini dibutuhkan alat pengaturan sinkronisasi untuk menghindarkan efek yang dapat merusak motor tersebut. 2.6 Teori Suplai Tegangan Lepas Satu Fasa Dalam sistem tiga fasa yang seimbang, tegangan line to netral memiliki magnitude yang sama dan tiap tiap sudut fasanya berbeda 120 derajat satu sama lain. Terjadinya gangguan berupa lepasnya suplai satu fasa menyebabkan tegangan tiga fasa yang magnitudnya tidak sama dan sudut fasanya mengalami pergeseran sehingga tidak berbeda 120 derajat satu sama lain, maka dikatakan 20

17 sistem tersebut memiliki tegangan tidak seimbang yang diakibatkan oleh lepasnya suplai satu fasa yang menyuplai motor sinkron tiga fasa. Ketika beban tiga fasa seimbang dihubungkan dengan sistem suplai yang mendapat gangguan lepas suplai satu fasa, maka arus yang dialirkan ke beban juga menjadi tidak maksimal di ketiga fasa. Oleh karena itu sangat sulit / tidak mungkin untuk menyediakan suatu sistem suplai yang sempurna dan efisien kepada konsumen, sehingga perlu dilakukan berbagai upaya untuk meminimalisasi terjadinya gangguan lepas suplai tegangan satu fasa ini agar suplai dari sistem ke beban tetap sempurna. I ii Gambar diagram vector suplai tegngan fasa lengkap; diagram vector tegangan lepas suplai satu fasa Metode yang biasa digunakan dalam menganalisa baik arus ataupun tegangan dalam keadaaan lepas suplai satu fasa adalah dengan menggunakan komponen komponen simetris yaitu suatu metode yang secara matematis memecahkan suatu sistem yang tidak seimbang menjadi tiga buah sistem yang seimbang. Sistem tersebut adalah urutan positif, urutan negatif dan urutan nol. 21

18 Untuk sistem yang sempurna, maka sistem urutan negatife dan urutan nol tidak ada. i ii iii Gambar Diagram vector urutan positif (i) ; diagram vector urutan negatif (ii); diagram vector urutan nol (iii) Sistem urutan ini dapat dilukiskan secara fisika. Arah perputaran dari motor sinkron tiga fasa ketika diaplikasikan dengan tegangan urutan negatif akan berlawanan arah dengan arah perputaran motor sinkron sewaktu diaplikasikan dengan tegangan urutan positif. Sementara itu sistem urutan nol tidak akan menimbulkan perputaran pada motor sinkron, karena tidak ada pebedaan fasa pada ketiga tegangannnya, sehinggan tidak akan dibangkitkan medan putar. Lepas suplai tegangan satu fasa akan menghasilkan arus tidak seimbang dalam jumlah besar, yang mana hal ini akan menimbulkan kenaikan temperatur pada motor. Jika terjadi lepas suplai tegangan satu fasa yang menyuplai motor sinkron, maka daya kuda nominal dari motor harus dikalikan dengan suatu faktor seperti yang ditunjukkan gambar

19 Gambar Kurva penurunan rating motor sinkron (NEMA) 2.7 Metode Menentukan Temperatur Motor Sinkron Menggunakan thermometer infrared Metode ini adalah penentuan suhu dengan sensor suhu, atau dengan thermometer infrared, dengan metode ini instrumen diterapkan pada bagian tertemperatur dari mesin yang dapat diakses Menggunakan Embedded Detector Motor yang menggunakan embedded detector pada lilitannya dapat dimonitor langsung output yang dideteksi pada peralatan. Output temperature yang ditunjukkan adalah temperature tertemperatur dimana lokasi sensor diletakkan. Perbedaan antara embedded detector dengan thermometer infrared yaitu embedded detector tertanam di lilitan stator motor sedangkan thermometer infrared dapat diletakkan dimana saja bagian motor yang paling temperatur yang mudah diakses. 23

20 Mengukur Tahanan Lilitan Motor Metode digunakan untuk motor yang tidak memiliki embedded detector seperti thermocouple atau resistance temperature detectors (RTDs). Kelebihan metode ini yaitu dapat dilakukan tanpa harus membongkar kerangka motor Penentuan temperature dengan metode ini yaitu dengan membandingkan tahanan lilitan motor pada temperature yang ingin ditentukan (pada saat motor temperatur) dengan tahanan yang sudah diketahui temperaturnya (temperature ambient). Temperature tahanan yang ingin ditentukan dapat dihitung dengan persamaaan : = ( + + )...(pers 2.16) Dimana : Tt : Temperatur total lilitan (oc) Tb : Temperatur pada saat motor dingin (oc) Rt : Tahanan pada saat motor temperatur (ohm) Rb : Tahanan pada saat motor dingin (ohm) K : ( konstanta untuk bahan tembaga ) (oc) 225 konstanta untuk bahan aluminium ) (oc) 24